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1.2: Struktur von DNA und RNA - Biologie

1.2: Struktur von DNA und RNA - Biologie


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Die Doppelhelix

DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure) bestehen aus zwei verschiedenen Klassen stickstoffhaltiger Basen: der Purine und Pyrimidine. Die am häufigsten vorkommenden Purine in der DNA sind Adenin und Guanin:

Abbildung 1.2.1: Purine

Die am häufigsten vorkommenden Pyrimidine in der DNA sind Cytosin und Thymin:

Abbildung 1.2.2: Pyramidinen

RNA enthält mit Ausnahme von Thymin die gleichen Basen wie DNA. Stattdessen enthält die RNA das Pyrimidin uracil:

Abbildung 1.2.3: Thymin vs. Uracil

Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin und Uracil werden normalerweise mit den Einbuchstabencodes A, G, C, T und U abgekürzt.

Purine und Pyrimidine können mit Pentose-Zuckern (5-Kohlenstoff) chemische Bindungen eingehen. Die Kohlenstoffatome der Zucker werden mit 1', 2', 3', 4' und 5' bezeichnet. Es ist der 1'-Kohlenstoff des Zuckers, der an das Stickstoffatom bei gebunden wird Position N1 eines Pyrimidins oder N9 eines Purins. DNA-Vorläufer enthalten die Pentose-Desoxyribose. RNA-Vorläufer enthalten die Pentose-Ribose (die eine zusätzliche OH-Gruppe an der 2'-Position enthält):

Abbildung 1.2.4: Nukleoside

Bevor ein Nukleosid Teil eines DNA- oder RNA-Moleküls werden kann, muss es mit einer Phosphatgruppe komplexiert werden, um a . zu bilden Nukleotid (entweder ein Desoxyribonukleotid oder ein Ribonukleotid). Nukleotide können besitzen 1, 2 oder 3 Phosphatgruppen, z.B. die Nukleotide Adenosinmonophosphat (AMP), Adenosiddiphosphat (ADP) und Adenosintriphosphat (ATP). Die Phosphatgruppen sind an die 5' Kohlenstoff der Ribose-Zucker-Einheit. Beginnend mit der Phosphatgruppe, die am 5'-Ribose-Kohlenstoff befestigt ist, werden sie markiert a, b und g Phosphat. Es ist der Triphosphatnukleotid die in DNA oder RNA eingebaut wird.

Abbildung 1.2.5: Nukleotid

DNA und RNA sind einfach lange Polymere von Nukleotiden, genannt Polynukleotide. Nur der ein Phosphat ist im Polymer enthalten. Es wird chemisch an die 3' Kohlenstoff des Zuckeranteils eines anderen Nukleotids:

Abbildung 1.2.6: Polynukleotid
Mit anderen Worten, das Polynukleotid ist durch eine Reihe von 5'- bis 3'-Phosphatbindungen verbunden. Beachten Sie die Reihenfolge der Basen im obigen Diagramm. Polynukleotidsequenzen sind in 5'-zu-3'-Richtung referenziert. Typischerweise enthalten Polynukleotide eine 5'-Phosphat- und 3'-Hydroxyl-Endgruppe. Die übliche Darstellung von Polynukleotiden ist als ein Pfeil mit dem 5' Ende links und 3' Ende rechts.

Zusammenfassung der Begriffe:

Base
Nukleosid
Nukleotid
RNA (Monophosphat)
DNA
(Monophosphat)
Code
AdeninAdenosin(Adenylsäure)
AMPERE
dämpfen
EIN
GuaninGuanosin(Guanylsäure)
GMP
dGMP
g
CytosinCytidin(Cytidylsäure)
CMP
dCMP
C
ThyminThymidin(Thymidylsäure)
dTMP
T
UracilUridin(Uridylsäure)
UMP
U

Wie ist die DNA-Struktur? Wie hängt die Struktur mit der Funktion zusammen?

50er Jahre

Die primäre chemische Struktur von Polynukleotiden war bekannt (d. h. die 3'-5'-Phosphatbindung).

1951 E. Chargaff

Das Experiment:

Nehmen Sie DNA aus einer Vielzahl von Spezies und hydrolysieren Sie sie, um einzelne Pyrimidine und Purine zu erhalten. Bestimmen Sie die relativen Konzentrationen der A-, T-, C- und G-Basen.

