Desoxyribonukleinsäure (DNA): Modell, chemische Zusammensetzung und Transformationsexperimente

Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über das Modell, die chemische Zusammensetzung und die Transformationsexperimente von DNA zu erfahren!

Desoxyribonukleinsäure (DNA):

DNA findet sich in den Zellen aller lebenden Organismen, außer in einigen Pflanzenviren. In Bakteriophagen und Viren gibt es einen zentralen DNA-Kern, der in einer Proteinhülle eingeschlossen ist. In Bakterien, Mitochondrien und Plastiden eukaryotischer Zellen ist DNA kreisförmig und liegt nackt im Zytoplasma.

In den Kernen von eukaryotischen Zellen kommt DNA in Form von langen spiralförmig aufgerollten und unverzweigten Fäden, den Chromosomen, vor. In den Chromosomen findet man DNA in Kombination mit Proteinen, die Nukleoproteine ​​bilden, das Chromatinmaterial. Mehrere Linien indirekter Beweise legen seit langem nahe, dass DNA die genetische Information lebender Organismen enthält.

Die wichtigsten Ergebnisse, die mit verschiedenen experimentellen Verfahren erzielt wurden, zeigten, dass sich der größte Teil der DNA in den Chromosomen befindet, während RNA und Proteine ​​im Zytoplasma häufiger vorkommen. Darüber hinaus besteht eine genaue Korrelation zwischen der DNA-Menge pro Zelle und der Anzahl der Chromosomensätze pro Zelle.

Die meisten somatischen Zellen von diploiden Organismen enthalten beispielsweise genau die doppelte Menge an DNA wie haploide Keimzellen oder Gameten derselben Spezies. Schließlich ist die molekulare Zusammensetzung der DNA in allen verschiedenen Zellen eines Organismus gleich (mit seltenen Ausnahmen), während die Zusammensetzung von RNA und Proteinen sowohl qualitativ als auch quantitativ von einem Zelltyp zum anderen variiert. Während diese Korrelationen stark darauf hindeuten, dass DNA das genetische Material ist, beweisen sie es keinesfalls. Direkter Beweis hat gezeigt, dass die genetische Information in der DNA kodiert ist.

Transformationsexperimente:

Transformationsexperimente wurden zunächst von Frederick Griffith im Jahr 1928 durchgeführt. Er injizierte eine Mischung aus zwei Pneumococcus-Stämmen (Diplococcus pneumoniae) in Mäuse. Einer dieser beiden Stämme, S III, war virulent und der andere Stamm R II war nicht virulent. Der durch Hitze getötete virulente Stamm SIII verursachte, wenn er einzeln injiziert wurde, keinen Tod, was zeigt, dass die Infektiosität nach dem Abtöten durch Wärme verloren geht.

Die Mäuse, denen eine Mischung aus RII (lebend) und S III (durch Hitze getötet) injiziert wurde, starben und aus diesen Mäusen konnten virulente Pneumokokken isoliert werden. Die Schlussfolgerung war, dass einige Komponenten der toten SIII-Zellen (das Transformationsprinzip) lebende RII-Zellen in S III umgewandelt haben müssen.

OT Avery, CM MacLeod und M. McCarty wiederholten 1944 Griffiths Experimente in einem In-vitro-System und brachten den ersten direkten Beweis, dass das genetische Material DNA und nicht Protein oder RNA ist. Sie zeigten, dass der Bestandteil der Zelle, der für das Phänomen der Transformation im Bakterium Diplococcus pneumoniae verantwortlich ist, DNA ist. Diese Experimente beinhalteten die Verwendung von Enzymen, die DNA, RNA oder Protein abbauen.

