A DNS szerkezetét ugyan nem ismerték, de a DNS alapvető építőkövei már évek óta ismertek voltak. A DNS alapelemeit már izolálták, és tisztított DNS részleges felbontásával határozták meg. Ezek a vizsgálatok kimutatták, hogy a DNS mindössze négy alapmolekulából, úgynevezett nukleotidokból áll, amelyek azonosak, kivéve, hogy mindegyik más-más nitrogénbázist tartalmaz. Minden nukleotid foszfátot,cukrot (dezoxiribóz típusú) és a négy bázis egyikét tartalmazza (8-4. ábra). Ha a foszfátcsoport nincs jelen, a bázis és a dezoxiribóz nem nukleotidot, hanem nukleozidot alkot. A négy bázis az adenin, guanin, citozin és timin. A nukleotidok teljes kémiai neve dezoxi-adenozin5′-monofoszfát (dezoxi-adenilát vagy dAMP), dezoxi-guanozin5′-monofoszfát (dezoxi-guanilát, vagy dGMP), a dezoxicitidin-5′-monofoszfát (dezoxicitidilát, ordCMP) és a dezoxi-tiimidin-5′-monofoszfát (dezoxi-tiimidilát, dTMP). Kényelmesebb azonban, ha az egyes nukleotidokra a bázisuk rövidítésével (A, G, C és T) hivatkozunk. Két bázis, az adenin és a guanin hasonló szerkezetű, ezért purinoknak nevezzük őket. A másik két bázis, a citozin és a timin szintén hasonló, és pirimidineknek nevezzük őket.
8-4. ábra
A DNS alapvető építőköveit alkotó négy nukleotid (két purin bázisú és két pirimidin bázisú) kémiai szerkezete.A cukrot dezoxiribóznak nevezik, mert ez egy gyakori cukor, a ribóz egy oxigénnel több oxigénnel rendelkező változata (tovább…)
Miután világossá vált a DNS központi szerepe az öröklődésben, sok tudós nekilátott a DNS pontos szerkezetének meghatározásához. Hogyan tárolhatja egy ilyen korlátozott számú különböző összetevővel rendelkező molekula az élő szervezet összes fehérje elsődleges szerkezetére vonatkozó hatalmas mennyiségű információt? Az első, akinek sikerült összeillesztenie az építőelemeket, és ésszerű DNS-szerkezetet találnia – Watson és Crick 1953-ban -, kétféle nyomravezetés alapján dolgozott. Először is, Rosalind Franklin és Maurice Wilkins összegyűjtötte a DNS szerkezetére vonatkozó röntgendiffrakciós adatokat. Az ilyen kísérletek során röntgensugarakat lőnek a DNS-szálakra, és a sugaraknak a szálról történő szóródását úgy figyelik meg, hogy fotófilmre rögzítik őket, ahol a röntgensugarak foltokat hoznak létre. Az egyes foltok által a filmen képviselt szórásszög információt ad a DNS-molekulában lévő atomok vagy atomcsoportok helyzetéről. Ezt az eljárást nem egyszerű elvégezni (vagy megmagyarázni), és a foltok mintázatának értelmezése nagyon nehéz. A rendelkezésre álló adatok azt sugallták, hogy a DNS hosszú és vékony, és hogy két hasonló része van, amelyek egymással párhuzamosak és a molekula hosszában húzódnak. A röntgensugaras adatok azt mutatták, hogy a molekula spirális (spirálszerű). A foltmintázatokban más szabálytalanságok is jelen voltak, de még senki sem gondolt olyan háromdimenziós szerkezetre, amely csak ezeket a foltmintákat magyarázná.
A Watson és Crick számára rendelkezésre álló második nyomok Erwin Chargaff több évvel korábbi munkájából származnak. Különböző szervezetekből származó DNS-ek nagy választékát tanulmányozva (8-1. táblázat), Chargaff bizonyos empirikus szabályokat állapított meg a DNS egyes összetevőinek mennyiségére vonatkozóan:
8-1. táblázat
A bázisok* moláris tulajdonságai a különböző forrásból származó DNS-ben.
A pirimidin nukleotidok teljes mennyisége (T + C) mindig egyenlő a purin nukleotidok teljes mennyiségével (A + G).
A T mennyisége mindig egyenlő az A mennyiségével, és a C mennyisége mindig egyenlő a G mennyiségével. De az A + T mennyisége nem feltétlenül egyenlő a G + C mennyiségével, amint az a 8-1. táblázat utolsó oszlopában látható. Ez az arány a különböző szervezetek között változik.