Ergebnis:

Obwohl verschiedene Spezies einzigartig unterschiedliche Verhältnisse von Pyrimidinen oder Purinen aufwiesen, waren die relativen Konzentrationen von Adenin immer gleich denen von Thymin und Guanin gleich Cytosin.

Chargaffs Gesetz: A=T, G=C

50er Jahre R.E. Franklin

Röntgenbeugungsstudien von DNA-Fasern zeigten, dass die DNA eine hochgeordnete helikale Struktur annahm. Franklin kam zu dem Schluss, dass sich zwei oder mehr Ketten umeinander winden müssen, um eine Helix zu bilden. Aus den Röntgenbeugungsdaten wurden einige Grundabmessungen der Helix berechnet.

1953 L. Pauling und R. B. Corey

Schlagen Sie eine dreikettige helikale Struktur für DNA mit dem Phosphatrückgrat in der Mitte und den Basen außen vor.

1953 J. D. Watson und F. H. C. Verrenken

Identifizierte eine Wasserstoffbrückenanordnung zwischen Modellen von Thymin- und Adeninbasen sowie zwischen Cytosin- und Guaninbasen, die die Chargaff-Regel erfüllt:

Abbildung 1.2.7: Chargaffs Regelbindung

Beachten Sie, dass das "TA"-Paar das "GC"-Paar mit den Bindungen zu den Zuckergruppen in ähnlicher Nebeneinanderstellung überlagern kann. Im "Doppelhelix"-Modell von Watson und Crick interagieren die Polynukleotidketten zu einer Doppelhelix, wobei die Ketten einlaufen gegenläufige Richtungen. Die Basen sind zum Zentrum gerichtet (und übereinander gestapelt) und die Zuckerrückgrate zeigen zur Außenseite der Helix.

Das Watson- und Crick-Modell hatte die folgenden physikalischen Abmessungen:

  • 34 Å pro Helix-Wiederholung
  • 10 Basenpaare pro Wiederholung (d. h. pro Helixwindung)
  • 3,4 Å Stapelabstand zwischen den Sockeln
  • 20 Å Durchmesser für die Helixbreite

Die physikalischen Eigenschaften des Modells stimmten mit denen überein, die durch die Röntgenbeugungsstudien von Rosalind Franklin bestimmt wurden.

Konsequenzen des Modells für die genetische Information:

Das Papier von Watson und Crick war eine Übung in Kürze (nur 1 Seite in Nature). Die Struktur war so reich an Implikationen, dass man einiges schreiben könnte. Die Autoren entschieden sich jedoch nur für die Aussage "Unserer Aufmerksamkeit ist nicht entgangen, dass die von uns postulierte spezifische Paarung sofort einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material nahelegt".

  1. Wenn G immer mit C gepaart und T immer mit A gepaart wäre, dann könnte jeder Strang aus dem regeneriert werden Ergänzende Information im anderen Strang.
  2. Grundlage der Komplementarität waren Wasserstoffbrückenbindungen, d. h. nicht-kovalente Wechselwirkungen, die leicht aufgebrochen und neu gebildet werden konnten.
  3. Die Informationen, die die DNA trug, befanden sich innerhalb des einzigartigen Basensequenz der DNA.
  4. Aus der allgemeinen inneren Lage der Basen scheint es, dass die Doppelhelix muss sich distanzieren um auf die Informationen zuzugreifen.
  5. Die nicht-äquitoriale Lage der Zuckereinheiten (siehe oben) deutete darauf hin, dass die DNA-Helix a großer Groove und ein kleiner Groove.

Allgemeine Notation von doppelsträngiger DNA:


