Konzepte der Biologie – 1. kanadische Ausgabe

Francis Crick und James Watson arbeitete zusammen an der University of Cambridge, England, um die Struktur der DNA zu bestimmen. Andere Wissenschaftler wie Linus Pauling und Maurice Wilkins erforschten dieses Gebiet ebenfalls aktiv., Pauling hatte mithilfe der Röntgenkristallographie die Sekundärstruktur von Proteinen entdeckt. Röntgenkristallographie ist eine Methode zur Untersuchung der molekularen Struktur durch Beobachtung der Muster, die durch Röntgenstrahlen gebildet werden, die durch einen Kristall der Substanz geschossen werden. Die Muster geben wichtige Informationen über die Struktur des Moleküls von Interesse. In Wilkins ‚ Labor verwendete die Forscherin Rosalind Franklin die Röntgenkristallographie, um die Struktur der DNA zu verstehen. Watson und Crick konnten das Rätsel des DNA-Moleküls mithilfe von Franklins Daten zusammensetzen (Abbildung 9.2)., Watson und Crick hatten auch wichtige Informationen von anderen Forschern wie Chargaff ‚ s rules. Chargaff hatte gezeigt, dass von den vier Arten von Monomeren (Nukleotiden), die in einem DNA-Molekül vorhanden waren, immer zwei Typen in gleichen Mengen vorhanden waren und die verbleibenden zwei Typen auch immer in gleichen Mengen vorhanden waren. Dies bedeutete, dass sie immer in irgendeiner Weise gepaart wurden. 1962 erhielten James Watson, Francis Crick und Maurice Wilkins den Nobelpreis für Medizin für ihre Arbeit zur Bestimmung der DNA-Struktur.,

Betrachten wir nun die Struktur der beiden Arten von Nukleinsäuren, Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Die Bausteine der DNA sind Nukleotide, die aus drei Teilen bestehen: einer Desoxyribose (5-Kohlenstoff-Zucker), einer Phosphatgruppe und einer stickstoffhaltigen Base (Abbildung 9.3). Es gibt vier Arten von stickstoffhaltigen Basen in der DNA., Adenine (A) and guanine (G) are double-ringed purines, and cytosine (C) and thymine (T) are smaller, single-ringed pyrimidines. The nucleotide is named according to the nitrogenous base it contains.

Die Phosphatgruppe eines Nukleotids bindet kovalent mit dem Zuckermolekül des nächsten Nukleotids und so weiter und bildet ein langes Polymer von Nukleotidmonomeren. Die Zucker-Phosphat-Gruppen reihen sich in einem „Rückgrat“ für jeden einzelnen DNA-Strang aneinander, und die Nukleotidbasen ragen aus diesem Rückgrat heraus. Die Kohlenstoffatome des Fünf-Kohlenstoff-Zuckers werden im Uhrzeigersinn vom Sauerstoff als nummeriert 1′, 2′, 3′, 4′, und 5′ (1′ wird als „eine Primzahl“gelesen)., Die Phosphatgruppe ist an den 5′ Kohlenstoff eines Nukleotids und den 3′ Kohlenstoff des nächsten Nukleotids gebunden. In seinem natürlichen Zustand besteht jedes DNA-Molekül tatsächlich aus zwei einzelnen Strängen, die entlang ihrer Länge mit Wasserstoffbrücken zwischen den Basen zusammengehalten werden.

