Meghatározás
A kettős spirál az örökítő molekulánk, a DNS alakjának leírására használt kifejezés. Ez az azonnal felismerhető szerkezet két, egymás köré csavart DNS-szálból áll, amelyeket középen hidrogénkötés köt össze. A hidrogénkötések a nukleotidok – a DNS ismétlődő egysége és a genetikai kód nyelve – között alakulnak ki.
A DNS kettős spirál szerkezetét James Watson és Francis Crick 1950-es években végzett, James Watson és Francis Crick nevéhez fűződő, mérföldkőnek számító kutatásai során fedezték fel. Ezt a felfedezést a biológia eddigi egyik legfontosabb vívmányának tartják. A DNS kettős spirál felfedezésének történetéhez ellentmondások is fűződnek: azt állítják, hogy az érintett tudósok nem ismerték el mások, nevezetesen Rosalind Franklin hozzájárulását.
A DNS szerkezetének áttekintése
A DNS minden szála nukleotidoknak nevezett ismétlődő egységek sorozatából áll. Ezért a DNS minden egyes szálát polinukleotidnak nevezzük. Ezek a nukleotidok három összetevőből állnak:
- egy öt szénatomos cukor (dezoxiribóz)
- egy foszfátcsoport
- egy nitrogén bázis
Az egyik nukleotid dezoxiribózcukor 4. szénatomja foszfodiészterkötést képez a szomszédos bázis foszfátcsoportjával. Ez képezi a DNS-szál cukor-foszfát gerincének alapját.
A nitrogénbázisok a DNS “nyelve”. A DNS-ben négy nitrogénbázis van: guanin (G), adenin (A), timin (T) és citozin (C). Szerkezetük alapján két csoportra oszthatók. A guanin és az adenin purinok, két szénatomos nitrogéngyűrűvel; a timin és a citozin pedig pirimidinek, egy szénatomos nitrogéngyűrűvel.
A DNS-molekulákban e négy betű kombinációját nevezzük genetikai kódnak, és ez a kód tartalmazza az összes utasítást egy egész szervezet felépítéséhez és működtetéséhez!
Ezek a polinukleotidszálak mindegyike egy-egy komplementer szálhoz párosul, és egymás köré tekeredve alkotják a kettős spirál szerkezetét. Hogyan fedezték fel ezt a bonyolult szerkezetet?
A DNS kettős spirál szerkezetének felfedezése
A DNS kettős spirál szerkezetének felfedezése az egyik legfontosabb és legismertebb tudományos áttörés. A felfedezést James Watson biológusnak és Francis Crick fizikusnak tulajdonítják az 1950-es években. Később Nobel-díjat kaptak kutatásukért, Maurice Wilkinsszel együtt, akinek az áttöréshez vezető kutatásban játszott fontos szerepéről gyakran megfeledkeznek. Önéletrajzának címe ugyanis “A kettős spirál harmadik embere”.
Eredményeik publikálása előtt már sok kutatást végeztek, és némi fényt derítettek a DNS összetételére. Például már ismert volt, hogy a DNS nukleotidokból áll, és hogy a purinok: pirimidinek aránya egy DNS-molekulában egyenlő (ez az úgynevezett Chargaff-szabály).
Watson és Crick úgy vezették le modelljüket, hogy ezeket a bizonyítékokat, valamint a Rosalind Franklin által gyűjtött röntgenkrisztallográfiai adatokat egy olyan szerkezetbe illesztették, amely megfelelt az összes korábban gyűjtött bizonyíték paramétereinek. Egy sor kartonpapír-modellt használtak, gondosan felépítve őket, amíg egy értelmes szerkezetet nem alkottak. Ezáltal olyan modellt alkottak, amelyet évtizedekkel később is széles körben pontosnak tartanak. Az eredeti, megjegyzésekkel ellátott tanulmány itt olvasható.
Amikor befejezték a kutatást, állítólag “heuréka” pillanatuk volt, és Crick berohant a helyi kocsmájukba Cambridge-ben, hogy bejelentse, hogy ő és Watson “felfedezték az élet titkát.”