Nicht-kodierende RNA: eine neue Grenze in der regulatorischen Biologie

Ein auffallender Befund des letzten Jahrzehnts ist die Produktion zahlreicher nicht-kodierender RNAs (ncRNAs) aus Säugetiergenomen. Während es durchaus möglich ist, dass viele dieser ncRNAs Transkriptionsgeräusche oder Nebenprodukte der RNA-Prozessierung sind, deuten zunehmende Hinweise darauf hin, dass ein großer Teil davon funktionell ist und verschiedene regulatorische Aktivitäten in der Zelle ausübt. Somit sind funktionelle Genomik und Proteomik unvollständig, ohne die funktionelle Ribonomik zu verstehen. Wie die Hypothese der „RNA-Welt“ seit langem nahelegt, haben viele ncRNAs die Fähigkeit, in verschiedenen biochemischen Prozessen wie Proteine ​​​​zu agieren. Die enorme Menge an Informationen, die in den Primärsequenzen und Sekundärstrukturen von ncRNAs enthalten sind, macht sie besonders geeignet, als Gerüste für molekulare Interaktionen zu fungieren. Darüber hinaus scheinen ihre Funktionen standardmäßig durch reichlich vorhandene Nukleasen streng kontrolliert zu werden, wenn sie nicht an spezifischen Wechselwirkungen beteiligt sind. Dieser Aufsatz konzentriert sich auf die funktionellen Eigenschaften regulatorischer ncRNAs im Vergleich zu Proteinen und betont sowohl die Chancen als auch die Herausforderungen in der zukünftigen ncRNA-Forschung.


2. RNA

RNA, ist ein weiteres Makromolekül, das für alle bekannten Lebensformen essentiell ist. RNA besteht wie DNA aus Nukleotiden. RNAs, die einst als Nebenrollen angesehen wurden, werden heute als einer der wichtigsten regulatorischen Akteure einer Zelle angesehen, wo sie biologische Reaktionen katalysieren, die Genexpression steuern und modulieren, Reaktionen auf zelluläre Signale wahrnehmen und kommunizieren usw.

Die chemische Struktur der RNA ist der der DNA sehr ähnlich: Jedes Nukleotid besteht aus einer Nukleobase, einem Ribosezucker und einer Phosphatgruppe. Es gibt zwei Unterschiede, die DNA von RNA unterscheiden: (a) RNA enthält den Zucker Ribose, während DNA den leicht unterschiedlichen Zucker Desoxyribose enthält (eine Art von Ribose, der ein Sauerstoffatom fehlt) und (b) RNA hat die Nukleobase Uracil, während DNA enthält Thymin. Im Gegensatz zur DNA sind die meisten RNA-Moleküle einzelsträngig und können sehr komplexe dreidimensionale Strukturen annehmen.

Ähnlichkeiten und Unterschiede von DNA und RNA

Das Universum der proteinkodierenden und nicht-proteinkodierenden RNAs (ncRNAs) ist in Bezug auf Biogenese, Zusammensetzung und Funktion sehr vielfältig und hat sich schnell erweitert 5𔃇 . Unter den ncRNAs stellen microRNAs (miRNAs) die bisher am besten untersuchte Klasse dar und es wurde gezeigt, dass sie die Expression ihrer proteinkodierenden Gen-Targets sequenzabhängig regulieren 10󈝸 .

2.1 Monocistronische versus polycistronische RNA

Ein RNA-Molekül wird als monocistronisch bezeichnet, wenn es die genetische Information für ein einzelnes molekulares Transkriptionsprodukt einfängt, z. ein einzelner miRNA-Vorläufer oder eine einzelne primäre mRNA. Die meisten eukaryotischen mRNAs sind tatsächlich monocistronisch. Andererseits sind rRNAs und einige miRNAs als polyzystronisch bekannt. Im Fall von polycistronischen mRNAs umfasst das Primärtranskript mehrere Rücken-an-Rücken-mRNAs, von denen jede schließlich in eine Aminosäuresequenz (Polypeptid) übersetzt wird. Solche Polypeptide haben gewöhnlich eine verwandte Funktion (sie sind oft die Untereinheiten, die ein endgültiges komplexes Protein bilden) und ihre kodierenden Sequenzen sind in einem einzigen primären Transkript gruppiert, was es ihnen wiederum ermöglicht, einen gemeinsamen Promotor zu teilen und gemeinsam reguliert zu werden.

2.2 Proteinkodierende RNAs / Genexpression

Eine der bekanntesten und am besten untersuchten Klassen von RNAs sind Boten-RNAs (mRNAs). MRNAs tragen die genetische Information, die die Synthese von Proteinen durch die Ribosomen steuert. Alle zellulären Organismen verwenden mRNAs. Der Prozess der Proteinsynthese nutzt zwei weitere Klassen von RNAs, die Transfer-RNAs (tRNAs) und die ribosomalen RNAs (rRNAs). Die Rolle von tRNAs ist die Abgabe von Aminosäuren an das Ribosom, wo rRNAs sie miteinander verbinden, um Proteine ​​zu bilden.

