Sekundärstruktur der DNA
Die dreidimensionale Struktur der DNA war Ende der 1940er bis Anfang der 1950er Jahre Gegenstand intensiver Forschungsbemühungen. Erste Arbeiten zeigten, dass das Polymer eine regelmäßige Wiederholungsstruktur aufweist. Im Jahr 1950 zeigte Erwin Chargaff von der Columbia University, dass die molare Menge an Adenin (A) in der DNA immer gleich der von Thymin (T) war. In ähnlicher Weise zeigte er, dass die molare Menge an Guanin (G) gleich der von Cytosin (C) ist. Chargaff zog keine Schlussfolgerungen aus seiner Arbeit, aber andere taten dies bald.
An der Universität Cambridge gaben James D. Watson und Francis Crick 1953 bekannt, dass sie ein Modell für die Sekundärstruktur der DNA hatten. Anhand der Informationen aus den Experimenten von Chargaff (und anderen Experimenten) und der Daten aus den Röntgenuntersuchungen von Rosalind Franklin (die eine ausgefeilte Chemie, Physik und Mathematik erforderten) arbeiteten Watson und Crick mit Modellen, die einem Kinderbaukasten nicht unähnlich waren, und kamen schließlich zu dem Schluss, dass die DNA aus zwei Nukleinsäureketten besteht, die antiparallel zueinander verlaufen, d. h. Seite an Seite, wobei das 5′-Ende der einen Kette neben dem 3′-Ende der anderen liegt. Darüber hinaus sind die beiden Ketten, wie ihr Modell zeigte, verdreht, um eine Doppelhelix zu bilden – eine Struktur, die mit einer Wendeltreppe verglichen werden kann, wobei die Phosphat- und Zuckergruppen (das Rückgrat des Nukleinsäurepolymers) die Außenkanten der Treppe darstellen. Die Purin- und Pyrimidinbasen liegen auf der Innenseite der Helix, wobei Guanin immer gegenüber Cytosin und Adenin immer gegenüber Thymin liegt. Diese spezifischen Basenpaare, die als komplementäre Basen bezeichnet werden, sind die Stufen oder Tritte in unserer Treppenanalogie (Abbildung \(\PageIndex{2}\)).
Die von Watson und Crick vorgeschlagene Struktur lieferte Hinweise auf die Mechanismen, durch die sich Zellen in zwei identische, funktionierende Tochterzellen teilen können; wie genetische Daten an neue Generationen weitergegeben werden; und sogar wie Proteine nach den erforderlichen Spezifikationen gebaut werden. All diese Fähigkeiten hängen von der Paarung von komplementären Basen ab. Abbildung \(\PageIndex{3}\) zeigt die beiden Sätze von Basenpaaren und veranschaulicht zwei Dinge. Erstens ist jeweils ein Pyrimidin mit einem Purin gepaart, so dass die Längenmaße der beiden Paare identisch sind (1,08 nm).
Wenn zwei Pyrimidine oder zwei Purine gepaart würden, würden die beiden Pyrimidine weniger Platz einnehmen als ein Purin und ein Pyrimidin, und die beiden Purine würden mehr Platz einnehmen, wie in Abbildung \(\PageIndex{4}\) dargestellt. Wenn diese Paarungen jemals auftreten würden, wäre die Struktur der DNA wie eine Treppe mit unterschiedlich breiten Stufen. Damit die beiden Stränge der Doppelhelix sauber zusammenpassen, muss immer ein Pyrimidin mit einem Purin gepaart sein. Die zweite Sache, die Sie in Abbildung \(\PageIndex{3}\) bemerken sollten, ist, dass die korrekte Paarung die Bildung von drei Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Guanin und Cytosin und zwei zwischen Adenin und Thymin ermöglicht. Der additive Beitrag dieser Wasserstoffbrückenbindungen verleiht der DNA-Doppelhelix große Stabilität.
