DNA

Für eine nichttechnische Einführung in das Thema siehe Einführung in die Genetik. Für andere Verwendungen siehe DNA (Disambiguierung).
Die Struktur der DNA Doppelhelix. Das Atome in der Struktur werden von farbkodiert von Element und die detaillierten Strukturen von zwei Basispaare sind unten rechts dargestellt.

Desoxyribonukleinsäure (/dichˈɒksɪˌraɪboʊNJuːˌklichɪk, -ˌkleɪ-/ (Hören);[1] DNA) ist ein Polymer bestehend aus zwei Polynukleotid Ketten, die sich um einander umgehen, um a zu bilden Doppelhelix Tragen genetisch Anweisungen für Entwicklung, Funktionsweise, Wachstum und Reproduktion von allen bekannten Organismen und viele Viren. DNA und Ribonukleinsäure (RNA) sind Nukleinsäuren. Neben Proteine, Lipide und komplexe Kohlenhydrate (Polysaccharide) Nukleinsäuren sind eine der vier Haupttypen von Makromoleküle das sind für alle bekannten Formen von wesentlich Leben.

Die beiden DNA -Stränge sind als Polynukleotide bekannt monomer Einheiten gerufen Nukleotide.[2][3] Jedes Nukleotid besteht aus einem von vier stickstoffhaltiges Nucleobasen (Zytosin [C], Guanine [G], Adenin [A] oder Thymin [T]), a Zucker genannt Desoxyribose, und ein Phosphatgruppe. Die Nukleotide werden in einer Kette voneinander miteinander verbunden kovalente Bindungen (bekannt als die Phospho-Diesterbindung) zwischen dem Zucker eines Nukleotids und dem Phosphat des nächsten Zucker-Phosphat-Rückgrat. Die stickstoffhaltigen Grundlagen der beiden getrennten Polynukleotidstränge sind gemäß den Basispaarung Regeln (a mit T und C mit g), mit Wasserstoffbrücken Doppelsträngige DNA herstellen. Die komplementären stickstoffhaltigen Grundlagen sind in zwei Gruppen unterteilt, Pyrimidine und Purines. In DNA sind die Pyrimidine Thymin und Zytosin; Die Purine sind Adenin und Guanin.

Beide Stränge mit doppelstrangiertem DNA speichern gleich Biologische Informationen. Diese Informationen sind repliziert Wenn die beiden Stränge trennen. Ein großer Teil der DNA (mehr als 98% für Menschen) ist Nichtkodierung, was bedeutet, dass diese Abschnitte nicht als Muster dienen für Proteinsequenzen. Die beiden DNA -Stränge laufen in entgegengesetzte Richtungen zueinander und sind also so Antiparallel. An jedem Zucker befestigt ist eine von vier Arten von Nukleobasen (oder Basen). Es ist der Reihenfolge Von diesen vier Nukleobasen entlang des Rückgrats, das genetische Informationen codiert. RNA Stränge werden unter Verwendung von DNA -Strängen als Vorlage in einem Prozess erstellt, der genannt wird Transkription, wo DNA -Basen gegen ihre entsprechenden Basen ausgetauscht werden, außer im Fall von Thymin (T), für den RNA -Substitute ersetzt Uracil (U).[4] Unter dem genetischer CodeDiese RNA -Stränge geben die Sequenz von an Aminosäuren Innerhalb von Proteinen in einem Prozess genannt Übersetzung.

Innerhalb eukaryotischer Zellen wird DNA in lange Strukturen organisiert genannt Chromosomen. Vor typisch ZellteilungDiese Chromosomen werden im Prozess der DNA -Replikation dupliziert und bieten einen vollständigen Chromosomen für jede Tochterzelle. Eukaryotische Organismen (Tiere, Pflanzen, Pilze und Protisten) Lagern Sie den größten Teil ihrer DNA in der Zellkern wie nukleare DNAund einige in der Mitochondrien wie Mitochondrien -DNA oder in Chloroplasten wie Chloroplasten -DNA.[5] Im Gegensatz, Prokaryoten (Bakterien und Archaea) Speichern Sie ihre DNA nur in der Zytoplasma, in Kreischromosomen. Innerhalb eukaryotischer Chromosomen, Chromatin Proteine ​​wie z. Histone, kompakt und organisieren DNA. Diese verdichtenden Strukturen leiten die Wechselwirkungen zwischen DNA und anderen Proteinen und helfen, zu kontrollieren, welche Teile der DNA transkribiert werden.

Eigenschaften

Chemische Struktur von DNA; Wasserstoffbrücken als gepunktete Linien gezeigt. Jedes Ende der Doppelhelix hat ein exponiertes 5' -Phosphat auf einem Strang und eine exponierte 3' -Hydroxylgruppe ( - oh) auf der anderen Seite.

DNA ist lang Polymer Hergestellt aus sich wiederholenden Einheiten genannt Nukleotidejedes davon wird normalerweise durch einen einzelnen Buchstaben symbolisiert: entweder A, T, C, oder G.[6][7] Die Struktur der DNA ist entlang ihrer Länge dynamisch und kann in enge Schleifen und andere Formen zusammenziehen.[8] In allen Arten besteht es aus zwei helikalen Ketten, die voneinander gebunden sind durch Wasserstoffbrücken. Beide Ketten sind um die gleiche Achse gewickelt und haben dasselbe Tonhöhe von 34 Ångströms (3.4nm). Das Kettenpaar hat einen Radius von 10 Å (1,0 nm).[9] Laut einer anderen Studie wurde bei einer anderen Lösung die DNA -Kette 22–26 Å (2,2–2,6 nm) breit und eine Nukleotideinheit 3,3 Å (0,33 nm) lang gemessen.[10] Obwohl jedes einzelne Nukleotid sehr klein ist, kann ein DNA -Polymer sehr lang sein und Hunderte von Millionen Nukleotiden enthalten, wie in Chromosom 1. Chromosom 1 ist der größte Mensch Chromosom mit ungefähr 220 Millionen Basispaare, und wäre sein 85 mm Lange, wenn sie glatt ist.[11]

DNA existiert normalerweise nicht als einzelner Strang, sondern als ein Paar Stränge, die fest zusammengehalten werden.[9][12] Diese beiden langen Stränge scharfen sich in Form von a umeinander um Doppelhelix. Das Nukleotid enthält beide ein Segment der Rückgrat des Moleküls (das die Kette zusammenhält) und a Nucleobase (die mit dem anderen DNA -Strang in der Helix interagiert). Eine mit einem Zucker verbundene Nukleobase wird a genannt Nukleosidund eine Basis, die mit einem Zucker und einer oder mehreren Phosphatgruppen verbunden ist Nukleotid. EIN Biopolymer Es wird ein mehrere verknüpfte Nukleotide (wie in DNA) genannt Polynukleotid.[13]

Das Rückgrat des DNA -Strangs wird aus Wechsel hergestellt Phosphat und Zucker Gruppen.[14] Der Zucker in DNA ist 2-Dexyribose, die ein Pentose (fünf-Kohlenstoff) Zucker. Die Zucker werden von Phosphatgruppen verbunden, die sich bilden Phosphodiesterbindungen zwischen dem dritten und fünften Kohlenstoff Atome von benachbarten Zuckerringen. Diese sind als die bekannt 3'-Ende (drei Hauptende) und 5'-Ende (Fünf Hauptende) Kohlenstoffe, wobei das Hauptsymbol verwendet wird, um diese Kohlenstoffatome von denen der Basis zu unterscheiden, zu der die Desoxyribose a bildet a Glykosidbindung. Daher hat jeder DNA -Strang normalerweise ein Ende, an dem eine Phosphatgruppe am 5' -Kohlenstoff einer Ribose (die 5' Ribose (3' -Hydroxyl). Die Ausrichtung der 3'- und 5' Direktionalität (manchmal als Polarität bezeichnet) zu jedem DNA -Strang. In einem Nukleinsäure -Doppelhelix, Die Richtung der Nukleotide in einem Strang ist ihrer Richtung in dem anderen Strang entgegengesetzt: Die Stränge sind Antiparallel. Die asymmetrischen Enden der DNA -Stränge sollen eine Richtungsalität von fünf Prime -Enden (5 ') und drei Prime -End (3') haben, wobei das 5' -Ende eine terminale Phosphatgruppe und die 3' -End -Hydroxylgruppe aufweist. Ein Hauptunterschied zwischen DNA und RNA ist der Zucker, wobei der 2-Desoxyribose in der DNA durch den verwandten Pentosezucker ersetzt wird Ribose in RNA.[12]

Ein Abschnitt der DNA. Die Basen liegen horizontal zwischen den beiden spiralförmigen Strängen[15] (Animierte Version).

Die DNA -Doppelhelix wird hauptsächlich von zwei Kräften stabilisiert: Wasserstoffbrücken zwischen Nukleotiden und Basisstapel Wechselwirkungen unter aromatisch Nucleobasen.[16] Die vier in DNA gefundenen Basen sind Adenin (A), Zytosin (C), Guanine (G) und Thymin (T). Diese vier Basen sind am Zuckerphosphat befestigt, um das vollständige Nukleotid zu bilden, wie gezeigt für Adenosinmonophosphat. Adeninpaare mit Thymin- und Guaninpaaren mit Cytosin, die bilden BEI und G-c Basispaare.[17][18]

Nucleobase -Klassifizierung

Die Nucleobasen werden in zwei Arten eingeteilt: die Purines, A und G, die fusioniert fünf und sechs Mitglieder sind Heterocyclische Verbindungen, und die Pyrimidine, die sechsgliedrigen Ringe C und T.[12] Eine fünfte Pyrimidin -Nucleobase, Uracil (U), normalerweise den Platz von Thymin in RNA einnimmt und unterscheidet sich von Thymin, indem er fehlt a Methylgruppe auf seinem Ring. Neben RNA und DNA sind viele künstlich Nukleinsäureanaloga wurden erstellt, um die Eigenschaften von Nukleinsäuren oder zur Verwendung in der Biotechnologie zu untersuchen.[19]

Nicht-kanonische Basen

Modifizierte Basen treten in DNA auf. Der erste von diesen war anerkannt 5-Methylcytosin, was in der gefunden wurde Genom von Mycobacterium tuberculosis 1925.[20] Der Grund für das Vorhandensein dieser nichtkanonischen Grundlagen in Bakterienviren (Bakteriophagen) ist zu vermeiden Restriktionsenzyme in Bakterien vorhanden. Dieses Enzymsystem wirkt zumindest teilweise als molekulares Immunsystem, das Bakterien vor Infektionen durch Viren schützt.[21] Modifikationen der Basen Cytosin und Adenin, die häufigeren und modifizierteren DNA -Basen, spielen eine wichtige Rolle in der epigenetisch Kontrolle der Genexpression in Pflanzen und Tieren.[22]

Auflistung nicht-kanonischer Basen in DNA gefunden

Es ist bekannt, dass eine Reihe von nichtkanonischen Basen in DNA auftreten.[23] Die meisten davon sind Modifikationen der kanonischen Basen plus Uracil.