In getrennten Versuchen wurde hochgereinigte DNA aus S III-Zellen behandelt mit:

(1) Desoxyribonuklease (DNAase), die DNA abbaut,

(2) Ribonuklease (RNAase), die RNA abbaut, oder

(3) Proteasen (die Proteine ​​abbauen) und dann auf ihre Fähigkeit getestet, RII-Zellen in SIII zu transformieren. Nur DNAase hatte keinen Einfluss auf die Transformationsaktivitäten der DNA-Präparation, sie eliminierte alle Transformationsaktivitäten vollständig. Diese Experimente zeigten somit, dass DNA und nicht die Proteine ​​oder RNA das genetische Material ist.

Zusätzliche direkte Hinweise darauf, dass DNA das genetische Material ist, wurden von AD Hershey und MJ Chase im Bakteriophagen T _{2 gezeigt} .

Chemische Zusammensetzung der DNA:

Chemische Analysen haben gezeigt, dass DNA aus drei verschiedenen Arten von Molekülen besteht.

1. Phosphorsäure (H ₃ PO ₄ ) weist drei reaktive (-OH) -Gruppen auf, von denen zwei an der Bildung des Zuckerphosphat-Rückgrats von DNA beteiligt sind.

2. Pentose-Zucker:

DNA enthält 2'-Desoxy-D-Ribose (oder einfach Desoxyribose), weshalb der Name Desoxyribose-Nukleinsäure genannt wird.

3. Organische Basen:

Die organischen Basen sind heterocyclische Verbindungen, die in ihren Ringen Stickstoff enthalten; daher werden sie auch als stickstoffhaltige Basen bezeichnet. DNA enthält normalerweise vier verschiedene Basen, die Adenirie (A), Guanin (G), Thymin (T) und Cytosin (C) genannt werden.

Diese vier Basen werden aufgrund ihrer chemischen Struktur in zwei Klassen eingeteilt:

(1) Pyrimidin (T und C) und

(2) Purin (A, G).

In der DNA werden vier verschiedene Nukleoside gefunden. Diese sind:

(i) Desoxycytidin

(ii) Desoxythyminin,

(iii) Desoxyadenosin und

(iv) Desoxyguanosin.

In ähnlicher Weise sind vier Nukleotide in der DNA:

(i) Desoxycytidylsäure oder Desoxycytidylat,

(ii) Desoxythymidylsäure oder Desoxythymidylat,

(iii) Desoxyadenylsäure oder Desoxyadenylat und

(iv) Desoxyguanylsäure oder Desoxyguanylat.

Als die Zusammensetzung von DNA aus vielen verschiedenen Organismen von E. Chargaff und Mitarbeitern (1950) analysiert wurde, wurde beobachtet, dass (i) unabhängig von der Quelle die Purin- und Pyrimidinkomponenten in gleichen Mengen in einem Molekül vorkommen, (ii) die Die Menge an Adenin (A) ist äquivalent zu der Menge an Thymin (T) und an Cytosin (C) entspricht der von Guanin (G) und (iii) das Basenverhältnis A + T / G + C ist für eine bestimmte Person konstant Spezies.

Das Watson- und Crick-Doppelhelix-Modell der DNA:

Die Struktur der DNA wurde erstmals von JD Watson und FH Crick im Jahr 1953 abgeleitet. Auf der Grundlage von Chargaffs Daten schlugen die Ergebnisse von Wilkins und Franklins Röntgenbeugungsdaten und die Schlussfolgerungen aus ihren eigenen Modellgebäuden vor, dass Watson und Crick als Doppelhelix vorlagen bei dem die beiden Polynukleotidketten spiralförmig umeinander gewickelt sind.

Jede Polynukleotidkette besteht aus einer Sequenz von Nukleotiden, die durch Phosphodiester-Bindungen miteinander verbunden sind und benachbarte Desoxyribose-Einheiten bilden. Die beiden Polynukleotidstränge werden in ihrer helicalen Konfiguration durch Wasserstoffbrückenbindung zwischen Basen in gegenüberliegenden Strängen zusammengehalten, wobei die resultierenden Basenpaare wie die Stufen einer Spiralleiter zwischen den beiden Ketten senkrecht zur Achse des Moleküls angeordnet sind.