  • mRNAs: Eine vollständig prozessierte mRNA umfasst typischerweise mehrere Exons, die nach dem Spleißen des entstehenden primären Transkripts und der Entfernung dazwischenliegender Introns zu einer einzelnen Kette zusammengesetzt wurden. Das mRNA-Molekül besteht aus einer 5´-Kappe, der sogenannten 5´-untranslatierten Region (UTR), der kodierenden Region, der 3´UTR, und einem Poly(A)-Schwanz variabler Länge.
  • 5′ Kappe: Die 5´-Kappe ist ein modifiziertes Guanin-Nukleotid, das über eine 5´-5´-Triphosphat-Bindung an das “front” (5´-Ende) der Prä-mRNA angefügt wird. Diese Modifikation ist entscheidend für die Erkennung und korrekte Anlagerung von mRNA an das Ribosom sowie für den Schutz vor 5´-Exonukleasen.
  • Nicht übersetzte Regionen: Untranslatierte Regionen (UTRs) sind Nukleotidabschnitte, die die kodierende Region flankieren und nicht in Aminosäuren übersetzt werden. Es gibt zwei UTRs: die „five prime untranslated region“ oder 5´UTR und die „three prime untranslated region“ oder 3´UTR. Diese Regionen sind Teil des primären Transkripts und bleiben nach dem Spleißen von Exons in die mRNA erhalten. Als solche sind UTRs exonische Regionen. Den untranslatierten Regionen wurden mehrere funktionelle Rollen zugeschrieben, darunter mRNA-Stabilität, mRNA-Lokalisierung und Translationseffizienz. Die Fähigkeit und Art der von einer UTR ausgeführten Funktionen hängt von der tatsächlichen Sequenz der UTR ab und unterscheidet sich typischerweise von einer mRNA zur nächsten. Es hat sich gezeigt, dass die Kontrolle der Translationseffizienz durch die UTRs das gesamte Spektrum umfasst, von der Verstärkung bis zur vollständigen Hemmung der Translation. RNA-bindende Proteine, die entweder an die 5´- oder 3´UTR binden, können die Translation beeinflussen, indem sie die Fähigkeit des Ribosoms, an die mRNA zu binden, modulieren. Darüber hinaus können miRNAs, die an die 3´UTR binden, auch die Translationseffizienz oder die mRNA-Stabilität beeinflussen.
  • Codierungsregionen: Eine Teilmenge der Nukleotidsequenz, die von den Exons des Transkripts überspannt wird, wird verwendet, um die Translation in die entsprechende Aminosäuresequenz zu steuern und wird als kodierende Regionen bezeichnet. Die Länge einer kodierenden Region ist immer ein Vielfaches von drei und eine direkte Folge der Tatsache, dass jede Aminosäure zu ihrer Definition drei Nukleinsäuren (das „Codon“) benötigt. Da es 4 3 = 64 Nukleotidtripletts aber nur 20 Aminosäuren gibt, folgt daraus, dass eine gegebene Aminosäure von mehr als einem Triplett kodiert werden kann. Die Entsprechung zwischen einem Triplett und einer Aminosäure wird durch die Codon-Tabelle gegeben, die auch den „genetischen Code“ definiert. Die Codon-Tabellen der Organismen sind weitgehend identisch, aber im Laufe der letzten 30 Jahre wurden leichte Abweichungen entdeckt. Codons werden „entschlüsselt“ und vom Ribosom in Peptidpolymere übersetzt. Kodierende Regionen beginnen mit dem Startcodon und enden mit einem Stopcodon. Im Allgemeinen ist das Startcodon ein AUG-Triplett und das Stoppcodon ist eines von UAA, UAG oder UGA.
  • Poly(A)-Schwanz: Der 3´-Poly(A)-Schwanz variabler Länge ist eine lange Sequenz von Adeninnukleotiden (oft mehrere Hundert), die an das 3´-Ende der prä-mRNA angefügt werden. Dieser Schwanz fördert den Export aus dem Kern, die Translation und die Stabilität von mRNA 13,14.