  • Geändert Adenosin
    • N6-Carbamoyl-methyladenin
    • N6-Methyadenin
  • Geändert Guanine
    • 7-Deazaguanin
    • 7-Methylguanin
  • Geändert Zytosin
    • N4-Methylcytosin
    • 5-Carboxylcytosin
    • 5-Formylcytosin
    • 5-Glycosylhydroxymethylcytosin
    • 5-Hydroxycytosin
    • 5-Methylcytosin
  • Geändert Thymidin
    • α-Glutamythymidin
    • α-Putrescinylthymin
  • Uracil und Modifikationen
    • Basis j
    • Uracil
    • 5-Dihydroxypentauracil
    • 5-Hydroxymethyldeoxyuracil
  • Andere
    • Desoxyarchäosin
    • 2,6-Diaminopurin (2-Aminoadein)
DNA -Major und kleinere Grooves. Letzteres ist eine Bindungsstelle für die Hoechst -Fleck Farbstoff 33258.

Rillen

Zwillingshelifikalstränge bilden das DNA -Rückgrat. Eine weitere Doppelhelix kann zwischen den Strängen die Räume oder Rillen verfolgen. Diese Hohlräume liegen neben den Basispaaren und können a liefern Bindungsstelle. Da die Stränge nicht symmetrisch in Bezug auf einander lokalisiert sind, sind die Rillen ungleich. Die Hauptnut ist 22 Ångströms (2,2 nm) breit, während die kleine Rille 12 Å (1,2 nm) in Breite beträgt.[24] Aufgrund der größeren Breite der Hauptnut sind die Ränder der Basen in der Hauptnut zugänglicher als in der kleinen Rille. Infolgedessen Proteine ​​wie Transkriptionsfaktoren Dies kann an bestimmte Sequenzen in doppelsträngiger DNA binden, die normalerweise mit den Seiten der in der Hauptnut freigelegten Basen in Kontakt kommen.[25] Diese Situation variiert in ungewöhnlichen Konformationen von DNA in der Zelle (siehe unten)Aber die Haupt- und Kleinrillen werden immer benannt, um die Unterschiede in der Breite widerzuspiegeln, die zu sehen sind, wenn die DNA wieder in die gewöhnliche B -Form gedreht würde.

Basispaarung

Weitere Informationen: Basenpaar

In einer DNA -Doppelhelix, jede Art von Nucleobase auf einem Strangbindung mit nur einer Art von Nucleobase auf dem anderen Strang. Das nennt man komplementär Basispaarung. Purines Form Wasserstoffbrücken zu Pyrimidinen, wobei die Adeninbindung nur an Thymin in zwei Wasserstoffbrückenbindungen und die Cytosinbindung nur an Guanin in drei Wasserstoffbrückenbindungen angeht. Diese Anordnung von zwei Nukleotiden, die über die Doppelhelix (vom Sechs-Kohlenstoff-Ring bis zum Sechs-Kohlenstoff-Ring) zusammenbinden, wird als Watson-Crick-Basenpaar bezeichnet. DNA mit hoch GC-Inhalt ist stabiler als DNA mit niedrig GC-Inhalt. EIN Hoogsteen -Basispaar (Wasserstoffbrückenbindung Der 6-Kohlenstoff-Ring am 5-Kohlenstoff-Ring) ist eine seltene Variation des Basenpaarens.[26] Wie Wasserstoffbrückenbindungen nicht sind kovalentSie können gebrochen und relativ leicht wiedergegeben werden. Die beiden DNA -Stränge in einer Doppelhelix können somit wie ein Reißverschluss auseinander gezogen werden, entweder durch eine mechanische Kraft oder Hochzeit Temperatur.[27] Infolge dieser Basispaar-Komplementarität werden alle Informationen in der doppelsträngigen Sequenz einer DNA-Helix auf jedem Strang dupliziert, was für die DNA-Replikation von entscheidender Bedeutung ist. Diese reversible und spezifische Wechselwirkung zwischen komplementären Basenpaaren ist für alle Funktionen von DNA in Organismen von entscheidender Bedeutung.[7]

Base pair GC.svg
Base pair AT.svg
Top, a GC Basispaar mit drei Wasserstoffbrücken. Unten, an BEI Basispaar mit zwei Wasserstoffbrückenbindungen. Nichtkovalente Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Paaren werden als gestrichelte Linien dargestellt.

SSDNA gegen dsdna

Wie oben erwähnt, sind die meisten DNA -Moleküle tatsächlich zwei Polymerstränge, die durch nichtkovalente Bindungen helikal zusammengebunden sind; diese doppelsträngige (dsdna) Die Struktur wird größtenteils durch die intrastranden Basisstapelwechselwirkungen aufrechterhalten, die für die am stärksten sind G, c Stapel. Die beiden Stränge können auseinander gehen-ein Prozess, der als Schmelzen bekannt ist-, um zwei einsträngige DNA zu bilden (ssdna) Moleküle. Schmelzen tritt bei hoher Temperatur, niedrigem Salz und hoch auf pH (Niedriger pH schmilzt auch DNA, aber da die DNA aufgrund der Säuredepurination instabil ist, wird selten ein niedriger pH -Wert verwendet).

Die Stabilität der dsDNA -Form hängt nicht nur von der ab GC-Inhalt (% G, c Grundlagen), aber auch nach Sequenz (da das Stapeln sequenzspezifisch ist) und auch Länge (längere Moleküle sind stabiler). Die Stabilität kann auf verschiedene Weise gemessen werden; Ein häufiger Weg ist der ihre Schmelztemperatur (auch genannt Tm Wert), die Temperatur, bei der 50% der Doppelstrangmoleküle in Einzelstrangmoleküle umgewandelt werden; Die Schmelztemperatur hängt von der Ionenstärke und der DNA -Konzentration ab. Infolgedessen ist es sowohl der Prozentsatz von GC Basispaare und die Gesamtlänge einer DNA -Doppelhelix, die die Stärke der Assoziation zwischen den beiden DNA -Strängen bestimmt. Lange DNA -Helices mit einem hohen GC-Content hat stärker interagierende Stränge, während kurze Helices mit hoher BEI Inhalt haben schwächere interagierende Stränge.[28] In der Biologie, Teile der DNA -Doppelhelix, die sich leicht trennen müssen, wie die Tataat Pribnow Box in einigen Promotorenneigen dazu, ein Hoch zu haben BEI Inhalt, die Stränge erleichtern, sich zu auseinander zu bringen.[29]

Im Labor kann die Stärke dieser Wechselwirkung gemessen werden, indem die Schmelztemperatur gefunden wird Tm notwendig, um die Hälfte der Wasserstoffbrückenbindungen zu brechen. Wenn alle Basenpaare in einer DNA -Doppelhelix schmelzen, trennen sich die Stränge und existieren in Lösung als zwei völlig unabhängige Moleküle. Diese einzelsträngigen DNA-Moleküle haben keine einzige gemeinsame Form, aber einige Konformationen sind stabiler als andere.[30]

Sinn und Antisense

Weitere Informationen: Sinn (Molekularbiologie)

A DNA -Sequenz wird als "Sinnes" -Sequenz bezeichnet, wenn sie der von a ist Messenger -RNA Kopie, die in Protein übersetzt wird.[31] Die Sequenz am gegenüberliegenden Strang wird als "Antisense" -Sequenz bezeichnet. Sowohl Sense- als auch Antisense -Sequenzen können an verschiedenen Teilen desselben DNA -Strangs existieren (d. H. Beide Stränge können sowohl Sinn- als auch Antisense -Sequenzen enthalten). Sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten werden Antisense -RNA -Sequenzen erzeugt, aber die Funktionen dieser RNAs sind nicht ganz klar.[32] Ein Vorschlag ist, dass Antisense -RNAs an der Regulierung beteiligt sind Genexpression Durch RNA-RNA-Basenpaarung.[33]

Ein paar DNA -Sequenzen in Prokaryoten und Eukaryoten und mehr in Plasmide und Virenverwischen die Unterscheidung zwischen Sinn und Antisense -Strängen durch Have überlappende Gene.[34] In diesen Fällen erfüllen einige DNA -Sequenzen eine doppelte Pflicht und codieren ein Protein, wenn sie entlang eines Strangs gelesen werden, und ein zweites Protein, wenn sie in die entgegengesetzte Richtung entlang des anderen Strangs gelesen werden. Im BakterienDiese Überlappung kann an der Regulierung der Gentranskription beteiligt sein,[35] Während in Viren erhöhen überlappende Gene die Menge an Informationen, die im kleinen viralen Genom codiert werden können.[36]

