DNA:s struktur var visserligen inte känd, men DNA:s grundläggande byggstenar hade varit kända i många år. DNA:s grundelement hade isolerats och bestämts genom att delvis bryta upp renat DNA. Dessa studier visade att DNA består av endast fyra basmolekyler som kallas nukleotider, vilka är identiska förutom att var och en innehåller en annan kvävebas. Varje nukleotid innehåller fosfat, socker (av typen deoxyribose) och en av de fyra baserna (figur 8-4). När fosfatgruppen saknas bildar basen och deoxyribosen en nukleosid i stället för en nukleotid. De fyra baserna är adenin,guanin, cytosin och tymin. Nukleotidernas fullständiga kemiska namn är deoxyadenosin5′-monofosfat (deoxyadenylat eller dAMP), deoxyguanosin5′-monofosfat (deoxyguanylat), deoxyguanosin5′-monofosfat (deoxyguanylat, eller dGMP), deoxycytidin 5′-monofosfat (deoxycytidylat, ordCMP) och deoxythymidin 5′-monofosfat (deoxythymidylat, eller dTMP). Det är dock lämpligare att bara hänvisa till varje nukleotid med förkortningen av dess bas (A, G, C respektive T). Två av baserna, adenin och guanin, har liknande struktur och kallas puriner. De andra två baserna, cytosin och tymin, är också likartade och kallas pyrimidiner.
Figur 8-4
Kemisk struktur för de fyra nukleotider (två med purinbaser och två med pyrimidinbaser) som är de grundläggande byggstenarna i DNA.Sockret kallas deoxyribose eftersom det är en variant av ett vanligt socker, ribose, som har ytterligare ett syre (mer…)
När DNA:s centrala roll i arvsmassan blev klar, satte många forskare igång med att fastställa DNA:s exakta struktur. Hur kan en molekyl med ett så begränsat antal olika beståndsdelar lagra den enorma mängd information om alla de primära proteinstrukturer som finns i den levande organismen? De första som lyckades sätta ihop byggstenarna och hitta en rimlig DNA-struktur – Watson och Crick 1953 – utgick från två typer av ledtrådar. För det första hade Rosalind Franklin och Maurice Wilkins samlat in röntgendiffraktionsdata om DNA:s struktur. I sådana experiment avfyras röntgenstrålar mot DNA-fibrer, och strålarnas spridning från fibern observeras genom att fånga dem på fotografisk film, där röntgenstrålarna ger upphov till fläckar. Den spridningsvinkel som representeras av varje punkt på filmen ger information om placeringen av en atom eller vissa grupper av atomer i DNA-molekylen. Detta förfarande är inte enkelt att genomföra (eller förklara), och tolkningen av fläckmönstret är mycket svår. De tillgängliga uppgifterna tyder på att DNA är långt och tunt och att det har två liknande delar som är parallella med varandra och löper längs molekylens längd. Röntgendata visade att molekylen är spiralformad (spiralliknande). Andra oregelbundenheter fanns i fläckmönstren, men ingen hade ännu tänkt på en tredimensionell struktur som kunde förklara just dessa fläckmönster.
Den andra uppsättningen ledtrådar som Watson och Crick hade tillgång till kom från ett arbete som gjorts flera år tidigare av Erwin Chargaff. Genom att studera ett stort urval av DNA från olika organismer (tabell 8-1) fastställde Chargaff vissa empiriska regler om mängden av varje komponent i DNA:
Tabell 8-1
Molära egenskaper hos baser* i DNA från olika källor.
Den totala mängden pyrimidinnukleotider (T + C) är alltid lika med den totala mängden purinnukleotider (A + G).
Mängden T är alltid lika med mängden A, och mängden C är alltid lika med mängden G. Men mängden A + T är inte nödvändigtvis lika med mängden G + C, vilket framgår av den sista kolumnen i tabell 8-1. Detta förhållande varierar mellan olika organismer.
Double helix
Strukturen som Watson och Crick härledde från dessa ledtrådar är en double helix, som ser ut som två sammanfogade sängfjädrar. Varje sängfjäder (helix) är en kedja av nukleotider som hålls samman av fosfodiesterbindningar, där en fosfatgrupp bildar en bro mellan -OH-grupper på två intilliggande sockerrester. De två ”sängfjädrarna” (spiralerna) hålls samman av vätebindningar, där två elektronegativa atomer ”delar” på en proton, mellan baserna. Vätgasbindningar bildas mellan väteatomer med en liten positiv laddning och acceptoratomer med en liten negativ laddning. Till exempel
Varje väteatom i NH2-gruppen är svagt positiv (δ+) eftersom kväveatomen tenderar att dra till sig elektronerna i N-H-bindningen, vilket gör att väteatomen har en liten brist på elektroner. Syrgasatomen har sex obundna elektroner i sitt yttre skal, vilket gör den svagt negativ (δ -). En vätebindning bildas mellan ett H och O. Vätebindningar är ganska svaga (endast cirka 3 procent av styrkan hos en kovalent kemisk bindning), men denna svaghet spelar (som vi kommer att se) en viktig roll för DNA-molekylens funktion i arvsmassan. Ytterligare ett viktigt kemiskt faktum: vätebindningen är mycket starkare om de deltagande atomerna ”pekar på varandra” i de ideala orienteringarna.
Vätebindningarna bildas av baspar och indikeras med streckade linjer i figur 8-5, som visar en del av denna parade struktur med spiralerna utrullade. Varje baspar består av en epurinbas och en pyrimidinbas, parade enligt följande regel: I figur 8-6, som är en förenklad bild av upprullningen, representeras vart och ett av basparen av en ”pinne” mellan kedjornas ”band”, eller så kallade socker-fosfat-backbones. Observera att de två ryggraden löper i motsatt riktning i figur 8-5. De sägs alltså vara antiparallella, och (av skäl som framgår av figuren) kallas den ena för 5′ → 3′-strängen och den andra för 3′ → 5′-strängen.