Die Struktur der DNA

Georgina Ferry ist Wissenschaftsjournalistin und lebt in Oxford, Großbritannien. Eine überarbeitete Ausgabe ihrer Biografie Dorothy Crowfoot Hodgkin wurde gerade von Bloomsbury Reader veröffentlicht.

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Am 25. April 1953 verkündeten James Watson und Francis Crick 1 in Natur dass sie eine DNA-Struktur „vorschlagen“ wollen. In einem Artikel von etwas mehr als einer Seite mit einem Diagramm (Abb. 1) haben sie die Zukunft der Biologie verändert und der Welt ein Symbol gegeben – die Doppelhelix. Als sie sofort erkannten, dass ihre Struktur einen „möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material“ nahelegte, starteten sie einen Prozess, der im folgenden Jahrzehnt zum Knacken des genetischen Codes und 50 Jahre später zur vollständigen Sequenz führen sollte des menschlichen Genoms.

Abbildung 1 | Die DNA-Doppelhelix. Diese Zeichnung erschien in Watson und Cricks Bericht 1 über die Struktur der DNA und wurde von Cricks Frau Odile angefertigt.

Bis dahin mussten Biologen noch davon überzeugt werden, dass das genetische Material tatsächlich DNA-Proteine ​​war, schien die bessere Wahl zu sein. Doch die Beweise für die DNA waren bereits verfügbar. 1944 hatten der kanadisch-amerikanische Medizinforscher Oswald Avery und seine Kollegen gezeigt 2 , dass die Übertragung von DNA von einem virulenten auf einen nicht-virulenten Bakterienstamm letzteren Virulenz verlieh. Und 1952 hatten die Biologen Alfred Hershey und Martha Chase Beweise 3 veröffentlicht, dass Phagenviren Bakterien durch Injektion viraler DNA infizieren.

Das Paper: Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Desoxyribose Nucleic Acid

Watson, ein 23-jähriger US-amerikanischer Genetiker, kam im Herbst 1951 zum Cavendish Laboratory der University of Cambridge, Großbritannien. Er war überzeugt, dass die Natur des Gens das Schlüsselproblem in der Biologie und der Schlüssel zur Gen war DNA. Das Cavendish war ein Physiklabor, beherbergte aber auch die Abteilung für die Erforschung der molekularen Struktur biologischer Systeme des Medical Research Council unter der Leitung des Chemikers Max Perutz. Perutz’ Gruppe verwendete Röntgenkristallographie, um die Strukturen der Proteine ​​Hämoglobin und Myoglobin aufzuklären. Zu seinem Team gehörte ein 35-jähriger Doktorand, der Physik aufgegeben und sich in Biologie umgeschult hatte und der viel glücklicher war, die theoretischen Implikationen der Ergebnisse anderer Leute auszuarbeiten, als eigene Experimente durchzuführen: Francis Crick. In Crick fand Watson einen bereitwilligen Verbündeten in seiner DNA-Besessenheit.

DNA war jedoch das Projekt von Maurice Wilkins vom King’s College London. Crick war ein Freund von Wilkins, und es war nicht üblich, dass Labore um das gleiche Molekül konkurrieren. Außerdem hatte die erfahrene Röntgenkristallographin Rosalind Franklin gerade die experimentellen Arbeiten zur DNA bei King’s übernommen. Aufgrund eines Missverständnisses über ihre relativen Rollen war Franklins Beziehung zu Wilkins frostig.

Nichts davon hielt Watson und Crick davon ab, darüber zu spekulieren, wie sich die Bestandteile des DNA-Moleküls – die vier Nukleotidbasen Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin, verbunden mit einem Rückgrat aus Zuckern und Phosphaten – zu Fasern zusammenfügen könnten. Sie hielten eine Helix für wahrscheinlich: Der US-Chemiker Linus Pauling und seine Mitarbeiter hatten gerade gezeigt 4, dass Peptidketten α-Helices bilden. Crick selbst war Co-Autor einer Arbeit über die Theorie der Beugung von Röntgenstrahlen an Helices 5 . Ende 1951 kombinierten er und Watson diese Theorie mit dem, was sie über die Chemie der DNA wussten und was sie aus den Vorträgen von Wilkins und Franklin in Erinnerung hatten, um ein Modell der DNA-Struktur zu erstellen.