Supercoiling

Weitere Informationen: DNA Supercoil

DNA kann wie ein Seil in einem bezeichneten Prozess verdreht werden DNA Supercoiling. Mit der DNA in seinem "entspannten" Zustand kreist ein Strang die Achse der Doppelhelix normalerweise einmal alle 10,4 Basispaare, aber wenn die DNA verdreht wird, werden die Stränge fester oder lockerer.[37] Wenn die DNA in Richtung der Helix verdreht ist, ist dies eine positive Supercoiling und die Basen werden enger zusammengehalten. Wenn sie in die entgegengesetzte Richtung verdreht sind, ist dies eine negative Supercoiling, und die Basen werden leichter auseinander geraten. In der Natur hat die meisten DNA eine geringfügige negative Supercoiling, die von eingeführt wird Enzyme genannt Topoisomerasen.[38] Diese Enzyme werden auch erforderlich Transkription und DNA Replikation.[39]

Von links nach rechts die Strukturen von A, B und Z DNA

Alternative DNA -Strukturen

Weitere Informationen: Molekülstruktur von Nukleinsäuren: eine Struktur für Desoxyribose -Nukleinsäure, Molekulare Modelle von DNA, und DNA -Struktur

DNA existiert in vielen Möglichkeiten Konformationen das beinhaltet A-DNA, B-DNA und Z-DNA Formen, obwohl nur B-DNA und Z-DNA in funktionellen Organismen direkt beobachtet wurden.[14] Die Konformation, die DNA übernimmt Ionenund die Anwesenheit von Polyamine in Lösung.[40]

Die ersten veröffentlichten Berichte von A-DNA Röntgenbeugungsmuster-und auch B-DNA-verwendete Analysen basierend auf Patterson Funktionen Dies lieferte nur eine begrenzte Menge an Strukturinformationen für orientierte Fasern von DNA.[41][42] Eine alternative Analyse wurde von Wilkins vorgeschlagen et al. im Jahr 1953 für die In vivo B-DNA-Röntgenbeugungsstreuungsmuster hochhydratisierter DNA-Fasern in Bezug auf Quadrate von Bessel -Funktionen.[43] In derselben Zeitschrift, James Watson und Francis Crick präsentierte ihre molekulare Modellierung Analyse der DNA-Röntgenbeugungsmuster, um darauf hinzudeuten, dass die Struktur eine Doppelhelix war.[9]

Obwohl die B-DNA-Form ist am häufigsten unter den Bedingungen in Zellen,[44] Es ist keine genau definierte Konformation, sondern eine Familie verwandter DNA-Konformationen[45] Dies tritt bei den in Zellen vorhandenen hohen Hydratationsniveaus auf. Ihre entsprechenden Röntgenbeugung und Streumuster sind charakteristisch für Molekular Parakristalle mit einem erheblichen Grad an Störung.[46][47]

Im Vergleich zu B-DNA ist die A-DNA-Form breiter Rechtshändig Spiral, mit einem flachen, breiten kleinen Groove und einem schmaleren, tieferen großen Groove. Die A-Form tritt unter nicht-physiologischen Bedingungen in teilweise dehydrierten DNA-Proben auf, während sie in Hybridpaarungen von DNA- und RNA-Strängen sowie in Enzym-DNA-Komplexen produziert werden kann.[48][49] DNA -Segmente, in denen die Basen chemisch modifiziert wurden durch Methylierung kann eine größere Veränderung in der Konformation erfahren und die übernehmen Z Form. Hier drehen sich die Stränge in einer linkshändigen Spirale um die helikale Achse, das Gegenteil der gemeinsameren B-Form.[50] Diese ungewöhnlichen Strukturen können durch spezifische Z-DNA-Bindungsproteine ​​erkannt werden und können an der Regulation der Transkription beteiligt sein.[51]

Alternative DNA -Chemie

Für viele Jahre, Exobiologen haben die Existenz von a vorgeschlagen Schattenbiosphäre, Eine postulierte mikrobielle Biosphäre der Erde, die radikal unterschiedliche biochemische und molekulare Prozesse verwendet als derzeit bekannt. Einer der Vorschläge war die Existenz von Lebensformen, die verwenden Arsen anstelle von Phosphor in DNA. Ein Bericht im Jahr 2010 über die Möglichkeit in der Bakterium GFAJ-1 wurde vorgestellt,[52][53] Obwohl die Forschung umstritten war,[53][54] und es gibt Hinweise darauf, dass das Bakterium aktiv den Einbau von Arsen in das DNA -Rückgrat und andere Biomoleküle einbezieht.[55]

Quadruplexstrukturen

Weitere Informationen: G-Quadruplex

An den Enden der linearen Chromosomen befinden sich spezialisierte Regionen der DNA genannt Telomere. Die Hauptfunktion dieser Regionen besteht darin, die Zelle mithilfe des Enzyms Chromosomenenden zu replizieren Telomerase, wie die Enzyme, die normalerweise DNA replizieren, die extremen 3' -Enden von Chromosomen nicht kopieren können.[56] Diese spezialisierten Chromosomenkappen tragen auch dazu bei, die DNA -Enden zu schützen und die zu stoppen DNA -Reparatur Systeme in der Zelle, die sie als zu korrigierte Schäden behandeln.[57] Im menschliche ZellenTelomere sind normalerweise Längen einer einzelsträngigen DNA, die mehrere tausend Wiederholungen einer einfachen TTAGGG-Sequenz enthalten.[58]

DNA -Quadruplex gebildet durch Telomer Wiederholungen. Die geschaltete Konformation des DNA -Rückgrats unterscheidet sich stark von der typischen DNA -Helix. Die grünen Kugeln in der Mitte repräsentieren Kaliumionen.[59]

Diese Guanin-reichen Sequenzen können Chromosomenenden stabilisieren, indem sie Strukturen gestapelter Sätze von Vier-Basen-Einheiten bilden, anstatt die üblichen Basenpaare, die in anderen DNA-Molekülen gefunden wurden. Hier vier Guanine Basen, bekannt als a Guanine Tetradeine flache Platte bilden. Diese flachen Vier-Base-Einheiten stapeln sich dann übereinander, um einen Stall zu bilden G-Quadruplex Struktur.[60] Diese Strukturen werden durch Wasserstoffbindung zwischen den Rändern der Basen und durch Wasserstoffbindung stabilisiert und stabilisiert Chelation eines Metallions in der Mitte jeder vier Basiseinheit.[61] Andere Strukturen können ebenfalls gebildet werden, wobei der zentrale Satz von vier Basen entweder aus einem einzelnen Strang um die Basen gefaltet ist, oder mehrere verschiedene parallele Stränge, die jeweils eine Basis zur zentralen Struktur beitragen.

Zusätzlich zu diesen gestapelten Strukturen bilden Telomere auch große Schleifenstrukturen, die als Telomerschleifen oder T-Schleifen bezeichnet werden. Hier rundet sich die einsträngige DNA in einem langen Kreis, das von telomerbindenden Proteinen stabilisiert wurde.[62] Am Ende der T-Schleife wird die einsträngige Telomer-DNA durch den Telomerstrang auf eine Region von doppelsträngiger DNA gehalten, die die doppelhelikale DNA und die Basispaarung zu einem der beiden Stränge stört. Dies Dreifachsträngig Struktur wird als Verschiebungsschleife bezeichnet oder D-Loop.[60]

Branch-dna-single.svg Branch-DNA-multiple.svg
Einzelzweig Mehrere Zweige
Verzweigte DNA Kann Netzwerke bilden, die mehrere Zweige enthalten.

Verzweigte DNA

Weitere Informationen: Verzweigte DNA und DNA -Nanotechnologie

In DNA, Franaging tritt auf, wenn nichtkomplementäre Regionen am Ende eines ansonsten komplementären Doppelstrangs der DNA existieren. Es kann jedoch verzweigte DNA auftreten, wenn ein dritter DNA-Strang eingeführt wird und angrenzende Regionen enthält, die mit den ausgefransten Regionen des bereits bestehenden Doppelstrangs hybridisieren können. Obwohl das einfachste Beispiel für verzweigte DNA nur drei DNA -Stränge beinhaltet, sind Komplexe mit zusätzlichen Strängen und mehreren Zweigen ebenfalls möglich.[63] Verzweigtes DNA kann in verwendet werden Nanotechnologie Um geometrische Formen zu konstruieren Verwendung in Technologie unter.

Künstliche Grundlagen

Hauptartikel: Nukleinsäureanalogon

Mehrere künstliche Nucleobasen wurden synthetisiert und erfolgreich in das acht Basis-DNA-Analogon genannt Hachimoji -DNA. Diese künstlichen Basen s, S, B, P und Z sind in der Lage, auf vorhersehbare Weise (S - B und P - Z) miteinander zu verbinden, die doppelte Helixstruktur von DNA beibehalten und zu RNA transkribiert werden. Ihre Existenz könnte als Hinweis darauf angesehen werden, dass die vier natürlichen Nucleobasen, die sich auf der Erde entwickelten, nichts Besonderes haben.[64][65] Andererseits ist DNA eng miteinander verbunden mit RNA Dies wirkt nicht nur als Transkript von DNA, sondern auch als maluläre Maschinen viele Aufgaben in Zellen. Zu diesem Zweck muss es sich in eine Struktur falten. Es wurde gezeigt, dass für die entsprechenden Erzeugung alle möglichen Strukturen mindestens vier Basen benötigt werden RNA,[66] Eine höhere Zahl ist zwar auch möglich, aber dies wäre gegen die Natur Prinzip der geringsten Anstrengung.

Säure

Die Phosphatgruppen von DNA geben es ähnlich saur Eigenschaften zu Phosphorsäure und es kann als als betrachtet werden starke Säure. Es wird bei einem normalen zellulären pH -Wert vollständig ionisiert und freigelassen Protonen die negative Ladungen für die Phosphatgruppen hinterlassen. Diese negativen Ladungen schützen die DNA vor Abbruch nach Hydrolyse durch Abstoßung Nucleophile das könnte es hydrolysieren.[67]

Makroskopisches Aussehen

Unreine DNA aus einer Orange extrahiert

Aus Zellen extrahierte reine DNA bilden weiße, fadenförmige Klumpen.[68]

Chemische Modifikationen und veränderte DNA -Verpackungen

Cytosin.svg 5-Methylcytosine.svg Thymin.svg
Zytosin 5-Methylcytosin Thymin
Struktur von Cytosin mit und ohne 5-Methylgruppe. Desaminierung Konvertiert 5-Methylcytosin in Thymin.