Watson und Crick schlugen vor, dass die DNA aus zwei Strängen besteht, die umeinander verdreht sind, um eine rechtshändige Helix zu bilden, die als Doppelhelix bezeichnet wird. Die Basenpaarung findet zwischen Purin und Pyrimidin statt: nämlich A-Paare mit T und G-Paare mit C., Mit anderen Worten, Adenin und Thymin sind komplementäre Basenpaare, und Cytosin und Guanin sind auch komplementäre Basenpaare. Dies ist die Grundlage für Chargaffs Regel; Aufgrund ihrer Komplementarität gibt es in einem DNA-Molekül so viel Adenin wie Thymin und so viel Guanin wie Cytosin. Adenin und Thymin sind durch zwei Wasserstoffbrücken verbunden, und Cytosin und Guanin sind durch drei Wasserstoffbrücken verbunden., Die beiden Stränge sind antiparalleler Natur; das heißt, ein Strang hat den 3 ‚Kohlenstoff des Zuckers in der“ aufwärts „- Position, während der andere Strang den 5‘ Kohlenstoff in der Aufwärtsposition hat. Der Durchmesser der DNA – Doppelhelix ist durchgehend einheitlich, da ein Purin (zwei Ringe) immer mit einem Pyrimidin (ein Ring) paart und ihre kombinierten Längen immer gleich sind. (Abbildung 9.4).

In allen Zellen befindet sich eine zweite Nukleinsäure namens Ribonukleinsäure oder RNA. Wie DNA ist RNA ein Polymer von Nukleotiden. Jedes der Nukleotide in RNA besteht aus einer stickstoffhaltigen Base, einem Fünf-Kohlenstoff-Zucker und einer Phosphatgruppe. Im Falle von RNA ist der Fünf-Kohlenstoff-Zucker Ribose, nicht Desoxyribose., Ribose hat eine Hydroxylgruppe am 2′ Kohlenstoff, im Gegensatz zu Desoxyribose, die nur ein Wasserstoffatom hat (Abbildung 9.5).

– RNA-Nukleotide enthalten die stickstoffhaltigen Basen Adenin, Cytosin und Guanin., Sie enthalten jedoch kein Thymin, das stattdessen durch Uracil ersetzt wird, symbolisiert durch ein „U.“ RNA existiert als einzelsträngiges Molekül und nicht als doppelsträngige Helix. Molekularbiologen haben verschiedene Arten von RNA auf der Grundlage ihrer Funktion benannt. Dazu gehören Messenger-RNA (mRNA), Transfer—RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA) – Moleküle, die an der Produktion von Proteinen aus dem DNA-Code beteiligt sind.,

Wie DNA in der Zelle angeordnet ist

DNA ist ein funktionierendes Molekül; Es muss repliziert werden, wenn eine Zelle bereit ist, sich zu teilen, und es muss „gelesen“ werden, um die Moleküle wie Proteine zu produzieren, um die Funktionen der Zelle auszuführen. Aus diesem Grund wird die DNA auf sehr spezifische Weise geschützt und verpackt. Darüber hinaus können DNA-Moleküle sehr lang sein. Gestreckt von Ende zu Ende würden die DNA-Moleküle in einer einzelnen menschlichen Zelle eine Länge von etwa 2 Metern erreichen., Daher muss die DNA für eine Zelle sehr geordnet verpackt sein, um in eine Struktur (die Zelle) zu passen und zu funktionieren, die mit bloßem Auge nicht sichtbar ist. Die Chromosomen von Prokaryoten sind in vielen ihrer Merkmale viel einfacher als die von Eukaryoten (Abbildung 9.6). Die meisten Prokaryoten enthalten ein einzelnes, zirkuläres Chromosom, das sich in einem Bereich im Zytoplasma befindet, der als Nukleoid bezeichnet wird.

Die Größe des Genoms in einem der am besten untersuchten Prokaryoten, Escherichia coli, beträgt 4,6 Millionen Basenpaare, die sich bei Ausdehnung um etwa 1,6 mm erstrecken würden. Wie passt das in eine kleine Bakterienzelle? Die DNA wird in der sogenannten Supercoiling über die Doppelhelix hinaus verdreht., Es ist bekannt, dass einige Proteine am Supercoiling beteiligt sind; Andere Proteine und Enzyme helfen bei der Aufrechterhaltung der Supercoiled-Struktur.