150 Jahre Natur – eine Jubiläumskollektion

Sie haben es völlig falsch verstanden: Wilkins und Franklin haben es schnell abgerissen. Der Chef des Cavendish, Lawrence Bragg, war wütend und verbot Watson und Crick jede weitere Arbeit an der DNA. Aber dann, im Februar 1952, erhielt das Cavendish-Team ein Manuskript von Pauling, das ein DNA-Modell enthielt. Es war falsch, aber Watson und Crick waren alarmiert, dass Pauling möglicherweise einer Lösung nahe war.

Diesmal stimmte Bragg zu, dass sie versuchen könnten, zuerst dorthin zu gelangen. Franklin sollte bald an das Birkbeck College in London wechseln und überließ die DNA-Arbeit Wilkins. Sie und ihr Doktorand Raymond Gosling hatten Wilkins ein Foto des Röntgenbeugungsmusters gegeben, das von der B-Form der DNA erzeugt wurde. Watson ging zu Wilkins, der ihm das Foto zeigte, ohne Franklins und Goslings Wissen.

Das inzwischen berühmte „Photograph 51“ sagte dem Paar zusammen mit anderen unveröffentlichten Daten von Franklin, die Perutz Watson und Crick gezeigt hatte, dass die DNA tatsächlich eine Helix bildete und dass die Struktur aus zwei Ketten bestand, die in entgegengesetzte Richtungen verliefen. Watson war jedoch ratlos, wie sich die Basen zwischen den beiden zusammenschließen könnten. Er machte Pappausschnitte von den Sockeln und versuchte, sie zusammenzufügen, aber nichts schien zu funktionieren.

Nature PastCast: Die anderen DNA-Papiere

Sein Kollege Jerry Donohue wies daraufhin darauf hin, dass er die Molekülstrukturen der Enolisomere der Basen nutzt, die die für die Basenpaarung notwendigen Wasserstoffbrücken nicht bilden können. Nachdem Watson die alternativen Ketoisomere ausgeschnitten hatte, hatte er die verblüffende Erkenntnis, dass Guanin an Cytosin eine identische Form wie an Thymin gebundenes Adenin hatte und dass die Formen perfekt in das helikale Gerüst des Rückgrats passten jeder DNA-Kette. Dies erklärte die Entdeckung des Biochemikers Erwin Chargaff, dass die DNA jeder Spezies die gleiche Menge an Guanin wie Cytosin und an Adenin wie Thymin enthält 6 . Es zeigte sich auch, dass jede DNA-Kette in einer Helix eine perfekte Matrize für die andere darstellt, indem die Basensequenz in entgegengesetzte Richtungen gelesen wird.

Innerhalb weniger Tage hatten Watson und Crick ein neues DNA-Modell aus Metallteilen gebaut. Wilkins akzeptierte sofort, dass es richtig war. Zwischen den beiden Gruppen wurde vereinbart, dass sie drei Artikel gleichzeitig in Natur, wobei die Forscher des Königs die Übereinstimmung der Struktur von Watson und Cricks mit den experimentellen Daten kommentieren und Franklin und Gosling zum ersten Mal Photograph 51 veröffentlichen 7 , 8 .

Das Paar aus Cambridge räumte in ihrem Papier ein, dass sie von „der allgemeinen Natur der unveröffentlichten experimentellen Ergebnisse und Ideen“ der Arbeiter des Königs wussten, aber es war nicht bis Die Doppelhelix, Watsons explosiver Bericht über die Entdeckung, wurde 1968 veröffentlicht, und es wurde klar, wie sie Zugang zu diesen Ergebnissen erhielten. Franklin war ein Jahrzehnt zuvor an Krebs gestorben, ihr Tod hinderte sie daran, den 1962 an Watson, Crick und Wilkins verliehenen Nobelpreis zu teilen.

