In den 1950er Jahren arbeiteten Francis Crick und James Watson an der Universität von Cambridge, England, zusammen, um die Struktur der DNA zu bestimmen. Auch andere Wissenschaftler, wie Linus Pauling und Maurice Wilkins, waren auf diesem Gebiet aktiv. Pauling hatte mit Hilfe der Röntgenkristallographie die Sekundärstruktur von Proteinen entdeckt. Die Röntgenkristallographie ist eine Methode zur Untersuchung der Molekülstruktur, bei der die Muster beobachtet werden, die durch Röntgenstrahlen entstehen, 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 Puzzle des DNA-Moleküls mithilfe von Franklins Daten zusammensetzen (Abbildung 9.2). Watson und Crick hatten auch wichtige Informationen von anderen Forschern zur Verfügung, wie z. B. Chargaffs Regeln. Chargaff hatte gezeigt, dass von den vier Arten von Monomeren (Nukleotiden), die in einem DNA-Molekül vorhanden sind, zwei Arten immer in gleichen Mengen vorhanden waren und die restlichen zwei Arten ebenfalls immer in gleichen Mengen vorhanden waren. Dies bedeutete, dass sie immer in irgendeiner Weise gepaart waren. 1962 erhielten James Watson, Francis Crick und Maurice Wilkins den Nobelpreis für Medizin für ihre Arbeiten zur Aufklärung der Struktur der DNA.

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. Adenin (A) und Guanin (G) sind doppelkettige Purine, Cytosin (C) und Thymin (T) sind kleinere, einfachkettige Pyrimidine. Das Nukleotid wird nach der enthaltenen stickstoffhaltigen Base benannt.

Die Phosphatgruppe eines Nukleotids verbindet sich kovalent mit dem Zuckermolekül des nächsten Nukleotids und so weiter, wodurch ein langes Polymer aus Nukleotidmonomeren entsteht. Die Zucker-Phosphat-Gruppen reihen sich in einem „Rückgrat“ für jeden einzelnen DNA-Strang auf, und die Nukleotidbasen ragen aus diesem Rückgrat heraus. Die Kohlenstoffatome des fünfkettigen Zuckers sind vom Sauerstoff aus im Uhrzeigersinn nummeriert als 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. Im natürlichen Zustand besteht jedes DNA-Molekül aus zwei Einzelsträngen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen 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, eine sogenannte Doppelhelix, zu bilden. Die Basenpaarung findet zwischen einem Purin und einem Pyrimidin statt: nämlich A paart sich mit T, und G paart sich mit C. Mit anderen Worten: Adenin und Thymin sind komplementäre Basenpaare, und Cytosin und Guanin sind ebenfalls komplementäre Basenpaare. Dies ist die Grundlage für die Chargaff’sche 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 Wasserstoffbrückenbindungen verbunden, Cytosin und Guanin durch drei Wasserstoffbrückenbindungen. Die beiden Stränge sind antiparallel, d. h. bei dem einen Strang liegt der 3′-Kohlenstoff des Zuckers „oben“, bei dem anderen Strang liegt der 5′-Kohlenstoff „unten“. Der Durchmesser der DNA-Doppelhelix ist durchgängig gleich, weil sich immer ein Purin (zwei Ringe) mit einem Pyrimidin (ein Ring) paart und ihre kombinierten Längen immer gleich sind. (Abbildung 9.4).

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

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

Wie die DNA in der Zelle angeordnet ist

Die DNA ist ein Arbeitsmolekül; sie muss repliziert werden, wenn eine Zelle bereit ist, sich zu teilen, und sie muss „abgelesen“ werden, um die Moleküle, wie z. B. Proteine, zu produzieren, die die Funktionen der Zelle ausführen. Aus diesem Grund ist die DNA auf sehr spezifische Weise geschützt und verpackt. Darüber hinaus können DNA-Moleküle sehr lang sein. Aneinandergereiht kämen die DNA-Moleküle in einer einzigen menschlichen Zelle auf eine Länge von etwa 2 Metern. Daher muss die DNA für eine Zelle in einer sehr geordneten Weise verpackt werden, damit sie in eine Struktur (die Zelle) passt und funktioniert, die mit dem bloßen Auge nicht sichtbar ist. Die Chromosomen von Prokaryonten sind in vielen ihrer Merkmale viel einfacher als die von Eukaryonten (Abbildung 9.6). Die meisten Prokaryoten enthalten ein einzelnes, kreisförmiges Chromosom, das sich in einem Bereich im Zytoplasma befindet, der Nukleoid genannt wird.