Basismodifikationen und DNA -Verpackung

Weitere Informationen: DNA -Methylierung und Chromatinumbau

Die Expression von Genen wird davon beeinflusst, wie die DNA in Chromosomen in einer Struktur genannt wird Chromatin. Basismodifikationen können an Verpackungen beteiligt sein, wobei Regionen mit geringer oder gar keiner Genexpression mit hohen Maßstäben von enthalten sind Methylierung von Zytosin Basen. DNA -Verpackung und ihr Einfluss auf die Genexpression können auch durch kovalente Modifikationen der Histon Proteinkern, in dem die DNA in die Chromatinstruktur oder durch Remodelling durch Chromatin -Remodell -Komplexe eingewickelt ist (siehe Chromatinumbau). Es gibt weiter, weiter Übersprechen Zwischen der DNA -Methylierung und der Histonmodifikation können sie die Chromatin- und Genexpression koordiniert beeinflussen.[69]

Zum Beispiel produziert die Zytosinmethylierung 5-Methylcytosin, was wichtig ist für X-Inaktivierung von Chromosomen.[70] Das durchschnittliche Methylierungsniveau variiert zwischen Organismen - dem Wurm Caenorhabditis elegans fehlt während der Zytosinmethylierung Wirbeltiere haben höhere Werte, wobei bis zu 1% ihrer DNA 5-Methylcytosin enthält.[71] Trotz der Bedeutung von 5-Methylcytosin kann es Deaminat eine Thyminbase zu hinterlassen, so dass methylierte Zytosine besonders anfällig für Mutationen.[72] Andere Basenmodifikationen sind die Adeninmethylierung in Bakterien, das Vorhandensein von 5-Hydroxymethylcytosin in dem Gehirn,[73] und die Glykosylierung von Uracil, um die "J-Base" in zu produzieren Kinetoplastiden.[74][75]

Schaden

Weitere Informationen: DNA -Schäden (natürlich vorkommend), Mutation, und DNA -Schadenstheorie des Alterns
A kovalent Addukt zwischen a metabolisch aktiviert Form von Benzo [a] Pyren, der Bürgermeister Mutagen in Tabakrauchund DNA[76]

DNA kann durch viele Arten von beschädigt werden Mutagenedie verändern die DNA -Sequenz. Mutagene umfassen Oxidationsmittel, Alkylierungsmittel und auch energiegeladen elektromagnetische Strahlung wie zum Beispiel Ultraviolett Licht und Röntgenaufnahmen. Die Art des erzeugten DNA -Schadens hängt von der Art des Mutagens ab. Zum Beispiel kann UV -Licht die DNA durch Produktion beschädigen Thymindimere, die Vernetzungen zwischen Pyrimidinbasen sind.[77] Andererseits Oxidationsmittel wie freie Radikale oder Wasserstoffperoxid Erzeugen Sie mehrere Formen von Schäden, einschließlich Grundveränderungen, insbesondere von Guanosin, und doppelte Strangbrüche.[78] Eine typische menschliche Zelle enthält etwa 150.000 Basen, die oxidativen Schäden erlitten haben.[79] Von diesen oxidativen Läsionen sind die gefährlichsten Doppelstrangbrüche, da diese schwer zu reparieren sind und produzieren können Punktmutationen, Einfügungen, Löschungen aus der DNA -Sequenz und Chromosomaltranslokationen.[80] Diese Mutationen können verursachen Krebs. Aufgrund der inhärenten Grenzen der DNA -Reparaturmechanismen würden sie alle letztendlich Krebs entwickeln, wenn Menschen lange genug leben würden.[81][82] DNA -Schäden, die sind natürlich vorkommendAufgrund normaler zellulärer Prozesse, die reaktive Sauerstoffspezies produzieren, treten auch häufig die hydrolytischen Aktivitäten von zellulärem Wasser usw. auf. Obwohl die meisten dieser Schäden repariert werden, können in jeder Zelle einige DNA -Schäden trotz der Wirkung von Reparaturprozessen bestehen. Diese verbleibenden DNA -Schäden akkumulieren sich mit dem Alter in postempfindlichen Geweben von Säugetieren. Diese Akkumulation scheint eine wichtige Ursache für das Altern zu sein.[83][84][85]

Viele Mutagene passen in den Raum zwischen zwei benachbarten Basispaaren, das heißt Interkalation. Die meisten Einverständlichkeiten sind aromatisch und planare Moleküle; Beispiele beinhalten Ethidiumbromid, akridinen, Daunomycin, und Doxorubicin. Damit ein Interkalator zwischen Basispaaren passt, müssen sich die Basen trennen und die DNA -Stränge durch Abwickeln der Doppelhelix verzerren. Dies hemmt sowohl die Transkription als auch die DNA -Replikation und verursacht Toxizität und Mutationen.[86] Infolgedessen können DNA -Interkalatoren sein Karzinogeneund im Fall von Thalidomid a Teratogen.[87] Andere wie Benzo [a] Pyren -Diol -Epoxid und Aflatoxin Formen Sie DNA -Addukte, die Fehler in der Replikation induzieren.[88] Aufgrund ihrer Fähigkeit, die DNA -Transkription und -replikation zu hemmen, werden jedoch auch andere ähnliche Toxine verwendet Chemotherapie schnell wachsen zu hemmen Krebs Zellen.[89]

Biologische Funktionen

Ort von Eukaryote nukleare DNA Innerhalb der Chromosomen

DNA tritt normalerweise als linear auf Chromosomen in Eukaryoten, und Kreischromosomen in Prokaryoten. Der Satz von Chromosomen in einer Zelle macht ihre aus Genom; das Menschliches Genom hat ungefähr 3 Milliarden Basenpaare von DNA, die in 46 Chromosomen angeordnet sind.[90] Die von der DNA übertragenen Informationen finden Sie in der Reihenfolge von DNA -Stücken genannt Gene. Übertragung von genetischen Informationen in Genen wird durch komplementäre Basispaarung erreicht. Wenn beispielsweise in der Transkription eine Zelle die Informationen in einem Gen verwendet, wird die DNA -Sequenz durch die Anziehungskraft zwischen der DNA und den richtigen RNA -Nukleotiden in eine komplementäre RNA -Sequenz kopiert. Normalerweise wird diese RNA -Kopie dann verwendet, um eine Übereinstimmung zu machen Proteinsequenz in einem Prozess genannt Übersetzung, was von der gleichen Wechselwirkung zwischen RNA -Nukleotiden abhängt. In alternativer Weise kann eine Zelle einfach ihre genetischen Informationen in einem Prozess kopieren DNA Replikation. Die Details dieser Funktionen werden in anderen Artikeln behandelt. Hier liegt der Fokus auf den Wechselwirkungen zwischen DNA und anderen Molekülen, die die Funktion des Genoms vermitteln.

Gene und Genome

Weitere Informationen: Zellkern, Chromatin, Chromosom, Gen, und Nichtkodierende DNA

Genomische DNA ist fest und ordentlich gepackt dabei genannt DNA -Kondensation, um die kleinen verfügbaren Volumina der Zelle anzupassen. In Eukaryoten befindet sich die DNA in der Zellkernmit kleinen Beträgen in Mitochondrien und Chloroplasten. In Prokaryoten wird die DNA innerhalb eines unregelmäßig geformten Körpers im Zytoplasma als das als das genannt gehalten Nukleoid.[91] Die genetischen Information in einem Genom wird in Genen gehalten, und der vollständige Satz dieser Informationen in einem Organismus wird als ITS bezeichnet Genotyp. Ein Gen ist eine Einheit von Vererbung und ist eine Region der DNA, die ein bestimmtes Merkmal in einem Organismus beeinflusst. Gene enthalten an offener Leserahmen das kann transkribiert werden und regulatorische Sequenzen wie zum Beispiel Promotoren und Verbesserungen, die die Transkription des offenen Leserahmens steuern.

In vielen Spezies, nur ein kleiner Teil der Gesamtsequenz der Genom kodiert Protein. Zum Beispiel besteht nur etwa 1,5% des menschlichen Genoms aus Proteincodierung exons, mit über 50% der menschlichen DNA, bestehend aus Nichtkodierung sich wiederholende Sequenzen.[92] Die Gründe für die Anwesenheit von so viel Nichtkodierende DNA in eukaryotischen Genomen und den außergewöhnlichen Unterschieden in Genomgröße, oder C-WertUnter Arten repräsentieren ein langjähriges Puzzle, das als "als" bekannt ist "C-Wert Rätsel".[93] Einige DNA -Sequenzen, die kein Protein nicht codieren Nichtkodierende RNA Moleküle, die an der beteiligt sind Regulation der Genexpression.[94]

T7 -RNA -Polymerase (blau) produzieren eine mRNA (grün) aus einer DNA -Vorlage (orange)[95]

Einige nichtkodierende DNA -Sequenzen spielen in Chromosomen eine strukturelle Rolle. Telomere und Zentromere enthalten typischerweise nur wenige Gene, sind aber wichtig für die Funktion und Stabilität von Chromosomen.[57][96] Eine reichlich vorhandene Form nichtkodierender DNA beim Menschen ist Pseudogenes, die Kopien von Genen sind, die durch Mutation deaktiviert wurden.[97] Diese Sequenzen sind normalerweise nur molekular Fossilien, obwohl sie gelegentlich als roh dienen können Genmaterial Für die Schaffung neuer Gene durch den Prozess von Gen -Duplikation und Abweichungen.[98]

Transkription und Übersetzung

Weitere Informationen: Genetischer Code, Transkription (Genetik), und Proteinbiosynthese

Ein Gen ist eine Sequenz von DNA, die genetische Informationen enthält und die beeinflussen kann Phänotyp eines Organismus. Innerhalb eines Gens definiert die Sequenz von Basen entlang eines DNA -Strangs a Messenger -RNA Sequenz, die dann eine oder mehrere Proteinsequenzen definiert. Die Beziehung zwischen den Nukleotidsequenzen von Genen und der Aminosäure Sequenzen von Proteinen werden durch die Regeln von bestimmt Übersetzung, kollektiv als die bezeichnet genetischer Code. Der genetische Code besteht aus Drei-Buchstaben-Wörtern, die genannt werden Codons gebildet aus einer Sequenz von drei Nukleotiden (z. B. Akt, CAG, TTT).