Dupla spirál
A szerkezet, amelyet Watson és Crick ezekből a nyomokból levezetett, egy dupla spirál, amely inkább két egymásba kapcsolt ágyrugóra hasonlít. Mindegyik ágyrugó (spirál) nukleotidok lánca, amelyeket foszfodiészter kötések tartanak össze, amelyekben egy foszfátcsoport hidat képez két szomszédos cukormaradék -OH csoportjai között. A két “ágyrugót” (hélixet) hidrogénkötések tartják össze, amelyekben két elektronegatív atom “osztozik” egy protonon a bázisok között. A hidrogénkötések kis pozitív töltésű hidrogénatomok és kis negatív töltésű akceptoratomok között jönnek létre. Például,
Az NH2 csoport minden hidrogénatomja enyhén pozitív (δ+), mert a nitrogénatom hajlamos magához vonzani az N-H kötés elektronjait, így a hidrogénatomnak kissé kevés elektronja marad. Az oxigénatomnak hat kötés nélküli elektronja van a külső héjában, így enyhén negatív (δ -). Az egyik H és az O között hidrogénkötés alakul ki.A hidrogénkötés meglehetősen gyenge (az kovalens kémiai kötés erejének csak mintegy 3 százaléka), de ez a gyengeség (mint látni fogjuk) fontos szerepet játszik a DNS-molekula öröklődésben betöltött funkciójában. Egy további fontos kémiai tény: a hidrogénkötés sokkal erősebb, ha a résztvevő atomok ideális orientációban “mutatnak egymásra”.
A hidrogénkötéseket bázispárok alkotják, és szaggatott vonalakkal jelzik a 8-5. ábrán, amely ennek a páros szerkezetnek egy részét mutatja a spirálok feltekeredése nélkül. Minden bázispár egyepurin és egy pirimidin bázisból áll, a következő szabály szerint párosítva: A8-6. ábrán, amely a tekeredés egyszerűsített képe, az egyes bázispárokat a láncok “szalagjai” vagy úgynevezett cukor-foszfát-hátcsontjai közötti “pálca” jelképezi. A 8-5. ábrán figyeljük meg, hogy a két gerinccsont ellentétes irányban fut; így azt mondjuk, hogy antiparalelárisak, és (az ábrán látható okok miatt) az egyiket 5′ → 3′ szálnak, a másikat pedig3′ → 5′ szálnak nevezzük.
8-5. ábra
A DNS kettős spirál, feltekerve, hogy láthatóvá váljanak a cukor-foszfát gerincek (kék) és a bázispár lépcsőfokok (piros). A gerincek ellentétes irányban futnak; az 5′ és 3′ végeket az5′ és 3′ szénatomok irányultságáról neveztük el (tovább…)
8-6. ábra
A DNS spirális szerkezetét bemutató egyszerűsített modell. A pálcikákbázispárokat, a szalagok pedig a két antiparalell lánc cukor-foszfát-háttércsontjait ábrázolják. A különböző mérések angströmben vannak megadva (1 Å = 0,1 (tovább…)
A kettős spirál szépen megfelelt a röntgenadatoknak, és nagyon szépen illeszkedett Chargaff adataihoz. A szerkezetről készített modelljeiket tanulmányozva Watson ésCrick rájöttek, hogy a kettős spirál megfigyelt (a röntgenadatokból ismert) sugara megmagyarázható, ha egy purin bázis mindig párosodik (hidrogénkötés révén) egy pirimidin bázissal (8-7. ábra). Ez a párosítás megmagyarázná a Chargaff által megfigyelt (A + G) = (T + C) szabályosságot, de négy lehetséges párosítást jelezne előre: Chargaff adatai azonban azt mutatják, hogy a T csak A-val és a C csak G-vel párosul. Watson és Crick kimutatta, hogy csak ez a két párosítás rendelkezik a szükséges komplementer “zár és kulcs” formával, amely lehetővé teszi a hatékony hidrogénkötést (8-8. ábra).
8-7. ábra
A purinok és pirimidinek párosítása pontosan megfelel a DNS kettős spirál röntgenadatokból meghatározott átmérőjének. (FromR. E. Dickerson, “A DNS-hélix és annak leolvasása”. Copyright ©1983 by Scientific American, Inc. (tovább…)
8-8. ábra
Az A és a T, valamint a G és a C közötti zárt és kulcsos hidrogénkötés. (G. S. Stent, Molecular Biology of BacterialViruses. Copyright © 1963 by W. H. Freeman andCompany).