Figur 8-5
DNA:s dubbelspiral, utrullad för att visa sockerfosfatryggarna(blått) och basparspåren (rött). Ryggraden löper i motsatta riktningar; 5′- och 3′-ändarna är namngivna efter orienteringen av 5′- och 3′-kolatomerna (mer…)
Figur 8-6
En förenklad modell som visar DNA:s spiralformade struktur. Stavarna representerar baspar och banden representerar socker-fosfat-bakbenen i de två antiparallella kedjorna. De olika måtten anges i angström (1 Å = 0,1 (more…)
Den dubbla spiralen motsvarade röntgendata på ett bra sätt och stämde mycket väl överens med Chargaffs data. När Watson ochCrick studerade modeller som de gjorde av strukturen insåg de att dubbelspiralens observerade radie (känd från röntgendata) skulle förklaras om en purinbas alltid parar sig (genom vätebindning) med en pyrimidinbas (figur8-7). En sådan parning skulle förklara den regelbundenhet (A + G) = (T + C) som observerades av Chargaff, men den skulle förutsäga fyra möjliga parningar: T—A, T—G, C—A och C—G. Chargaffs data visar dock att T endast bildar par med A och C endast bildar par med G. Watson och Crick visade att endast dessa två parbildningar har de nödvändiga komplementära ”lås och nyckel”-formerna för att möjliggöra en effektiv vätebindning (figur 8-8).
Figur 8-7
Parningen av puriner med pyrimidiner förklarar exakt diametern på DNA:s dubbelspiral som bestämts från röntgendata. (FrånR. E. Dickerson, ”The DNA Helix and How It Is Read”. Copyright ©1983 av Scientific American, Inc. (mer…)
Figur 8-8
Den låsta vätebindningen mellan A och T och mellan G och C. (Från G. S. Stent, Molecular Biology of BacterialViruses. Copyright © 1963 by W. H. Freeman andCompany.)
Bemärk att G-C-paret har tre vätebindningar, medan A-T-paret bara har två. Vi skulle förutsäga att DNA som innehåller många G-C-par skulle vara mer stabilt än DNA som innehåller många A-T-par. Denna förutsägelse bekräftas faktiskt. DNA-strukturen förklarar Chargaffs data (figur 8-9), och denna struktur stämmer överens med röntgendata.
Figur 8-9
(a) En rymdfyllande modell av DNA:s dubbelspiral. (b) En avvecklad representation av en kort sträcka av nukleotidpar, som visar hurA-T- och G-C-parning ger Chargaff-förhållandena. Denna modell är en av flera former av DNA, som kallas (more…)
Tredimensionell bild av dubbelhelixen
I tre dimensioner bildar baserna ganska platta strukturer, och dessa platta baser staplas delvis på varandra i dubbelhelixens tvinnade struktur.Denna stapling av baser bidrar enormt till molekylens stabilitet genom att utesluta vattenmolekyler från utrymmena mellan basparen. (Detta fenomen påminner mycket om den stabiliserande kraft som man kan känna när man pressar ihop två glasplattor under vatten och sedan försöker skilja dem åt.) Senare insåg man att det fanns två former av DNA i den fiber som analyserades genom diffraktion. A-formen är mindre hydratiserad än B-formen och är mer kompakt. Man tror att B-formen avDNA är den form som förekommer mest frekvent i levande celler.
Den stapling av basparen som sker i dubbelhelixen resulterar i två rännor i socker-fosfatryggarna. Dessa spår kallas major och minor grooves och kan lätt ses i den rymdfyllande (tredimensionella) modellen i figur8-9a.
Implikationer av DNA:s struktur
Uppklarandet av DNA:s struktur orsakade stor uppståndelse inom genetiken (och inom alla områden av biologin) av två grundläggande skäl. För det första visar strukturen på ett uppenbart sätt på vilket molekylen kan dupliceras, eller replikeras, eftersom varje bas kan specificera sin komplementärbas genom vätebindning. Denna väsentliga egenskap hos en genetisk molekyl har hittills varit ett mysterium. För det andra tyder strukturen på att denna sekvens av nukleotidpar i DNA kanske dikterar sekvensen av aminosyror i det protein som organiseras av den genen. Med andra ord kan någon sorts genetisk kod skriva information i DNA som en sekvens av nukleotidpar och sedan översätta den till ett annat språk av aminosyrasekvenser i protein.
Denna grundläggande information om DNA är nu bekant för nästan alla som har läst en biologilärobok i grundskolan eller gymnasiet, eller till och med tidskrifter och tidningar.Men försök att sätta dig in i scenen 1953 och föreställa dig spänningen.Fram till dess hade bevisen för att det ointressanta DNAet var den genetiska molekylen varit besvikna och avskräckande. Men DNA:s Watson-Crick-struktur öppnade plötsligt möjligheten att förklara två av livets största ”hemligheter”. James Watson berättade historien om denna upptäckt (från sin egen synvinkel, som starkt ifrågasattes av andra deltagare) i en fascinerande bok som heter The Double Helix, som avslöjar det intrikata samspelet mellan personlighetskonflikter, smarta insikter, hårt arbete och enkel tur i ett så viktigt vetenskapligt framsteg.
Alternativa strukturer
Inom DNA:s A- och B-former hittades en ny form i kristaller av syntetiskt framställt DNA som innehåller omväxlande G och C på samma sträng. Denna Z-dna-form har en sicksackliknande ryggrad och bildar en vänsterhänt spiral, medan både A- och B-dna bildar högerhänta spiraler.