Dorothy Hodgkin: Die Entstehung einer außergewöhnlichen Wissenschaftlerin

Die sofortige Aufnahme des Doppelhelix-Modells war überraschenderweise gedämpft 9 , vielleicht weil es keinen offensichtlichen Mechanismus gab, um seine Rolle in der Proteinsynthese zu erklären. In einem wegweisenden Vortrag im Jahr 1957 schlug Crick vor, dass die Basensequenz die Sequenz von Aminosäuren in einem Protein kodiert und dass bei der Proteinproduktion RNA sowohl als Matrize als auch als „Adapter“ beteiligt ist, der es ermöglichen würde, Aminosäuren aneinander zu binden in der richtigen Reihenfolge. Er unterstützte auch den Vorschlag – ursprünglich informell vom Physiker George Gamow an die Mitglieder des von Gamow und Watson einberufenen „RNA Tie Club“, aber auch unabhängig von der Biologin Sydney Brenner 10 –, dass Tripletts von Basen (die Brenner Codons nannte) kodieren die 20 Aminosäuren, die üblicherweise in Proteinen vorkommen. Schließlich erklärte Crick, was er das „zentrale Dogma“ der Biologie nannte: dass Informationen von Nukleinsäuren zu Proteinen fließen können, aber nicht umgekehrt 11 .

Diese Vorhersagen wurden in den nächsten Jahren experimentell bestätigt. 1958 zeigten die Biochemiker Matthew Meselson und Franklin Stahl, dass ein DNA-Strang als Matrize für die Bildung eines neuen Strangs dient 12 . Im selben Jahr veröffentlichten Arthur Kornberg und seine Kollegen ihre Entdeckung des Enzyms DNA-Polymerase 13 , das neu gebildeten Strängen Basen hinzufügt. Messenger-RNA, Transfer-RNA und ribosomale RNA wurden alle schnell identifiziert.

1961 knackten Marshall Nirenberg und Heinrich Matthaei als erste einen Teil des genetischen Codes und zeigten, dass Bakterienextrakte nur die Aminosäure Phenylalanin aus RNA synthetisieren, die nur eine Art von RNA-Base 14 (Uracil U) enthält. Im selben Jahr berichteten Crick, seine unverzichtbare Technikerin Leslie Barnett und ihre Mitarbeiter über Mutationsstudien, die die Existenz des Triplett-basierten Codes 15 bestätigten und daher nahelegten, dass das Codon für Phenylalanin UUU war. Der Wettlauf um die Identifizierung des vollständigen Satzes von Codons war 1966 abgeschlossen, wobei Har Gobind Khorana die Basensequenzen in mehreren Codons aus seinen Experimenten mit synthetischen Polynukleotiden beisteuerte (siehe go.nature.com/2hebk3k).

Mit der Veröffentlichung 16 einer effizienten Methode zur DNA-Sequenzierung durch Fred Sanger und Kollegen im Jahr 1977 war der Weg frei für das vollständige Ablesen der genetischen Information jeder Art. Die Aufgabe für das menschliche Genom war 2003 abgeschlossen, ein weiterer Meilenstein in der Geschichte der DNA.

Watson widmete den größten Teil seiner Karriere der Bildung und wissenschaftlichen Verwaltung als Leiter des Cold Spring Harbor Laboratory in Long Island, New York, und diente (kurzzeitig) als erster Leiter des US-amerikanischen National Center for Human Genome Research, dem heutigen Nationales Institut für Humangenomforschung. Er war immer offen und wurde schließlich von seiner emeritierten Position in Cold Spring Harbor entfernt, als er wiederholt kontroverse Meinungen über Genetik, Rasse und Intelligenz verbreitete.

Crick beschäftigte sich weiterhin mit schwierigen Problemen in der Wissenschaft und zog 1977 von Cambridge zum Salk Institute in La Jolla, Kalifornien, wo er den Rest seines Lebens damit verbrachte, an der neuronalen Basis des Bewusstseins 17 und insbesondere der visuellen Wahrnehmung zu arbeiten. Er starb 2004 im Alter von 88 Jahren.

Die Doppelhelix brachte die Genetik auf eine physikalische Grundlage, die fast jeden Aspekt der modernen Biologie und Medizin beleuchtete. Beispiele sind die Migration menschlicher Bevölkerungen im Laufe der Geschichte Ökologie und Biodiversität krebserregende Mutationen in Tumoren und ihre medikamentöse Behandlung Überwachung mikrobieller Arzneimittelresistenzen in Krankenhäusern und der Weltbevölkerung sowie die Diagnose und Behandlung seltener angeborener Erkrankungen. Die DNA-Analyse ist in der Forensik seit langem etabliert, und die Erforschung futuristischerer Anwendungen wie des DNA-basierten Computings ist weit fortgeschritten.