Die Größe des Genoms in einem der am besten untersuchten Prokaryonten, Escherichia coli, beträgt 4,6 Millionen Basenpaare, was ausgestreckt eine Strecke von etwa 1,6 mm ausmachen würde. Wie passt das also in eine kleine Bakterienzelle? Die DNA ist über die Doppelhelix hinaus verdreht, was als Supercoiling bezeichnet wird. Es ist bekannt, dass einige Proteine an der 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 Packungsstrategie, um ihre DNA im Zellkern unterzubringen. Auf der einfachsten Ebene ist die DNA um Proteine, so genannte Histone, gewickelt, um Strukturen zu bilden, die Nukleosomen genannt werden. Die DNA ist eng um den Histonkern gewickelt. Dieses Nukleosom ist mit dem nächsten durch einen kurzen DNA-Strang verbunden, der frei von Histonen ist. Diese Struktur wird auch als „Perlen auf einer Schnur“ bezeichnet; die Nukleosomen sind die „Perlen“ und die kurzen DNA-Stücke zwischen ihnen sind die „Schnur“. Die Nukleosomen, mit der um sie gewickelten DNA, stapeln sich kompakt übereinander und bilden eine 30 nm breite Faser. Diese Faser wird weiter zu einer dickeren und kompakteren Struktur aufgewickelt. Im Metaphasenstadium der Mitose, wenn die Chromosomen in der Mitte der Zelle aufgereiht sind, sind die Chromosomen am kompaktesten. Sie sind etwa 700 nm breit und liegen in Verbindung mit Gerüstproteinen vor.

In der Interphase, der Phase des Zellzyklus zwischen den Mitosen, in der die Chromosomen dekondensiert sind, haben eukaryotische Chromosomen zwei unterschiedliche 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 in der Regel Gene, die nicht aktiv sind, und befinden sich in den Regionen des Zentromers und der Telomere. Die hell färbenden Regionen enthalten normalerweise Gene, die aktiv sind, mit um Nukleosomen verpackter, aber nicht weiter verdichteter DNA.

Zusammenfassung des Abschnitts

Das Modell der Doppelhelixstruktur der DNA wurde von Watson und Crick vorgeschlagen. Das DNA-Molekül ist ein Polymer aus Nukleotiden. Jedes Nukleotid besteht aus einer stickstoffhaltigen Base, einem fünfkettigen 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 ist aus zwei Strängen aufgebaut. Jeder Strang besteht aus Nukleotiden, die kovalent zwischen der Phosphatgruppe des einen und dem Desoxyribosezucker des nächsten Strangs miteinander verbunden sind. Von diesem Rückgrat gehen die Basen aus. Die Basen des einen Stranges binden sich über Wasserstoffbrückenbindungen an die Basen des zweiten Stranges. Adenin bindet immer an Thymin, Cytosin immer an Guanin. Die Bindungen bewirken, dass sich die beiden Stränge spiralförmig umeinander winden, so dass eine Doppelhelix entsteht. Ribonukleinsäure (RNA) ist eine zweite Nukleinsäure, die in Zellen vorkommt. RNA ist ein einzelsträngiges Polymer aus Nukleotiden. Sie unterscheidet sich von der DNA auch dadurch, dass sie den Zucker Ribose anstelle von Desoxyribose und das Nukleotid Uracil anstelle von Thymin enthält. Verschiedene RNA-Moleküle fungieren im Prozess der Bildung von Proteinen aus dem genetischen Code der DNA.

Prokaryoten enthalten ein einzelnes, doppelsträngiges zirkuläres 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 aufgewickelt, um ihre Bewegung zu erleichtern. Chromosomen haben zwei verschiedene Regionen, die durch Färbung unterschieden werden können. Sie spiegeln unterschiedliche Grade der Verpackung wider und werden dadurch bestimmt, ob die DNA in einer Region exprimiert wird (Euchromatin) oder nicht (Heterochromatin).