A The Eagle nevű kocsmában egy belső és egy külső emléktáblát állítottak az esemény emlékére. Az emléktáblát egy alkalommal a közönség egyik tagja módosította, és a következő szöveget tette hozzá: “+ Franklin, Rosalind Franklin fontos szerepének elismeréseként!”
A DNS kettős spirál szerkezetének jellemzői
A DNS kettős spirál Watson/Crick modelljének néhány fontos jellemzője:
Helix irányultsága
A DNS egyetlen molekulája két szálból áll, amelyek egymás köré csavarodva spirált alkotnak. A spirál körülbelül tíz nukleotidonként egyszer fordul el. A spirál iránya majdnem mindig jobboldali, azaz ha a két szálat úgy képzeljük el, mint egy csigalépcsőt, amelyen éppen lefelé akarunk menni, akkor jobbra kell fordulnunk, ha lefelé akarunk menni. A spirál külső része tartalmazza a DNS-szálakat, a spirál magja pedig a nitrogénbázisokat.
Komplementer bázispárosodás
Amikor az egyes szálak nukleotidjai hidrogénkötésen mennek keresztül, ezt sajátos módon teszik. Az adeninek mindig párosodnak timinnel és citozinnal, és mindig párosodnak guaninnal. A guanin és a citozin között három, a timinek és a guaninok között pedig két hidrogénkötés van. Így a DNS-szálakról azt mondják, hogy komplementárisak egymással.
Genetikai kód
A nukleotidok sorrendje az egyes szervezetek között változó, és ez tartalmazza a genetikai információt, és ez teszi egyedivé az egyes szervezeteket. A DNS szekvenciája generációk között terjed. Így a DNS-szekvencia elengedhetetlen az élet fennmaradásához.
Antiparallel orientáció
A DNS-szálak egymással antiparallel futnak. Ez azt jelenti, hogy egy adott molekula végén az egyik szál egy foszfátcsoporton végződik (5′-nek nevezik, mert a foszfátcsoport az ötödik szénatomhoz kapcsolódik), a másik szál pedig egy hidroxilcsoporton (3′-nak nevezik, mert az OH-csoport a harmadik szénatomon található). A molekula másik végére ennek az ellenkezője igaz.
Nagy és kis barázdák
A DNS szerkezete azt jelenti, hogy a két szál gerince a spirál egyik oldalán közelebb van egymáshoz, mint a másik oldalon. Ahol közelebb vannak egymáshoz, ott a szerkezetet nagy barázdának nevezzük. Ahol távolabb vannak egymástól, ott a szerkezetet kis barázdának nevezzük.
Ezek az oldalak funkcionálisan fontosak, mivel bizonyos fehérjék előnyösen kötődnek a nagy barázdához. Ezek a fehérjék általában olyan faktorok, amelyeknek kölcsönhatásba kell lépniük a nukleotidokkal, például a transzkripciós faktorok vagy a DNS-replikációs enzimek. Ezzel szemben más fehérjék, amelyeknek nincs szükségük a szekvenciaspecifikusságra, a kis barázdával lépnek kölcsönhatásba.
A feltekercselő enzim
Hogy a DNS továbbadható legyen a következő generációnak, másolni kell. A hű másoláshoz a kettős spirált fel kell tekerni vagy ki kell bontani, hogy a sejtgépezet hozzáférjen a nukleotidszekvenciához. Ezt a kibontást a helikáz enzim végzi.
A helikáz feladata a DNS szerkezetének átalakítása a páros nukleotidok közötti hidrogénkötések felbontásával. A DNS-helikáz a DNS-károsodások javítása és az átírás folyamata során is fontos szerepet játszik.
Alternatív DNS-szerkezetek
Watson és Crick modellje a DNS leggyakoribb szerkezetére, az úgynevezett B-DNS-re utal. A DNS két további konformációja sokkal ritkább a természetben: A Z-DNS és az A-DNS. A Z-DNS egy balkezes spirál, amelyben nincsenek erős különbségek, amelyek meghatározzák a nagy és kis barázdákat. Az A-DNS szerkezetében sokkal inkább hasonlít a B-DNS-re, de tömörebb és kompaktabb.