Die Bedeutung von DNA-Molekülen

DNA ist eine der wenigen Buchstabenkombinationen im Kern einer wissenschaftlichen Disziplin, die einen Funken zu zünden scheint erhebliches Maß an Verständnis auch bei Menschen mit geringer lebenslanger Exposition gegenüber Biologie oder den Naturwissenschaften in Allgemeines. Die meisten Erwachsenen, die den Satz "Es ist in ihrer DNA" hören, erkennen sofort, dass ein bestimmtes Merkmal untrennbar mit der beschriebenen Person verbunden ist; dass das Merkmal irgendwie angeboren ist, niemals verschwindet und auf die Kinder dieser Person und darüber hinaus übertragen werden kann. Dies scheint sogar in den Köpfen derer wahr zu sein, die keine Ahnung haben, wofür "DNA" überhaupt steht, nämlich "Desoxyribonukleinsäure".

Menschen sind verständlicherweise fasziniert von dem Konzept, Eigenschaften von ihren Eltern zu erben und ihre eigenen Eigenschaften an ihre Nachkommen weiterzugeben. Es ist nur natürlich, dass die Menschen über ihr eigenes biochemisches Erbe nachdenken, auch wenn es sich nur wenige so formal vorstellen können. Die Erkenntnis, dass winzige unsichtbare Faktoren in jedem von uns bestimmen, wie die Kinder aussehen und sich sogar verhalten, ist sicherlich seit vielen Hunderten von Jahren vorhanden. Doch erst Mitte des 20. Jahrhunderts enthüllte die moderne Wissenschaft in glorreichen Details nicht nur die Moleküle, die für die Vererbung verantwortlich waren, sondern auch wie sie aussahen.

Desoxyribonukleinsäure ist in der Tat der genetische Bauplan, den alle Lebewesen in ihren Zellen pflegen, ein einzigartiger mikroskopischer Fingerabdruck, der nicht nur jeden Menschen ausmacht ein buchstäblich einzigartiges Individuum (eineiige Zwillinge ausgenommen für die gegenwärtigen Zwecke), aber enthüllt viele wichtige Informationen über jede Person, von der Wahrscheinlichkeit, mit einer anderen bestimmten Person verwandt zu sein, die Wahrscheinlichkeit, im späteren Leben eine bestimmte Krankheit zu entwickeln oder eine solche Krankheit in die Zukunft zu übertragen Generationen. Die DNA ist nicht nur zum natürlichen Mittelpunkt der Molekularbiologie und der Lebenswissenschaften insgesamt geworden, sondern auch ein integraler Bestandteil der Forensik und des Bioingenieurwesens.

James Watson und Francis Crick (und seltener Rosalind Franklin und Maurice Wilkins) wird weithin die Entdeckung der DNA im Jahr 1953 zugeschrieben. Diese Wahrnehmung ist jedoch falsch. Entscheidend ist, dass diese Forscher tatsächlich festgestellt haben, dass DNA in dreidimensionaler Form in Form eines a. existiert Doppelhelix, die im Wesentlichen eine Leiter ist, die an beiden Enden in verschiedene Richtungen verdreht ist, um eine Spirale zu bilden gestalten. Aber diese entschlossenen und oft gefeierten Wissenschaftler bauten "nur" auf der akribischen Arbeit von Biologen auf, die sich auf der Suche nach den gleichen allgemeinen Informationen abmühten bereits in den 1860er Jahren Experimente, die für sich genommen ebenso bahnbrechend waren wie die von Watson, Crick und anderen in der Nachkriegsforschung Epoche.

Im Jahr 1869, 100 Jahre bevor die Menschen zum Mond reisen würden, versuchte ein Schweizer Chemiker namens Friedrich Miescher, die Proteinkomponenten aus Leukozyten (weißen Blutkörperchen) extrahieren, um deren Zusammensetzung zu bestimmen und Funktion. Was er stattdessen extrahierte, nannte er "Nuclein", und obwohl ihm die Instrumente fehlten, um zu lernen, was zukünftige Biochemiker sein würden lernfähig, erkannte er schnell, dass dieses "Nuclein" mit Proteinen verwandt, aber selbst kein Protein war, dass es eine ungewöhnliche Menge an Phosphor, und dass diese Substanz gegen den Abbau durch die gleichen chemischen und physikalischen Faktoren resistent war wie der Abbau Proteine.

Es sollte über 50 Jahre dauern, bis die wahre Bedeutung von Mieschers Werk erstmals deutlich wurde. Im zweiten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts war der russische Biochemiker Phoebus Levene der erste, der einen Vorschlag machte dass das, was wir heute Nukleotide nennen, aus einem Zuckeranteil, einem Phosphatanteil und einer Base besteht Portion; dass der Zucker Ribose war; und dass die Unterschiede zwischen Nukleotiden auf die Unterschiede zwischen ihren Basen zurückzuführen waren. Sein "Polynukleotid"-Modell hatte einige Mängel, aber nach damaligen Maßstäben war es bemerkenswert genau.

