Doppelhelix

Definition

Doppelhelix ist der Begriff, der die Form unseres Erbmoleküls, der DNA, beschreibt. Diese sofort erkennbare Struktur besteht aus zwei umeinander gewundenen DNA-Strängen, die in der Mitte durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind. Die Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich zwischen Nukleotiden – der sich wiederholenden Einheit der DNA und der Sprache des genetischen Codes.

Die Doppelhelix-Struktur der DNA wurde in bahnbrechenden Forschungen aufgedeckt, die James Watson und Francis Crick in den 1950er Jahren zugeschrieben werden. Diese Entdeckung gilt als einer der wichtigsten Fortschritte in der Biologie bis heute. Die Geschichte der Entdeckung der DNA-Doppelhelix ist auch nicht unumstritten, denn es wird behauptet, dass die beteiligten Wissenschaftler die Beiträge anderer, insbesondere von Rosalind Franklin, nicht anerkannt haben.

Ein Überblick über die Struktur der DNA

Jeder DNA-Strang besteht aus einer Reihe sich wiederholender Einheiten, die Nukleotide genannt werden. Daher wird jeder DNA-Strang als Polynukleotid bezeichnet. Diese Nukleotide bestehen aus drei Komponenten:

• einem Fünf-Kohlenstoff-Zucker (Desoxyribose)
• einer Phosphatgruppe
• einer stickstoffhaltigen Base

Der vierte Kohlenstoff des Desoxyribosezuckers eines Nukleotids bildet eine Phosphodiesterbindung mit der Phosphatgruppe der benachbarten Base. Dies bildet die Grundlage des Zucker-Phosphat-Rückgrats des DNA-Strangs.

Die stickstoffhaltigen Basen sind die „Sprache“ der DNA. Es gibt vier stickstoffhaltige Basen in der DNA: Guanin (G), Adenin (A), Thymin (T) und Cytosin (C). Sie können aufgrund ihrer Struktur in zwei Gruppen eingeteilt werden. Guanin und Adenin sind Purine mit einem Zwei-Kohlenstoff-Stickstoffring; Thymin und Cytosin sind Pyrimidine mit einem Ein-Kohlenstoff-Stickstoffring.

Die Kombination dieser vier Buchstaben in den DNA-Molekülen nennen wir den genetischen Code, und dieser Code enthält alle Anweisungen für den Aufbau und das Funktionieren eines ganzen Organismus!

Jeder dieser Polynukleotidstränge ist mit einem komplementären Strang gepaart und wickelt sich um den anderen, um die Doppelhelixstruktur zu bilden. Wie wurde diese komplexe Struktur aufgedeckt?

Die Entdeckung der Doppelhelixstruktur der DNA

Die Entdeckung der Doppelhelixstruktur der DNA ist einer der wichtigsten und bekanntesten wissenschaftlichen Durchbrüche. Die Entdeckung wurde in den 1950er Jahren dem Biologen James Watson und dem Physiker Francis Crick zugeschrieben. Sie erhielten später den Nobelpreis für ihre Forschungen, ebenso wie Maurice Wilkins, dessen wichtige Rolle bei den Forschungen, die zu diesem Durchbruch führten, oft übersehen wird. Seine Autobiographie trägt den Titel „Der dritte Mann der Doppelhelix“.

Vor der Veröffentlichung ihrer Ergebnisse war die Zusammensetzung der DNS bereits weitgehend erforscht und erhellt worden. So war beispielsweise bereits bekannt, dass die DNS aus Nukleotiden besteht und dass das Verhältnis von Purinen zu Pyrimidinen in einem DNS-Molekül gleich ist (bekannt als Chargaff-Regel).

Watson und Crick leiteten ihr Modell ab, indem sie diese Beweise sowie die von Rosalind Franklin gesammelten Röntgenkristallographie-Daten in eine Struktur einbrachten, die den Parametern aller zuvor gesammelten Beweise entsprach. Sie verwendeten eine Reihe von Kartonmodellen, die sie sorgfältig konstruierten, bis sie eine sinnvolle Struktur ergaben. Auf diese Weise schufen sie ein Modell, das auch Jahrzehnte später noch weitgehend als korrekt gilt. Die Originalarbeit mit allen Anmerkungen können Sie hier lesen.

Nach Abschluss ihrer Forschungen hatten sie angeblich einen „Heureka“-Moment, und Crick rannte in die örtliche Kneipe in Cambridge, um zu verkünden, dass er und Watson „das Geheimnis des Lebens entdeckt“ hätten.