Eukaryoten, deren Chromosomen jeweils aus einem linearen DNA-Molekül bestehen, verwenden eine andere Art von Verpackungsstrategie, um ihre DNA in den Kern einzupassen. Auf der grundlegendsten Ebene wird DNA um Proteine gewickelt, die als Histone bekannt sind, um Strukturen zu bilden, die als Nukleosomen bezeichnet werden. Die DNA ist eng um den Histonkern gewickelt. Dieses Nukleosom ist durch einen kurzen DNA-Strang, der frei von Histonen ist, mit dem nächsten verbunden., Dies wird auch als „Perlen an einer Schnur“ Struktur bekannt; Die Nukleosomen sind die “ Perlen „und die kurzen DNA-Längen zwischen ihnen sind die“ Schnur.“Die Nukleosomen, mit ihrer DNA um sie herum aufgewickelt, stapeln sich kompakt aufeinander, um eine 30-nm–breite Faser zu bilden. Diese Faser wird weiter in eine dickere und kompaktere Struktur gewickelt. Im Metaphasenstadium der Mitose, wenn die Chromosomen in der Mitte der Zelle aufgereiht sind, sind die Chromosomen am stärksten verdichtet. Sie sind ungefähr 700 nm breit und werden in Verbindung mit Gerüstproteinen gefunden.,

In der Interphase, der Phase des Zellzyklus zwischen Mitosen, in der die Chromosomen dekondensiert sind, haben eukaryotische Chromosomen zwei verschiedene Regionen, die durch Färbung unterschieden werden können. Es gibt eine dicht verpackte Region, die dunkel färbt, und eine weniger dichte Region. Die dunkel gefärbten Regionen enthalten normalerweise Gene, die nicht aktiv sind, und befinden sich in den Regionen des Zentromers und der Telomere. Die leicht färbenden Regionen enthalten normalerweise aktive Gene, wobei DNA um Nukleosomen verpackt, aber nicht weiter verdichtet ist.,

Section Summary

The model of the double-helix structure of DNA was proposed by Watson and Crick., Das DNA-Molekül ist ein polymer von nukleotiden. Jedes Nukleotid besteht aus einer stickstoffhaltigen Base, einem Fünf-Kohlenstoff-Zucker (Desoxyribose) und einer Phosphatgruppe. Es gibt vier stickstoffhaltige Basen in der DNA, zwei Purine (Adenin und Guanin) und zwei Pyrimidine (Cytosin und Thymin). Ein DNA-Molekül besteht aus zwei Strängen. Jeder Strang besteht aus Nukleotiden, die kovalent zwischen der Phosphatgruppe eines und dem Desoxyribosezucker des nächsten verbunden sind. Von diesem Rückgrat erstrecken sich die Basen. Die Basen eines Strangs verbinden sich mit Wasserstoffbrücken mit den Basen des zweiten Strangs., Adenin bindet immer mit Thymin und Cytosin bindet immer mit Guanin. Die Bindung bewirkt, dass sich die beiden Stränge in einer Form, die als Doppelhelix bezeichnet wird, umeinander drehen. Ribonukleinsäure (RNA) ist eine zweite Nukleinsäure, die in Zellen vorkommt. RNA ist ein einzelsträngiges Polymer von Nukleotiden. Es unterscheidet sich auch von DNA dadurch, dass es die Zuckerribose anstelle von Desoxyribose und das Nukleotid Uracil anstelle von Thymin enthält. Verschiedene RNA-Moleküle funktionieren bei der Bildung von Proteinen aus dem genetischen Code in der DNA.

Prokaryoten enthalten ein einzelnes, doppelsträngiges kreisförmiges Chromosom., Eukaryoten enthalten doppelsträngige lineare DNA-Moleküle, die in Chromosomen verpackt sind. Die DNA-Helix ist um Proteine gewickelt, um Nukleosomen zu bilden. Die Proteinspulen werden weiter aufgewickelt, und während der Mitose und Meiose werden die Chromosomen noch stärker gewickelt, um ihre Bewegung zu erleichtern. Chromosomen haben zwei verschiedene Bereiche, die durch Färbung unterschieden werden können, die unterschiedliche Verpackungsgrade widerspiegeln und dadurch bestimmt werden, ob die DNA in einer Region exprimiert wird (Euchromatin) oder nicht (Heterochromatin).,