In der Transkription werden die Codons eines Gens in Messenger -RNA durch kopiert RNA -Polymerase. Diese RNA -Kopie wird dann von a dekodiert Ribosom Das liest die RNA RNA übertragen, was Aminosäuren trägt. Da es 4 Basen in 3-Buchstaben-Kombinationen gibt, gibt es 64 mögliche Codons (43Kombinationen). Diese kodieren die zwanzig Standard -Aminosäuren, geben den meisten Aminosäuren mehr als ein mögliches Codon. Es gibt auch drei "Stop" oder "Unsinn" -Codons, die das Ende der Codierungsregion bedeuten. Dies sind das Tag-, TAA- und TGA -Codons (UAG, UAA und UGA auf der mRNA).

DNA -Replikation: Die Doppelhelix wird durch a abgewickelt Helikase und Topoisomerase. Als nächstes eine DNA -Polymerase produziert die führender Strang Kopieren. Eine andere DNA -Polymerase bindet an die Verzögerungsstrang. Dieses Enzym macht diskontinuierliche Segmente (genannt Okazaki -Fragmente) Vor DNA -Ligase schließt sich ihnen zusammen.

Reproduzieren

Weitere Informationen: DNA Replikation

Zellteilung ist für einen Organismus wesentlich wachsen, aber wenn sich eine Zelle unterscheidet, muss sie die DNA in seinem Genom replizieren, so dass die beiden Tochterzellen die gleichen genetischen Informationen wie ihr Elternteil haben. Die doppelsträngige Struktur der DNA liefert einen einfachen Mechanismus für DNA Replikation. Hier sind die beiden Stränge getrennt und dann jeder Strang Komplementäre DNA Sequenz wird von einem nachgebildet Enzym genannt DNA -Polymerase. Dieses Enzym macht den komplementären Strang, indem er die richtige Basis durch komplementäre Basispaarung findet und ihn auf den ursprünglichen Strang verbindet. Da DNA -Polymerasen nur einen DNA -Strang in einer 5'- bis 3' -Richtung erweitern können, werden verschiedene Mechanismen verwendet, um die antiparallelen Stränge der Doppelhelix zu kopieren.[99] Auf diese Weise schreibt die Basis auf dem alten Strang vor, welche Basis auf dem neuen Strang erscheint, und die Zelle endet mit einer perfekten Kopie seiner DNA.

Extrazelluläre Nukleinsäuren

Nackte extrazelluläre DNA (EDNA), die das meiste davon durch Zelltod freigesetzt wird, ist in der Umwelt nahezu allgegenwärtig. Seine Konzentration im Boden kann bis zu 2 μg/l und seine Konzentration in natürlichen Wasserumgebungen bei 88 μg/l möglicherweise hoch sein.[100] Für EDNA wurden verschiedene mögliche Funktionen vorgeschlagen: Es kann an beteiligt sein Horizontaler Gentransfer;[101] es kann Nährstoffe liefern;[102] und es kann als Puffer für die Rekrutierung oder Titrierung von Ionen oder Antibiotika wirken.[103] Extrazelluläre DNA wirkt als funktionelle extrazelluläre Matrixkomponente in der Biofilme von mehreren Bakterienarten. Es kann als Erkennungsfaktor für die Regulierung der Bindung und Verbreitung spezifischer Zelltypen im Biofilm wirken.[104] Es kann zur Bildung von Biofilmen beitragen;[105] und es kann zur körperlichen Festigkeit und Resistenz des Biofilms gegen biologischen Stress beitragen.[106]

Zellfreie fetale DNA wird im Blut der Mutter gefunden und kann sequenziert werden, um viele Informationen über den sich entwickelnden Fötus zu ermitteln.[107]

Unter dem Namen Umwelt -DNA EDNA hat in den Naturwissenschaften als Umfragetool für einen höheren Einsatz verzeichnet ÖkologieÜberwachung der Bewegungen und Vorhandensein von Arten in Wasser, Luft oder an Land und Bewertung der Artenvielfalt eines Gebiets.[108][109]

Neutrophile extrazelluläre Fallen

Hauptartikel: Neutrophile extrazelluläre Fallen

Neutrophile extrazelluläre Fallen (NETs) sind Netzwerke von extrazellulären Fasern, die hauptsächlich aus DNA bestehen, die es erlauben Neutrophile, eine Art weißer Blutkörperchen, um extrazelluläre Krankheitserreger abzutöten und gleichzeitig die Beschädigung der Wirtszellen zu minimieren.

Wechselwirkungen mit Proteinen

Alle Funktionen der DNA hängen von Wechselwirkungen mit Proteinen ab. Diese Proteinwechselwirkungen Kann nicht spezifisch sein oder das Protein kann spezifisch an eine einzelne DNA-Sequenz binden. Enzyme können auch an DNA binden, und von diesen sind die Polymerasen, die die DNA -Basensequenz in der Transkription und DNA -Replikation kopieren, besonders wichtig.

DNA-bindende Proteine

Weitere Informationen: DNA-bindendes Protein
Wechselwirkung von DNA (in Orange) mit Histone (in Blau). Die grundlegenden Aminosäuren dieser Proteine ​​binden an die sauren Phosphatgruppen bei DNA.

Strukturproteine, die DNA binden, sind gut verstandene Beispiele für nicht spezifische DNA-Protein-Wechselwirkungen. Innerhalb von Chromosomen wird DNA in Komplexen mit Strukturproteinen gehalten. Diese Proteine ​​organisieren die DNA in eine kompakte Struktur genannt Chromatin. In Eukaryoten beinhaltet diese Struktur die DNA -Bindung an einen Komplex kleiner grundlegender Proteine HistoneWährend in Prokaryoten sind mehrere Arten von Proteinen beteiligt.[110][111] Die Histone bilden einen scheibenförmigen Komplex, der als a genannt wird Nukleosom, die zwei vollständige Wendungen mit doppelsträngiger DNA enthält, die um seine Oberfläche gewickelt sind. Diese unspezifischen Wechselwirkungen werden durch Grundreste in den Histonen gebildet, die machen ionische Bindungen zum sauren Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA und sind daher weitgehend unabhängig von der Basensequenz.[112] Chemische Modifikationen dieser grundlegenden Aminosäurereste umfassen Methylierung, Phosphorylierung, und Acetylierung.[113] Diese chemischen Veränderungen verändern die Stärke der Wechselwirkung zwischen der DNA und den Histonen, wodurch die DNA mehr oder weniger zugänglich macht Transkriptionsfaktoren und Änderung der Transkriptionsrate.[114] Andere nicht spezifische DNA-bindende Proteine ​​in Chromatin umfassen die hochmobilitätsgruppenproteine, die an gebogene oder verzerrte DNA binden.[115] Diese Proteine ​​sind wichtig, um Arrays von Nucleosomen zu biegen und sie in die größeren Strukturen zu ordnen, aus denen Chromosomen besteht.[116]

Eine unterschiedliche Gruppe von DNA-bindenden Proteinen sind die DNA-bindenden Proteine, die spezifisch einzelne Strängigen DNA binden. Beim Menschen Replikation Protein a ist das am besten verstandene Mitglied dieser Familie und wird in Prozessen verwendet, bei denen die Doppelhelix getrennt ist, einschließlich DNA-Replikation, Rekombination und DNA-Reparatur.[117] Diese bindenden Proteine ​​scheinen eine einzelsträngige DNA zu stabilisieren und sie vor der Bildung zu schützen Stammschleifen oder degradiert durch Nukleasen.

Der Lambda Repressor Helix-Turn-Helix Transkriptionsfaktor, das an sein DNA -Ziel gebunden ist[118]

Im Gegensatz dazu haben sich andere Proteine ​​entwickelt, um an bestimmte DNA -Sequenzen zu binden. Die am intensivsten untersuchten von diesen sind die verschiedenen Transkriptionsfaktoren, die Proteine ​​sind, die die Transkription regulieren. Jeder Transkriptionsfaktor bindet an einen bestimmten Satz von DNA -Sequenzen und aktiviert oder hemmt die Transkription von Genen, die diese Sequenzen nahe an ihren Promotoren haben. Die Transkriptionsfaktoren tun dies auf zwei Arten. Erstens können sie die für die Transkription verantwortliche RNA -Polymerase entweder direkt oder durch andere Mediatorproteine ​​binden; Dies lokalisiert die Polymerase am Promotor und ermöglicht es ihm, mit der Transkription zu beginnen.[119] Alternativ können Transkriptionsfaktoren binden Enzyme Das ändern die Histone am Promoter. Dies ändert die Zugänglichkeit der DNA -Vorlage in die Polymerase.[120]

Da diese DNA -Ziele im gesamten Genom eines Organismus auftreten können, können Veränderungen in der Aktivität eines Transkriptionsfaktors Tausende von Genen beeinflussen.[121] Folglich sind diese Proteine ​​oft die Ziele der Signaltransduktion Prozesse, die die Antworten auf Umgebungsänderungen steuern oder zelluläre Differenzierung und Entwicklung. Die Spezifität der Wechselwirkungen dieser Transkriptionsfaktoren mit DNA stammt aus den Proteinen, die mehrere Kontakte an den Kanten der DNA -Basen herstellen, sodass sie die DNA -Sequenz "lesen" können. Die meisten dieser Basis-Interaktionen werden in der Hauptnut durchgeführt, wo die Basen am besten zugänglich sind.[25]

Das Restriktionsenzym ECORV (grün) in einem Komplex mit seiner Substrat -DNA[122]

DNA-modifizierende Enzyme

Nukleasen und Ligasen

Nukleasen sind Enzyme Diese schnitt DNA -Stränge durch katalysierte Hydrolyse des Phosphodiesterbindungen. Nukleasen, die Nukleotide von den Enden der DNA -Stränge hydrolysen Exonukleasen, während Endonukleasen Innerhalb von Strängen geschnitten. Die am häufigsten verwendeten Nukleasen in Molekularbiologie sind die Restriktionsendonukleasen, die DNA in bestimmten Sequenzen schneiden. Zum Beispiel erkennt das nach links gezeigte ECORV-Enzym die 6-Basis-Sequenz 5'-Gatatc-3 'und macht einen Schnitt an der horizontalen Linie. In der Natur schützen diese Enzyme Bakterien gegen Phagen Infektion durch Verdauung der Phagen -DNA, wenn sie in die Bakterienzelle eintritt und als Teil der fungiert Einschränkungsänderungssystem.[123] In der Technologie werden diese sequenzspezifischen Nukleasen verwendet molekulares Klonen und DNA-Fingerabdruck-Methode.