1944 waren Oswald Avery und seine Kollegen an der Rockefeller University die ersten bekannten Forscher, die offiziell vorschlugen, dass die DNA aus Erbeinheiten oder Genen bestehe. Im Anschluss an ihre Arbeit sowie an die von Levene machte der österreichische Wissenschaftler Erwin Chargaff zwei wichtige Entdeckungen: eine, dass die Sequenz der Nukleotide in der DNA zwischen den Organismenarten variiert, im Gegensatz zu Levene vorgeschlagen; und zweitens, dass in jedem Organismus die Gesamtmenge der stickstoffhaltigen Basen Adenin (A) und Guanin (G) kombiniert, unabhängig von der Spezies, war praktisch immer gleich der Gesamtmenge an Cytosin (C) und Thymin (T). Dies führte Chargaff nicht ganz zu dem Schluss, dass A mit T und C mit G in der gesamten DNA paart, aber es half später, die Schlussfolgerungen anderer zu untermauern.

1953 schließlich stellten Watson und seine Kollegen, die von den sich rasch verbessernden Möglichkeiten zur Visualisierung dreidimensionaler chemischer Strukturen profitierten, alle diese Erkenntnisse zusammen und stellten anhand von Pappmodellen fest, dass eine Doppelhelix wie nichts anderes zu allem passte, was über die DNA bekannt war könnten.

DNA wurde als Erbmaterial in Lebewesen identifiziert, lange bevor ihre Struktur geklärt war, und als Dies war in der experimentellen Wissenschaft oft der Fall, diese wichtige Entdeckung war jedoch eher zufällig für die Forscher Zweck.
Bevor in den späten 1930er Jahren die Antibiotikatherapie aufkam, forderten Infektionskrankheiten weit mehr Menschenleben als sie heute tun, und die Geheimnisse der verantwortlichen Organismen zu lüften, war ein entscheidendes Ziel der mikrobiologischen Forschung. Im Jahr 1913 begann der bereits erwähnte Oswald Avery mit Arbeiten, die schließlich einen hohen Polysaccharidgehalt aufdeckten (Zucker-)Gehalt in Kapseln von Pneumokokken-Bakterienspezies, die aus einer Lungenentzündung isoliert wurden Patienten. Avery vermutete, dass diese die Antikörperproduktion bei infizierten Menschen stimulierten. Währenddessen führte William Griffiths in England Arbeiten durch, die zeigten, dass tote Bestandteile einer Art von Krankheitserregern Pneumokokken könnten mit den lebenden Bestandteilen eines harmlosen Pneumokokkens vermischt werden und eine krankheitserregende Form des früher harmlose Art; Dies bewies, dass alles, was von den toten auf die lebenden Bakterien überging, vererbbar war.

Als Avery von Griffiths Ergebnissen erfuhr, machte er sich daran, Reinigungsexperimente durchzuführen, um die genaues Material in den Pneumokokken, das vererbbar war und sich auf Nukleinsäuren konzentriert, oder genauer gesagt, Nukleotide. DNA wurde bereits stark verdächtigt, das zu haben, was damals im Volksmund "transformierend" genannt wurde Prinzipien", so prüften Avery und andere diese Hypothese, indem sie das Erbmaterial einem Vielzahl von Agenten. Diejenigen, von denen bekannt ist, dass sie die DNA-Integrität zerstören, aber für Proteine ​​​​oder DNA harmlos sind, sogenannte DNAasen ausreichend in hohen Mengen, um die Übertragung von Merkmalen von einer Bakteriengeneration auf die Nächster. Währenddessen haben Proteasen, die Proteine ​​​​entwirren, keinen solchen Schaden angerichtet.

Die Botschaft von Averys und Griffiths Arbeit ist, dass Leute wie Watson und Crick zu Recht für ihre Beiträge gelobt wurden In der Molekulargenetik war der Aufbau der DNA-Struktur eigentlich ein relativ später Beitrag zum Erkenntnisprozess dieses spektakulären Moleküls.

Chargaff hat, obwohl er die Struktur der DNA offensichtlich nicht vollständig beschrieben hat, gezeigt, dass in Zusätzlich zu (A + G) = (C + T) hatten die beiden Stränge, von denen bekannt ist, dass sie in der DNA enthalten sind, immer den gleichen Abstand ein Teil. Dies führte zu dem Postulat, dass Purine (einschließlich A und G) immer gebunden an Pyrimidine (einschließlich C und T) in DNA. Dies war dreidimensional sinnvoll, da Purine wesentlich größer als Pyrimidine sind, während alle Purine im Wesentlichen gleich groß sind und alle Pyrimidine im Wesentlichen gleich groß sind. Dies impliziert, dass zwei miteinander verbundene Purine erheblich mehr Platz zwischen den DNA-Strängen einnehmen würden als zwei Pyrimidine, und auch, dass jede gegebene Purin-Pyrimidin-Paarung die gleiche Menge an consume verbrauchen würde Platz. Um all diese Informationen zu übertragen, musste A an und nur an T binden und dass die gleiche Beziehung für C und G gilt, wenn sich dieses Modell als erfolgreich erweisen sollte. Und es hat.