Die Kneipe, The Eagle, errichtete eine Gedenktafel im Inneren und eine im Freien, um an das Ereignis zu erinnern. Die Tafel wurde einmal von einem Bürger geändert, der „+ Franklin in Anerkennung der wichtigen Rolle, die Rosalind Franklin gespielt hat“

Die Merkmale der DNA-Doppelhelix-Struktur

Zu den wichtigen Merkmalen des Watson/Crick-Modells der DNA-Doppelhelix gehören:

Helix-Richtung

Ein einzelnes DNA-Molekül besteht aus zwei Strängen, die sich umeinander drehen und so eine Helix bilden. Die Helix dreht sich etwa alle zehn Nukleotide einmal. Die Richtung der Helix ist fast immer rechtsdrehend, d.h. wenn man sich die beiden Stränge wie eine Wendeltreppe vorstellt, die man hinuntergehen will, muss man sich nach rechts drehen, um hinunterzugehen. Die Außenseite der Helix enthält die DNA-Stränge, und der Kern der Helix enthält die stickstoffhaltigen Basen.

Komplementäre Basenpaarung

Wenn die Nukleotide eines jeden Strangs eine Wasserstoffbrückenbindung eingehen, tun sie dies auf eine bestimmte Weise. Adenine sind immer mit Thyminen und Cytosinen und immer mit Guaninen gepaart. Zwischen Guanin und Cytosin gibt es drei Wasserstoffbrückenbindungen, zwischen Thyminen und Guaninen zwei. Daher sagt man, dass die DNA-Stränge zueinander komplementär sind.

Genetischer Code

Die Sequenz der Nukleotide ist von Organismus zu Organismus unterschiedlich und ist das, was die genetische Information enthält und jeden Organismus einzigartig macht. Die DNA-Sequenz wird von Generation zu Generation weitergegeben. Daher ist die DNA-Sequenz für den Fortbestand des Lebens unerlässlich.

Antiparallele Ausrichtung

Die DNA-Stränge verlaufen antiparallel zueinander. Das bedeutet, dass am Ende eines bestimmten Moleküls ein Strang an einer Phosphatgruppe endet (5′ genannt, weil sich die Phosphatgruppe am fünften Kohlenstoff befindet) und der andere Strang an einer Hydroxylgruppe endet (3′ genannt, weil sich die OH-Gruppe am dritten Kohlenstoff befindet). Für das andere Ende des Moleküls gilt das Gegenteil.

Haupt- und Nebenfurchen

Die Struktur der DNA bedeutet, dass das Rückgrat der beiden Stränge auf einer Seite der Helix näher beieinander liegt als auf der anderen. Dort, wo sie näher beieinander liegen, wird die Struktur als Hauptfurche bezeichnet. Wo sie weiter voneinander entfernt sind, nennt man die Struktur die Nebenrille.

Diese Seiten sind funktionell wichtig, da bestimmte Proteine bevorzugt an die Hauptrille binden. Bei diesen Proteinen handelt es sich in der Regel um Faktoren, die mit den Nukleotiden interagieren müssen, wie Transkriptionsfaktoren oder DNA-Replikationsenzyme. Andere Proteine, die keine Sequenzspezifität benötigen, interagieren dagegen mit der Nebenrille.

Das Abwicklungsenzym

Damit die DNA an die nächste Generation weitergegeben werden kann, muss sie kopiert werden. Damit die Doppelhelix originalgetreu vervielfältigt werden kann, muss sie aufgerollt werden, damit die Zellmaschinerie Zugriff auf die Nukleotidsequenz hat. Dies geschieht durch das Enzym Helicase.

Die Funktion der Helicase besteht darin, die Struktur der DNA umzugestalten, indem sie die Wasserstoffbrücken zwischen den gepaarten Nukleotiden bricht. Die DNA-Helikase ist auch bei der Reparatur von DNA-Schäden und bei der Transkription von Bedeutung.

Alternative DNA-Strukturen

Das Modell von Watson und Crick bezieht sich auf die häufigste Struktur der DNA, die sogenannte B-DNA. Zwei weitere Konformationen der DNA sind in der Natur viel seltener: Z-DNA und A-DNA. Z-DNA ist eine linkshändige Helix ohne starke Unterschiede, die Haupt- und Nebenfurchen definieren. A-DNA ist in ihrer Struktur der B-DNA sehr viel ähnlicher, ist aber komprimierter und kompakter.

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