Enzyme genannt DNA -Ligasen kann sich wieder schneiden oder gebrochene DNA -Stränge anschließen.[124] Ligasen sind besonders wichtig in Verzögerungsstrang DNA -Replikation, während sie sich den kurzen Segmenten der DNA anschließen, die am in der produziert werden Replikationsgabel in eine vollständige Kopie der DNA -Vorlage. Sie werden auch in verwendet DNA -Reparatur und genetische Rekombination.[124]

Topoisomerasen und Helikasen

Topoisomerasen sind Enzyme mit Nuklease- und Ligaseaktivität. Diese Proteine ​​verändern die Menge an Supercoiling in DNA. Einige dieser Enzyme funktionieren durch Schneiden der DNA -Helix und lassen einen Abschnitt sich drehen, wodurch das Supercoiling -Niveau verringert wird. Das Enzym versiegelt dann die DNA -Break.[38] Andere Arten dieser Enzyme sind in der Lage, eine DNA -Helix zu schneiden und dann einen zweiten DNA -Strang durch diese Pause zu übergeben, bevor sie sich der Helix wieder anschließen.[125] Topoisomerasen sind für viele Prozesse mit DNA erforderlich, wie z. B. DNA -Replikation und Transkription.[39]

Helikasen sind Proteine, die eine Art von Art von sind Molekularmotor. Sie verwenden die chemische Energie in Nukleosidtriphosphateüberwiegend Adenosintriphosphat (ATP), um Wasserstoffbrücken zwischen Basen zu brechen und die DNA -Doppelhelix in Einzelstränge zu entspannen.[126] Diese Enzyme sind für die meisten Prozesse, bei denen Enzyme auf die DNA -Basen zugreifen müssen, wesentlich.

Polymerasen

Polymerasen sind Enzyme das synthetisieren Polynukleotidketten aus Nukleosidtriphosphate. Die Reihenfolge ihrer Produkte wird basierend auf vorhandenen Polynukleotidketten erstellt - die genannt werden Vorlagen. Diese Enzyme funktionieren, indem sie wiederholt ein Nukleotid zum 3 'hinzufügen Hydroxyl Gruppe am Ende der wachsenden Polynukleotidkette. Infolgedessen funktionieren alle Polymerasen in einer 5'- bis 3' -Richtung.[127] In dem aktive Seite Von diesen Enzymen sind die eingehenden Nukleosid-Triphosphat-Basenpaare zur Vorlage: Dies ermöglicht es Polymerasen, den komplementären Strang ihrer Vorlage genau zu synthetisieren. Polymerasen werden nach der Art der Vorlage klassifiziert, die sie verwenden.

In der DNA-Replikation DNA-abhängig DNA -Polymerasen Machen Sie Kopien von DNA -Polynukleotidketten. Um biologische Informationen zu erhalten, ist es wichtig, dass die Abfolge von Basen in jeder Kopie genau zu der Abfolge der Basen im Vorlagenstrang ergänzt. Viele DNA -Polymerasen haben a Korrekturlesen Aktivität. Hier erkennt die Polymerase die gelegentlichen Fehler in der Synthesereaktion durch das Fehlen einer Basenpaarung zwischen den nicht übereinstimmenden Nukleotiden. Wenn eine Fehlanpassung nachgewiesen wird, ist 3 'bis 5' Exonuklease Die Aktivität wird aktiviert und die falsche Basis entfernt.[128] In den meisten Organismen funktionieren DNA -Polymerasen in einem großen Komplex genannt Wiederholung Das enthält mehrere Zubehöruntereinheiten, wie z. B. die DNA -Klemme oder Helikasen.[129]

RNA-abhängige DNA-Polymerasen sind eine spezielle Klasse von Polymerasen, die die Sequenz eines RNA-Strangs in DNA kopieren. Sie beinhalten umgekehrte Transkriptase, die ein viral Enzym, die an der Infektion von Zellen durch beteiligt sind Retroviren, und Telomerase, was für die Replikation von Telomeren erforderlich ist.[56][130] Beispielsweise ist die HIV -Reverse -Transkriptase ein Enzym für die AIDS -Virusreplikation.[130] Telomerase ist eine ungewöhnliche Polymerase, da sie eine eigene RNA -Vorlage als Teil seiner Struktur enthält. Es synthetisiert Telomere an den Enden von Chromosomen. Telomere verhindern die Fusion der Enden benachbarter Chromosomen und schützen Chromosomenden vor Schäden.[57]

Die Transkription erfolgt von einem DNA-abhängigen RNA -Polymerase Das kopiert die Sequenz eines DNA -Strangs in RNA. Um ein Gen zu transkribieren, bindet die RNA -Polymerase an eine Sequenz von DNA, die als Promotor bezeichnet wird, und trennt die DNA -Stränge. Es kopiert dann die Gensequenz in a Messenger -RNA Transkript, bis es eine DNA -Region erreicht, die als die genannt wird Terminator, wo es an der DNA anhält und löst. Wie bei menschlichen DNA-abhängigen DNA-Polymerasen,, RNA -Polymerase II, das Enzym, das die meisten Gene im menschlichen Genom transkribiert, arbeitet als Teil eines großen Proteinkomplex mit mehreren regulatorischen und zubehörenden Untereinheiten.[131]

Genetische Rekombination

Holliday Junction.svg
Holliday junction coloured.png
Struktur der Holliday Junction mittlerer in genetische Rekombination. Die vier separaten DNA -Stränge sind rot, blau, grün und gelb gefärbt.[132]
Weitere Informationen: Genetische Rekombination
Die Rekombination beinhaltet das Brechen und Wiederieren von zwei Chromosomen (M und F), um zwei umgestaltete Chromosomen (C1 und C2) zu erzeugen.

Eine DNA -Helix interagiert normalerweise nicht mit anderen DNA -Segmenten, und in menschlichen Zellen belegen die verschiedenen Chromosomen sogar getrennte Bereiche im Kern genannt "."Chromosomengebiete".[133] Diese physikalische Trennung verschiedener Chromosomen ist wichtig, damit die DNA -Fähigkeit als stabiles Repository für Informationen fungiert Chromosomen Crossover was während Sexuelle Fortpflanzung, Wenn genetische Rekombination tritt ein. Chromosomales Crossover ist, wenn zwei DNA -Helices brechen, einen Abschnitt tauschen und sich dann wieder anschließen.

Die Rekombination ermöglicht es Chromosomen, genetische Informationen auszutauschen und neue Kombinationen von Genen zu erzeugen, die die Effizienz von erhöht natürliche Auslese und kann für die schnelle Entwicklung neuer Proteine ​​wichtig sein.[134] Genetische Rekombination kann auch an der DNA-Reparatur beteiligt sein, insbesondere an der Reaktion der Zelle auf Doppelstrangbrüche.[135]

Die häufigste Form der chromosomalen Crossover ist Homologe Rekombination, wo die beiden Chromosomen sehr ähnliche Sequenzen teilen. Nicht-Homologe Rekombination kann für Zellen schädlich sein, wie es produzieren kann Chromosomaltranslokationen und genetische Anomalien. Die Rekombinationsreaktion wird durch Enzyme katalysiert als als Rekombinasen, wie zum Beispiel Rad51.[136] Der erste Schritt in der Rekombination ist eine doppelsträngige Pause, die durch beide verursacht wird Endonuklease oder Schädigung der DNA.[137] Eine Reihe von Schritten, die teilweise durch die Rekombinase katalysiert wurden Holliday Junction, in dem ein Segment eines einzelnen Strangs in jeder Helix an den komplementären Strang in der anderen Helix geglüht wird. Der Holliday -Übergang ist eine tetraedrische Kreuzungsstruktur, die entlang des Chromosomenpaars bewegt werden kann und einen Strang gegen einen anderen tauschte. Die Rekombinationsreaktion wird dann durch Spaltung der Kreuzung und Neuauslöschung der freigesetzten DNA gestoppt.[138] Nur Stränge wie Polaritätsaustausch -DNA während der Rekombination. Es gibt zwei Arten von Spaltungen: Ost-West-Spaltung und Nord-Süd-Spaltung. Die Nord -Süd -Spaltungen färben beide DNA -Stränge, während die Ost -West -Spaltung einen DNA -Strang intakt hat. Die Bildung einer Holliday-Übergang während der Rekombination ermöglicht es der genetischen Vielfalt, Genen, gegen Chromosomen auszutauschen und die Expression von Wildtyp-Virusgenomen.