Paradoxerweise hat es die ikonische Struktur von Watson und Crick auch ermöglicht, die Mängel des zentralen Dogmas zu erkennen, mit der Entdeckung kleiner RNAs, die die Genexpression regulieren können, und von Umweltfaktoren, die erbliche epigenetische Veränderungen induzieren. Zweifellos wird das Konzept der Doppelhelix noch jahrzehntelang die Entdeckungen in der Biologie untermauern.

Natur 575, 35-36 (2019)


Die Monomere, aus denen DNA und RNA bestehen, heißen Nukleotide. Jedes Nukleotid besteht aus einem 5-Kohlenstoff-Zucker, einer Stickstoffbase und einer Phosphatgruppe. Eine Strukturformel für ein Probennukleotid ist unten gezeigt.

Beachten Sie, dass der Zucker in der DNA Desoxyribose ist und in der RNA der Zucker Ribose ist. Ribose-Zucker hat mehr Sauerstoff als der Zucker in der DNA.

Es gibt fünf Stickstoffbasen, die in Lebewesen existieren. Sie werden basierend auf der Anzahl der Ringe in ihrer Struktur in zwei Gruppen unterteilt. Purine haben einen Doppelring aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen. Adenin (A) und Guanin (G) sind Purine. Pyrimidine haben einen einzigen Ring aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen. Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U) sind Pyrimidine.

DNA verwendet die Basen A, T, C und G. RNA verwendet die Basen A, U, C und G. Spezifische Basen sind komplementär aneinander, d. h. sie können sich nach diesen Regeln über die Länge eines Moleküls paaren:

Halten Sie inne und denken Sie nach: Ein DNA-Strang liest ATGGCA. Wie wäre die Sequenz auf dem komplementären DNA-Strang?

Zwei Nukleotide paaren sich, um eine der “Sprossen” der Leiter in einer DNA-Doppelhelix zu bilden. Die Abfolge der Nukleotidpaare variiert jedoch von Organismus zu Organismus. Die Zucker- und Phosphatgruppen bilden das „Rückgrat" oder die äußere Stütze der leiterartigen DNA-Doppelhelix. Die doppelsträngige Struktur der DNA bildet eine Doppelhelix oder eine verdrehte Leiter.

RNA besteht nur aus einem Nukleotidstrang und kann verschiedene dreidimensionale Formen annehmen: Boten-RNA (mRNA), Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA oder das Ribosom). Finden Sie jede Form von RNA im Bild rechts. Jede Form von RNA spielt eine wichtige Rolle bei der Proteinsynthese, dem Prozess, bei dem die DNA verwendet wird, um Proteine ​​herzustellen, die dem Organismus beim Überleben helfen. Wir werden dies in einer der nächsten Lektionen genauer besprechen.


3.1.5.1 Struktur von DNA und RNA

Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA) sind wichtige informationstragende Moleküle. In allen lebenden Zellen enthält DNA genetische Informationen und RNA überträgt genetische Informationen von der DNA auf die Ribosomen.

Ribosomen werden aus RNA und Proteinen gebildet.

Sowohl DNA als auch RNA sind Polymere von Nukleotiden. Jedes Nukleotid besteht aus einer Pentose, einer stickstoffhaltigen organischen Base und einer Phosphatgruppe:

  • Die Bestandteile eines DNA-Nukleotids sind Desoxyribose, eine Phosphatgruppe und eine der organischen Basen Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin.
  • Die Bestandteile eines RNA-Nukleotids sind Ribose, eine Phosphatgruppe und eine der organischen Basen Adenin, Cytosin, Guanin oder Uracil.
  • Eine Kondensationsreaktion zwischen zwei Nukleotiden bildet eine Phosphodiesterbindung.

Ein DNA-Molekül ist eine Doppelhelix mit zwei Polynukleotidketten, die durch Wasserstoffbrücken zwischen spezifischen komplementären Basenpaaren zusammengehalten werden.

Ein RNA-Molekül ist eine relativ kurze Polynukleotidkette.

Schüler sollen in der Lage sein anerkennen, dass die relative Einfachheit der DNA viele Wissenschaftler bezweifeln ließ, dass sie den genetischen Code trägt.

Die Schüler könnten unvollständige Informationen über die Häufigkeit von Basen auf DNA-Strängen verwenden, um die Häufigkeit anderer Basen zu ermitteln.


Schau das Video: DNA och RNA (Kann 2022).