Die Basenpaarung ist spezifisch, Adenin ist immer mit Thymin gepaart und Guanin ist immer mit Cytosin gepaart. Somit bestehen alle Basenpaare aus einem Purin und einem Pyrimidin. Die Spezifität der Basenpaarung ergibt sich aus den Wasserstoffbrückenbindungskapazitäten der Basen in ihrer normalen Konfiguration.

In ihren häufigsten strukturellen Konfigurationen bilden Adenin und Thymin zwei Wasserstoffbrücken und Guanin und Cytosin bilden drei Wasserstoffbrücken. Eine analoge Wasserstoffbrückenbindung zwischen Cytosin und Adenin ist beispielsweise im Allgemeinen nicht möglich.

Sobald die Basensequenz in einem Strang einer DNA-Doppelhelix bekannt ist, ist die Basensequenz in dem anderen Strang ebenfalls aufgrund der spezifischen Basenpaarung automatisch bekannt. Die beiden Stränge einer Doppelhelix werden daher als komplementär (nicht identisch) bezeichnet; Diese Eigenschaft, die Komplementarität der beiden Stränge, macht DNA in einzigartiger Weise dazu geeignet, genetische Informationen zu speichern und zu übertragen.

Die Basenpaare in DNA sind im Abstand von 3, 4A ° mit 10 Basenpaaren (360 °) der Doppelhelix gestapelt. Die Zuckerphosphatgerüste der beiden komplementären Stränge sind antiparallel; das heißt, sie haben entgegengesetzte chemische Polarität.

Wenn man sich entlang einer DNA-Doppelhelix unidirektional bewegt, gehen die Phosphodiester-Bindungen in einem Strang von einem 3'-Kohlenstoff eines Nukleotids zu einem 5'-Kohlenstoff des benachbarten Nukleotids, während diejenigen im komplementären Strang von einem 5'-Kohlenstoff zu 3'-Kohlenstoff gehen .

Die A-, B- und Z-Form von DNA:

Die überwiegende Mehrheit der DNA-Moleküle, die in den wässrigen Protoplasmen lebender Zellen vorhanden sind, existieren fast sicher in der oben beschriebenen Watson-Crick-Doppelhelixform. Dies wird als B-Form von DNA bezeichnet und zeigt rechtshändige Wicklungen. Es enthält 10, 4 Basenpaare pro Runde (anstelle der 10 oben genannten). Dehydrierte DNA kommt in der A-Form vor, die ebenfalls eine rechtshändige Helix ist, aber sie hat 11 Basenpaare pro Zug.

Bestimmte DNA-Sequenzen liegen in Z-Form vor, die Linkshand-Wicklung zeigt. Sie enthält 12 Basenpaare pro Zug. In der Z-DNA folgt das Zuckerphosphat-Rückgrat einem Zick-Zack-Pfad, der ihm den Namen Z-DNA oder Z-Form gibt.

Bestimmte Segmente eines DNA-Moleküls können Konformationsänderungen von der B-Form in die Z-Form und umgekehrt erfahren. Diese Änderungen können durch einige spezifische regulatorische Proteine ​​hervorgerufen werden. Es wird postuliert, dass die Z-Form-DNA eine Rolle bei der Genregulation spielt.

Beweise zur Unterstützung der Doppelhelixstruktur von DNA:

Die von Waston und Crick gegebene Doppelhelixstruktur der DNA wird durch die folgenden Beweise gestützt.

1. MHF Wilkins und seine Kollegen untersuchten DNA mittels Röntgenkristallographie und unterstützten deren Doppelhelixstruktur.

2. Kornberg und seine Mitarbeiter versuchten, DNA in einem DNA-freien Medium in Gegenwart von Enzym-DNA-Polymerase und Nukleotiden, den Bausteinen der DNA, zu synthetisieren. Sie fanden heraus, dass in einem DNA-freien Medium mit allen notwendigen Verbindungen keine DNA-Synthese stattfindet. Erst als dem gleichen Medium etwas DNA als Primer zugesetzt wurde, begann die DNA-Synthese.