Evolution

Weitere Informationen: RNA -Welthypothese

DNA enthält die genetischen Informationen, die es allen Lebensformen ermöglichen, zu funktionieren, zu wachsen und sich zu reproduzieren. Es ist jedoch unklar, wie lange im 4-Milliarden-Jahr lang Geschichte des Lebens Die DNA hat diese Funktion durchgeführt, da vorgeschlagen wurde, dass die frühesten Lebensformen RNA als genetisches Material verwendet haben könnten.[139][140] RNA könnte als zentraler Teil des frühen Teils gehandelt haben Zellstoffwechsel da es sowohl genetische Informationen übertragen als auch ausführen kann Katalyse im Rahmen Ribozyme.[141] Dieser alte RNA -Welt wo Nukleinsäure sowohl für Katalyse als auch für die Genetik verwendet worden wäre Evolution des aktuellen genetischen Codes basierend auf vier Nukleotidbasen. Dies würde geschehen, da die Anzahl der verschiedenen Basen in einem solchen Organismus ein Kompromiss zwischen einer kleinen Anzahl von Basen ist, die die Replikationsgenauigkeit erhöhen, und einer großen Anzahl von Basen, die die katalytische Effizienz von Ribozymen erhöhen.[142] Es gibt jedoch keine direkten Hinweise auf alte genetische Systeme, da die Wiederherstellung von DNA von den meisten Fossilien unmöglich ist, da die DNA in der Umgebung weniger als eine Million Jahre überlebt und sich langsam in kurze Fragmente in Lösung verschlechtert.[143] Es wurden Ansprüche für ältere DNA erhoben, insbesondere ein Bericht über die Isolierung eines lebensfähigen Bakteriums aus einem Salzkristall, der 250 Millionen Jahre alt ist.[144] Diese Behauptungen sind jedoch umstritten.[145][146]

Bausteine ​​von DNA (Adenin, Guanine, und die damit verbundenen organische Moleküle) kann außerhalb Weltraum.[147][148][149] Komplexe DNA und RNA organische Verbindungen von Leben, einschließlich Uracil, Zytosin, und Thyminwurden auch im Labor unter Bedingungen gebildet, die diejenigen nachahmen, die gefunden wurden Weltraummit Startchemikalien wie z. Pyrimidin, gefunden in Meteoriten. Pyrimidin wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die in der Kohlenstoffrichendrichin vorhandene Chemikalie Universum, kann in gebildet worden sein in rote Riesen oder im Interstellar kosmischer Staub und Gaswolken.[150]

Im Februar 2021, berichteten Wissenschaftler zum ersten Mal die Sequenzierung von DNA von Tierreste, a Mammut- In diesem Fall über eine Million Jahre, die älteste DNA bisher sequenziert.[151][152]

Verwendung in Technologie

Gentechnik

Weitere Informationen: Molekularbiologie, Nukleinsäuremethoden, und Gentechnik

Es wurden Methoden entwickelt, um DNA aus Organismen zu reinigen, wie z. Phenol-Chloroform-Extraktionund um es im Labor zu manipulieren, wie z. Einschränkungen verdaulich und die Polymerase Kettenreaktion. Modern Biologie und Biochemie Nehmen Sie diese Techniken in der rekombinanten DNA -Technologie intensiv ein. Rekombinante DNA ist eine von Menschen hergestellte DNA-Sequenz, die aus anderen DNA-Sequenzen zusammengesetzt wurde. Sie können sein transformiert in Organismen in Form von Plasmide oder im entsprechenden Format mit a Viralvektor.[153] Das genetisch veränderte Erzeugte Organismen können verwendet werden, um Produkte wie rekombinant zu produzieren Proteine, benutzt in medizinische Forschung,[154] oder angebaut werden Landwirtschaft.[155][156]

DNA -Profilerstellung

Weitere Informationen: DNA -Profilerstellung

Forensische Wissenschaftler kann DNA in verwenden Blut, Samen, Haut, Speichel oder Haar bei a gefunden Tatort eine passende DNA einer Person zu identifizieren, wie z. B. eines Täters.[157] Dieser Prozess wird offiziell bezeichnet DNA -Profilerstellung, auch genannt DNA-Fingerabdruck-Methode. In der DNA -Profilierung die Längen variabler Abschnitte von sich wiederholter DNA, wie z. Kurze Tandem wiederholt sich und Minisatellitenwerden zwischen Menschen verglichen. Diese Methode ist normalerweise eine äußerst zuverlässige Technik zur Identifizierung einer passenden DNA.[158] Die Identifizierung kann jedoch kompliziert werden, wenn die Szene mit DNA von mehreren Personen kontaminiert ist.[159] Die DNA -Profilerstellung wurde 1984 vom britischen Genetiker Sir entwickelt Alec Jeffreys,[160] und erstmals in der forensischen Wissenschaft eingesetzt, um Colin Pitchfork 1988 zu verurteilen Enderby Morde Fall.[161]

Die Entwicklung der forensischen Wissenschaft und die Fähigkeit, nun genetische Übereinstimmungen an winzigen Proben von Blut, Haut, Speichel oder Haaren zu erhalten, hat dazu geführt, dass viele Fälle erneut untersucht wurden. Es können nun Beweise aufgedeckt werden, die zum Zeitpunkt der ursprünglichen Untersuchung wissenschaftlich unmöglich waren. Kombiniert mit der Entfernung der Doppelte Gefahr Das Gesetz an einigen Stellen kann dies ermöglichen, dass Fälle wiedereröffnet werden, wenn frühere Prüfungen keine ausreichenden Beweise für die Überzeugung einer Jury vorgelegt haben. Personen, die wegen schwerer Verbrechen angeklagt sind, können erforderlich sein, um eine DNA -Stichprobe für passende Zwecke bereitzustellen. Die offensichtlichste Verteidigung gegen DNA-Spiele, die forensisch erhalten wurden, besteht darin, zu behaupten, dass eine Kreuzkontamination von Beweisen aufgetreten ist. Dies hat zu akribischen strengen Handhabungsverfahren mit neuen Fällen schwerer Kriminalität geführt.

Die DNA -Profilerstellung wird auch erfolgreich verwendet, um Opfer von Massenunfällen positiv zu identifizieren.[162] Körper oder Körperteile bei schweren Unfällen und einzelne Opfer in Massenkriegsgräbern durch Übereinstimmung mit Familienmitgliedern.

DNA -Profilerstellung wird auch in verwendet DNA -Vaterschaftstests Um festzustellen, ob jemand der biologische Elternteil oder Großelternteil eines Kindes mit der Wahrscheinlichkeit einer Abstammung ist, beträgt die Wahrscheinlichkeit einer Abstammung typischerweise zu 99,99%, wenn der mutmaßliche Elternteil biologisch mit dem Kind verwandt ist. Normal DNA-Sequenzierung Methoden treten nach der Geburt auf, aber es gibt neue Methoden zum Testen der Vaterschaft, während eine Mutter noch schwanger ist.[163]

DNA -Enzyme oder katalytische DNA

Weitere Informationen: Desoxyribozym

Desoxyribozyme, auch Dnazyme oder katalytische DNA genannt, wurden erstmals 1994 entdeckt.[164] Es handelt sich meisten in vitro Auswahl oder Systematische Entwicklung von Liganden durch exponentielle Anreicherung (Selex). Dnazyme katalysieren die Vielfalt chemischer Reaktionen, einschließlich RNA-DNA-Spaltung, RNA-DNA-Ligation, Aminosäuren-Phosphorylierungsdephosphorylierung, Bildung von Kohlenstoffkohlenstoffbindungen usw. Dnazyme können die katalytische Geschwindigkeit chemischer Reaktionen über die unkatalyzierte Reaktion erhöhen.[165] Die am umfassendsten untersuchte Klasse von Dnazymen sind RNA-Spannentypen, die verwendet wurden, um verschiedene Metallionen zu erkennen und therapeutische Wirkstoffe zu entwerfen. Es wurden mehrere metallspezifische Dnazyme berichtet, darunter das GR-5-Dnazyme (Bleispezifisch).[164] die CA1-3-Dnazyme (kupferspezifisch),[166] Das 39E-Dnazym (Uranylspezifisch) und das NAA43-Dnazym (natriumspezifisch).[167] Das NAA43-Dnazym, das für Natrium-Ionen für Natrium mehr als 10.000-fach ist, wurde verwendet, um in Zellen einen Echtzeit-Natriumsensor herzustellen.

Bioinformatik

Weitere Informationen: Bioinformatik

Bioinformatik beinhaltet die Entwicklung von Techniken zum Speichern, Datenmine, suchen und manipulieren biologische Daten, einschließlich DNA Nukleinsäuresequenz Daten. Diese haben zu weithin angewandten Fortschritten in geführt Informatik, besonders String -Suche Algorithmen, maschinelles Lernen, und Datenbanktheorie.[168] String -Such- oder Übereinstimmungsalgorithmen, die ein Auftreten einer Sequenz von Buchstaben in einer größeren Sequenz von Buchstaben finden, wurden entwickelt, um nach spezifischen Sequenzen von Nukleotiden zu suchen.[169] Die DNA -Sequenz kann sein ausgerichtet mit anderen DNA -Sequenzen zu identifizieren homologe Sequenzen und finden Sie die Spezifischen Mutationen Das macht sie unterschiedlich. Besonders diese Techniken, Mehrfachsequenzausrichtungwerden beim Studium verwendet phylogenetisch Beziehungen und Proteinfunktion.[170] Datensätze, die DNA -Sequenzen im Wert von ganzer Genome darstellen, wie sie von den produziert werden Humangenomprojektsind schwer zu verwenden, ohne die Anmerkungen zu verwenden, die die Orte von Genen und regulatorischen Elementen auf jedem Chromosom identifizieren. Regionen der DNA-Sequenz, die die charakteristischen Muster aufweisen, die mit Protein- oder RNA-kodierenden Genen assoziiert sind, können durch identifiziert werden Gen -Befund Algorithmen, die es den Forschern ermöglichen, das Vorhandensein von Besonderem vorherzusagen Genprodukte und ihre möglichen Funktionen in einem Organismus, noch bevor sie experimentell isoliert wurden.[171] Ganze Genome können auch verglichen werden, was auf die evolutionäre Geschichte eines bestimmten Organismus beleuchten und die Untersuchung komplexer evolutionärer Ereignisse ermöglichen kann.