Die Basen (dazu später mehr) binden im Inneren des DNA-Moleküls wie Sprossen einer Leiter aneinander. Aber was ist mit den Strängen oder "Seiten" selbst? Rosalind Franklin, die mit Watson und Crick zusammenarbeitete, nahm an, dass dieses "Rückgrat" aus Zucker besteht (speziell ein Pentosezucker oder einer mit einer fünfatomigen Ringstruktur) und eine Phosphatgruppe, die die Zucker. Aufgrund der neu geklärten Idee der Basenpaarung wurde Franklin und den anderen bewusst, dass die beiden DNA-Stränge in einem einzelnen Molekül waren "komplementär" oder tatsächlich Spiegelbilder voneinander auf der Ebene ihrer level Nukleotide. Dies ermöglichte es ihnen, den ungefähren Radius der verdrillten Form der DNA mit einem soliden Maß an Genauigkeit vorherzusagen, und eine Röntgenbeugungsanalyse bestätigte die helikale Struktur. Die Idee, dass es sich bei der Helix um eine Doppelhelix handelt, war 1953 das letzte wichtige Detail über die Struktur der DNA.

Nukleotide sind die sich wiederholenden Untereinheiten der DNA, was das Gegenteil von der Aussage ist, dass die DNA ein Polymer von Nukleotiden ist. Jedes Nukleotid besteht aus einem Zucker namens Desoxyribose, der eine fünfeckige Ringstruktur mit einem Sauerstoff- und vier Kohlenstoffmolekülen enthält. Dieser Zucker ist an eine Phosphatgruppe gebunden, und zwei Stellen entlang des Rings von dieser Position aus ist er auch an eine stickstoffhaltige Base gebunden. Die Phosphatgruppen verbinden die Zucker zum DNA-Rückgrat, dessen zwei Stränge sich in der Mitte der Doppelhelix um die gebundenen stickstofflastigen Basen winden. Die Helix macht etwa alle 10 Basenpaare eine vollständige 360-Grad-Drehung.

Ein Zucker, der nur an eine stickstoffhaltige Base gebunden ist, heißt a Nukleosid.

RNA (Ribonukleinsäure) unterscheidet sich in drei wesentlichen Punkten von DNA: Zum einen wird Thymin durch das Pyrimidin-Uracil ersetzt. Zweitens ist der Pentosezucker eher Ribose als Desoxyribose. Und drittens ist RNA fast immer einzelsträngig und kommt in mehreren Formen vor, deren Diskussion den Rahmen dieses Artikels sprengen würde.

Die DNA wird in ihre zwei komplementären Stränge "entpackt", wenn es an der Zeit ist, Kopien zu erstellen. Dabei werden Tochterstränge entlang der einzelnen Elternstränge gebildet. Ein solcher Tochterstrang wird durch die Addition einzelner Nukleotide unter Einwirkung des Enzyms kontinuierlich gebildet DNA-Polymerase. Diese Synthese folgt einfach der Richtung der Trennung der Eltern-DNA-Stränge. Der andere Tochterstrang bildet sich aus kleinen Polynukleotiden namens Okazaki-Fragmente die sich tatsächlich in der entgegengesetzten Richtung des Entpackens der Elternstränge bilden und dann durch das Enzym miteinander verbunden werden DNA-Ligase.

Da die beiden Tochterstränge auch zueinander komplementär sind, verbinden sich ihre Basen schließlich zu einem doppelsträngigen DNA-Molekül, das mit dem Elternmolekül identisch ist.

Bei Bakterien, die einzellig sind und Prokaryoten genannt werden, befindet sich eine einzelne Kopie der DNA des Bakteriums (auch sein Genom genannt) im Zytoplasma; kein Kern vorhanden ist. In vielzelligen eukaryontischen Organismen liegt die DNA im Zellkern in Form von Chromosomen vor, die hoch gewickelte, gespulte und räumlich kondensierte DNA-Moleküle mit einer Länge von nur einem Millionstel Meter und Proteine namens Histone. Bei der mikroskopischen Untersuchung zeigen die Chromosomenteile abwechselnd Histon-"Spulen" und einfache DNA-Stränge (auf dieser Organisationsebene Chromatin genannt) werden oft mit Perlen auf einer Schnur. Einige eukaryotische DNA findet sich auch in Organellen von Zellen, die als. bezeichnet werden Mitochondrien.