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Wie man DNA mit eigenen Händen isoliert

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Um die Struktur der DNA zu entschlüsseln, arbeiteten eine Reihe großer Laboratorien in Amerika, England und anderen Ländern. Der Erfolg kam zu zwei Wissenschaftlern: Der amerikanische Biologe J. Watson und der englische Chemiker F. Crickdie ihre Bemühungen vereinten und die berühmten schufen DNA-Doppelhelixmodell.

Den Erfolg ihrer Arbeit verdanken sie in hohem Maße den Ergebnissen früherer Studien von E. Chargaff und R. Franklind. Bereits 1945 führte Chargaf nach der Methode der Chromatographie eine quantitative Beurteilung des Gehalts an verschiedenen Bestandteilen in der DNA durch. Er analysierte DNA-Proben von verschiedenen Organismen und zeigte, dass die quantitative Zusammensetzung der Basen in verschiedenen DNAs unterschiedlich ist und von ihrer Herkunft abhängt. Somit hat DNA eine ausgeprägte Speziesspezifität. Er stellte die folgenden Muster der chemischen Zusammensetzung der DNA fest, die sogenannten Chargaff-Regeln:

1) Die Menge an Purinbasen im DNA-Molekül ist gleich der Anzahl an Pyrimidinbasen, d.h. A + G = T + C,
2) Die Menge an Adenin ist gleich der Menge an Thymin (A = T) und die Menge an Guanin ist gleich der Menge an Cytosin (G = C) und daher:

A + g= 1
T + C

Trotz strenger quantitativer Übereinstimmungen unterscheiden sich DNA verschiedener Spezies im Verhältnis von AT- und GC-Basenpaaren. Aus Säugetierzellen isolierte DNA war insgesamt reicher als A und T als bakterielle, wobei G und C vorherrschten.

Röntgenbeugungsmuster eines DNA-Moleküls, erhalten von Rosalind Franklind, die DNA durch Röntgenbeugungsanalyse studierte, legten nahe, dass das Molekül spiralförmig verdreht war.

Basierend auf diesen Informationen haben Watson und Crick ein Modell eines DNA-Moleküls erstellt. Nach diesem Modell ist DNA ein Biopolymer und besteht aus zwei Polynukleotidketten, die in Form einer Doppelhelix verdreht sind. Jede Kette ist eine serielle Verbindung von Monomeren - Nukleotiden.

Die chemische Formel der Nukleotide

Die Zusammensetzung des DNA-Nukleotids umfasst Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen - Desoxyribose, den Rest der Phosphorsäure und eine der vier stickstoffhaltigen Basen. Die Regeln von Chargeff sagten Watson und Crick, dass es eine spezifische Basenpaarung im DNA-Molekül geben sollte - Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin. So formulierten Watson und Crick zum ersten Mal das wichtigste Komplementaritätsprinzip, wonach eine DNA-Molekülkette eine andere komplementiert, d.h. Die Sequenz der Basen in einem DNA-Strang bestimmt eindeutig die Sequenz der Basen in einer anderen (komplementären) Kette.

In jeder Kette ist ein Atom an der 5'-Position eines Pentoserings über eine Phosphatgruppe mit einem Atom an der 3'-Position des nächsten Pentoserings verbunden. Eine der vier Basen ist an der Seite des Pentoserings angebracht. Die Ketten sind über Wasserstoffbrückenbindungen zwischen ihren Basen miteinander verbunden, während Adenin immer mit einer doppelten Wasserstoffbrücke mit Thymin (AT-Paare) und Guanin mit einer Dreifachbindung mit Cytosin (G-C-Paare) verbunden ist.

Ketten sind antiparallel: Gegenüber dem 5'-Ende (Phosphat) einer Kette befindet sich das 3'-Ende (OH) der anderen Kette. Die Sequenz der Nukleotide in der DNA wird normalerweise in der Richtung vom 5'- zum 3'-Ende geschrieben.

Anstelle der Thyminbase ist Uracil in den Nukleotiden der RNA-Kette vorhanden, und Ribosezucker mit fünf Kohlenstoffatomen ist als Kohlenhydratkomponente vorhanden.

Die Richtigkeit des Watson- und Crick-Modells wurde durch zahlreiche Untersuchungen seiner Struktur an einer Vielzahl von Objekten bestätigt. In der DNA-Zusammensetzung wurden jedoch neben den üblichen Basen weitere sogenannte "minor" -Basen gefunden, die durch Methylierung von Adenin und Cytosin entstehen.

25 Jahre lang galt das Watson and Crick-Modell als die einzig mögliche DNA-Struktur. Später wurde jedoch festgestellt, dass das DNA-Molekül je nach Feuchtigkeitsgrad eine unterschiedliche Form annehmen kann. Die Hauptform der DNA ist die B-Form (oder Watson-Cricova-Spirale). Seine Parameter: Jede Spirale der Helix enthält 10 Nukleotidpaare, die Länge einer Spirale beträgt 3,4 nm, der Durchmesser des Moleküls 2 nm. Die B-Form ist eine rechtshändige Spirale. Eine andere rechtshändige Form von DNA (A-DNA) wurde von R. Franklin entdeckt. Es tritt bei niedriger Luftfeuchtigkeit auf. Seine Parameter: 11 Basenpaare pro Umdrehung, der Neigungswinkel der Basen beträgt 70 °, d beträgt ca. 2 nm. A-DNA unterscheidet sich von B-DNA dadurch, dass die Basenpaare stark an die Peripherie des Moleküls gedrückt werden, so dass es aussieht wie ein Röhrchen oben. Es wurde festgestellt, dass Doppelregionen, die in RNA vorkommen, auch bei 100% Luftfeuchtigkeit das Aussehen einer A-Form haben.

DNA-Doppelhelix

In den späten 70ern. Einer Gruppe des amerikanischen Wissenschaftlers A. Rich gelang es, kurze DNA-Fragmente zu erhalten, die eine linkshändige Doppelhelix darstellen. In dieser Spirale ist das Zucker-Phosphat-Rückgrat durch eine charakteristische Zick-Zack-Form gekennzeichnet, von der der Name Z-DNA stammt. Das Auftreten dieser DNA-Fraktion in der Prophase der Meiose diente als Grundlage für die Annahme, dass diese Form an der Umsetzung makrogenetischer Prozesse beteiligt ist: Konjugation und Crossing-Over.

Es wurde ferner gezeigt, dass unter Beibehaltung des allgemeinen Strukturprinzips die lokale Struktur von Abschnitten des DNA-Moleküls in Abhängigkeit von der Nukleotidzusammensetzung und dem Feuchtigkeitsgehalt stark variiert. Diese Unterschiede sind an Substanzen zu erkennen, die mit DNA in Wechselwirkung treten, hauptsächlich an Enzymen. Die Existenz verschiedener DNA-Formen widerlegt vollständig die frühere Vorstellung vom Konservatismus dieses Moleküls.

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