DNA -Nanotechnologie

Die DNA-Struktur links (schematisch gezeigt) wird sich in die von sich visualisierte Struktur setzt Rasterkraftmikroskopie rechts. DNA -Nanotechnologie ist das Feld, das nanoskalige Strukturen mit dem entwerfen versucht molekulare Erkennung Eigenschaften von DNA -Molekülen.[172]
Weitere Informationen: DNA -Nanotechnologie

Die DNA -Nanotechnologie verwendet die Unique molekulare Erkennung Eigenschaften von DNA und anderen Nukleinsäuren zur Erzeugung selbst assemblierender verzweigter DNA-Komplexe mit nützlichen Eigenschaften.[173] DNA wird daher eher als strukturelles Material als als Träger biologischer Informationen verwendet. Dies hat zur Schaffung von zweidimensionalen periodischen Gitter geführt (sowohl fliesenbasierte als auch die Verwendung der DNA Origami Methode) und dreidimensionale Strukturen in den Formen von Polyeder.[174] Nanomechanische Geräte und Algorithmische Selbstorganisation wurden auch demonstriert,[175] und diese DNA -Strukturen wurden verwendet, um die Anordnung anderer Moleküle wie z. Goldnanopartikel und Streptavidin Proteine.[176] DNA und andere Nukleinsäuren sind die Grundlage für Aptamer, synthetische Oligonukleotidliganden für spezifische Zielmoleküle, die in einer Reihe von Biotechnologie und biomedizinischen Anwendungen verwendet werden.[177]

Geschichte und Anthropologie

Weitere Informationen: Phylogenetik und Genetische Genealogie

Da DNA im Laufe der Zeit Mutationen sammelt, die dann vererbt werden, enthält sie historische Informationen, und durch Vergleich von DNA -Sequenzen können Genetiker die Evolutionsgeschichte von Organismen schließen, ihre Phylogenie.[178] Dieses Feld der Phylogenetik ist ein leistungsfähiges Werkzeug in Evolutionsbiologie. Wenn DNA -Sequenzen innerhalb einer Spezies verglichen werden, Bevölkerungsgenetiker kann die Geschichte bestimmter Populationen lernen. Dies kann in Studien verwendet werden, die von Ökologische Genetik zu Anthropologie.

Informationsspeicher

Hauptartikel: DNA Digitale Datenspeicherung

DNA als a Speichermedium Für Informationen hat ein enormes Potenzial, da es viel höher ist Speicherdichte Im Vergleich zu elektronischen Geräten. Allerdings hohe Kosten, langsame Lesen und Schreibzeiten (Speicherlatenz) und unzureichend Verlässlichkeit hat seine praktische Verwendung verhindert.[179][180]

Geschichte

Weitere Informationen: Geschichte der Molekularbiologie
Maclyn McCarty (links) schüttelt die Hand mit Francis Crick und James Watson, Co-Originatoren des Doppel-Helix-Modells.
Bleistiftskizze der DNA -Doppelhelix von Francis Crick im Jahr 1953

DNA wurde zuerst vom Schweizer Arzt isoliert Friedrich Miescher Wer 1869 eine mikroskopische Substanz in der entdeckte Eiter von weggeworfenen chirurgischen Bandagen. Da es sich in den Zellenkernen befand, nannte er es "Nuclein".[181][182] Im Jahr 1878, Albrecht Kossel isolierte die Nicht-Protein-Komponente von "Nuclein", Nukleinsäure und isolierte später ihre fünf Primär Nucleobasen.[183][184]

Im Jahr 1909, Phoebus levene identifizierte die Base-, Zucker- und Phosphat -Nukleotideinheit der RNA (damals als "Hefe -Nukleinsäure" bezeichnet).[185][186][187] Im Jahr 1929 identifizierte Levene Desoxyribosezucker in "Thymus -Nukleinsäure" (DNA).[188] Levene schlug vor, dass die DNA aus einer Reihe von vier Nukleotideinheiten bestand, die durch die Phosphatgruppen miteinander verbunden waren ("Tetranukleotidhypothese"). Levene dachte, die Kette sei kurz und die Basen in einer festen Reihenfolge wiederholt. Im Jahr 1927, Nikolai Koltsov schlug vor, dass vererbte Merkmale über ein "riesiges erbliches Molekül" geerbt würden, das sich aus "zwei Spiegelsträngen, die sich semi-konservativ mit jedem Strang als Vorlage replizieren würden" bestehen würden.[189][190] 1928, Frederick Griffith in seinem Experiment entdeckte das Züge der "glatten" Form von Pneumokokken Könnte auf die "raue" Form der gleichen Bakterien übertragen werden, indem getötete "glatte" Bakterien mit der lebenden "rauen" Form gemischt werden.[191][192] Dieses System lieferte den ersten eindeutigen Vorschlag, dass DNA genetische Informationen enthält.

Im Jahr 1933 während des Studiums von Jungfrau Seeigel Eier, Jean Brachet schlug vor, dass DNA in der gefunden wird Zellkern und das RNA ist ausschließlich in der vorhanden Zytoplasma. Zu dieser Zeit wurde angenommen, dass "Hefe -Nukleinsäure" (RNA) nur in Pflanzen auftritt, während "Thymus -Nukleinsäure" (DNA) nur bei Tieren. Letzteres wurde als Tetramer mit der Funktion des pufferenden ZellpH -Werts angenommen.[193][194]

1937, William Astbury produzierte die ersten Röntgenbeugungsmuster, die zeigten, dass DNA eine regelmäßige Struktur aufwies.[195]

1943, Oswald Averyzusammen mit Mitarbeitern Colin MacLeod und Maclyn McCarty, identifizierte DNA als die transformierendes Prinzip, Unterstützung von Griffiths Vorschlag (Avery -Macleod -McCarty -Experiment).[196] Erwin Chargaff entwickelte und veröffentlichte Beobachtungen, die jetzt als bekannt als als bezeichnet als Die Regeln von Chargaffmit der Angabe der in DNA von allen Arten eines Organismus die Menge an Guanine sollte gleich sein Zytosin und die Menge an Adenin sollte gleich sein Thymin.[197][198] Ende 1951, Francis Crick begann mit zu arbeiten mit James Watson Bei der Cavendish Laboratory innerhalb der Universität von Cambridge. DNAs Rolle in Vererbung wurde 1952 bestätigt, als Alfred Hershey und Martha Chase in dem Hershey -Chase -Experiment zeigte, dass DNA die ist Genmaterial des Enterobakterien Phage T2.[199]

A Blaue Plakette außen Der Adler Pub Gedenken an Crick und Watson

Im Mai 1952, Raymond Gosling, ein Doktorand, der unter der Aufsicht von Rosalind Franklin, nahm eine Röntgenbeugung Bild, als "bezeichnet"Foto 51",",[200] Bei hohen Hydratationsniveaus von DNA. Dieses Foto wurde Watson und Crick von gegeben Maurice Wilkins und war entscheidend, um die korrekte Struktur der DNA zu erhalten. Franklin erzählte Crick und Watson, dass die Rückgrat auf der Außenseite sein müssten. Vorher hatte Linus Pauling und Watson und Crick fehlerhafte Modelle mit den Ketten im Inneren und den Basen nach außen. Franklins Identifizierung der Raumgruppe Für DNA -Kristalle, die Crick enthüllt haben, dass die beiden DNA -Stränge waren Antiparallel.[201]

Im Februar 1953, Linus Pauling und Robert Corey schlug ein Modell für Nukleinsäuren vor, die drei miteinander verflochtene Ketten mit den Phosphaten in der Nähe der Achse und den Basen von außen enthielten.[202] Watson und Crick haben ihr Modell abgeschlossen, das jetzt als erstes korrektes Modell der Doppelhelix von akzeptiert wird DNA. Am 28. Februar 1953 unterbrach Crick die Mittagszeit der Gäste bei Der Adler Pub in Cambridge, um bekannt zu geben, dass er und Watson "das Geheimnis des Lebens entdeckt hatten".[203]

Die Ausgabe vom 25. April 1953 des Journals Natur veröffentlichte eine Reihe von fünf Artikeln, die die DNA-Struktur von Watson und Crick mit DNA und Beweisen, die sie unterstützen, vergeben.[204] Die Struktur wurde in einem Brief mit dem Titel "gemeldet"Molekülstruktur von Nukleinsäuren, eine Struktur für Desoxyribose -Nukleinsäure", in dem sie sagten:" Es ist nicht unserem Hinweis entkommen, dass die spezifische Paarung, die wir postuliert haben, sofort einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material vorschlägt. "[9] Auf diesem Brief folgte ein Brief von Franklin und Gosling, der die erste Veröffentlichung ihrer eigenen Röntgenbeugungsdaten und ihrer ursprünglichen Analysemethode war.[42][205] Dann folgte einem Brief von Wilkins und zwei seiner Kollegen, die eine Analyse von enthielten In vivo B-DNA-Röntgenmuster, die das Vorhandensein stützten In vivo der Watson- und Crick -Struktur.[43]

1962 erhielten nach Franklins Tod Watson, Crick und Wilkins gemeinsam die Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.[206] Nobelpreise werden nur an lebende Empfänger vergeben. Eine Debatte setzt sich fort darüber, wer die Entdeckung Kredit erhalten sollte.[207]

In einer einflussreichen Präsentation im Jahr 1957 legte Crick das an zentrales Dogma der molekularen Biologie, die die Beziehung zwischen DNA, RNA und Proteinen voraussagte und die "Adapterhypothese" artikulierte.[208] Endgültige Bestätigung des Replikationsmechanismus, der durch die doppelhelikale Struktur impliziert wurde, folgte 1958 durch die Meselson -Stahl -Experiment.[209] Weitere Arbeiten von Crick und Mitarbeitern zeigten, dass der genetische Code auf nicht überlappenden Tripletts von Basen beruhte, genannt Codons, erlauben Har Gobind Khorana, Robert W. Holley, und Marshall Warren Nirenberg Um den genetischen Code zu entschlüsseln.[210] Diese Ergebnisse repräsentieren die Geburt von Molekularbiologie.[211]

Siehe auch

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