Megjegyezzük, hogy a G-C párnak három hidrogénkötése van, míg az A-T párnak csak kettő. Azt jósolnánk, hogy a sok G-C párt tartalmazó DNS stabilabb lesz, mint a sok A-T párt tartalmazó DNS. Valójában ez a jóslat beigazolódott. A DNS-szerkezet szépen megmagyarázza Chargaff adatait (8-9. ábra), és ez a szerkezet összhangban van a röntgenadatokkal.
8-9. ábra
(a) A DNS kettős spirál térkitöltő modellje. (b) Egy nukleotidpárokból álló rövid szakasz feltekert ábrázolása, amely mutatja, hogy azA-T és G-C párosítás hogyan eredményezi a Chargaff-arányokat. Ez a modell a DNS több formája közül az egyik, az úgynevezett (tovább…)
A kettős spirál háromdimenziós nézete
Három dimenzióban a bázisok meglehetősen lapos szerkezeteket alkotnak, és ezek a lapos bázisok a kettős spirál csavart szerkezetében részben egymásra rakódnak.A bázisoknak ez a halmozása óriási mértékben növeli a molekula stabilitását azáltal, hogy kizárja a vízmolekulákat a bázispárok közötti terekből. (Ez a jelenség nagyon hasonlít ahhoz a stabilizáló erőhöz, amit akkor érezhetünk, amikor két üveglapot összenyomunk a víz alatt, majd megpróbáljuk szétválasztani őket.) Később rájöttek, hogy a DNS-nek két formája van a diffrakcióval elemzett szálban. Az A forma kevésbé hidratált, mint aB forma, és tömörebb. Úgy vélik, hogy aDNS B formája az élő sejtekben leggyakrabban előforduló forma.
A bázispárok egymásra rakódása a kettős spirálban két barázdát eredményez a cukor-foszfát gerincben. Ezeket a barázdákat nagy és kis barázdáknak nevezzük, és jól láthatók a8-9a. ábrán látható térkitöltő (háromdimenziós) modellben.
A DNS szerkezetének következményei
A DNS szerkezetének feltárása két alapvető okból okozott nagy izgalmat a genetikában (és a biológia minden területén). Először is, a szerkezet arra utal, hogy a molekula nyilvánvaló módon duplikálható, vagy replikálható, mivel minden bázis hidrogénkötés révén képes meghatározni a komplementer bázisát. A genetikai molekulának ez az alapvető tulajdonsága mindeddig rejtély volt. Másodszor, a szerkezet azt sugallja, hogy talán a DNS-ben lévő nukleotidpárok sorozata diktálja az adott gén által szervezett fehérje aminosavainak sorrendjét. Más szóval, valamiféle genetikai kód írhat információt a DNS-be nukleotidpárok szekvenciájaként, majd lefordítja azt a fehérje aminosav-szekvenciáinak egy másik nyelvére.
A DNS-ről szóló ezen alapvető információk ma már szinte mindenki számára ismerősek, aki olvasott abiológia tankönyvet az általános vagy középiskolában, vagy akár magazinokat és újságokat.De próbáljuk meg visszahelyezni magunkat az 1953-as jelenetbe, és képzeljük el az izgalmat.Addig a bizonyíték, hogy az érdektelen DNS a genetikai molekula, csalódást és elkeserítést okozott. De a DNS Watson-Crick szerkezete hirtelen megnyitotta a lehetőséget az élet két legnagyobb “titkának” megmagyarázására. James Watson e felfedezés történetét (saját szemszögéből, amelyet a többi résztvevő erősen megkérdőjelezett) a The Double Helix című lenyűgöző könyvben mesélte el, amely feltárja a személyiségek összeütközésének, az okos meglátásoknak, a kemény munkának és az egyszerű szerencsének a bonyolult összjátékát az ilyen fontos tudományos előrelépésekben.
Alternatív szerkezetek
A DNS A és B formáján kívül egy új formát találtak a szintetikusan előállított DNS kristályaiban, amelyek ugyanazon a szálon váltakozó G és C betűket tartalmaznak. Ez a Z DNS-forma cikkcakkszerű gerinccel rendelkezik, és balkezes hélixet hoz létre, míg az A és B DNS jobbkezes hélixet képez.