13.1: The DNA Helix
13.1: DNA Sarmalı
Overview
Deoxyribonucleic acid, or DNA, is the genetic material responsible for passing traits from generation to generation in all organisms and most viruses. DNA is composed of two strands of nucleotides that wind around each other to form a double helix. The discovery of the structure of DNA occurred incrementally over nearly a century, representing one of the most famous and captivating stories in the history of science.
DNA Structure in Detail
Each strand of DNA consists of subunits called nucleotides that contain the sugar deoxyribose, a phosphate group, and one of four nitrogen-containing bases: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), and thymine (T). Adenine and guanine are members of a larger class of chemicals called purines that all contain two-ringed structures. Cytosine and thymine belong to a group of single-ringed structures called pyrimidines.
Adjacent nucleotides in the same strand are covalently linked by phosphodiester bonds. The two strands of nucleotides are held together by hydrogen bonds, in which the adenines in one strand pair with thymines at the same position in the other strand, and the cytosines in one strand pair with guanines in the same position in the other strand. This hydrogen bonding is made possible by the antiparallel arrangement of the two DNA strands, in which the 5’ and 3’ ends of the strands are oriented in opposite directions. Without this arrangement, the nucleotides would be in the wrong position to form hydrogen bonds between strands.
The two strands of the DNA molecule are tightly wound into a spring-like structure called a double helix. However, the double helix is not perfectly symmetrical. Instead, there are regularly occurring grooves in the structure. The major groove occurs where the sugar-phosphate backbones are relatively far apart. This space grants access to DNA-binding proteins, such as transcription factors. The minor groove, by contrast, occurs where the sugar-phosphate backbones are close together. Relatively few proteins bind to DNA via the minor groove.
The Discovery of DNA Structure: A Brief History
The story of the discovery of DNA structure begins in 1869 when Swiss scientist Friedrich Miescher discovered a substance he called “nuclein”. In the process of extracting protein from white blood cells, Miescher found an unexpected substance that had relatively high phosphorus content. He did not know what it was, but he suspected that it could be biologically important. Miescher was right, but it took decades for the scientific community to fully appreciate his insights.
The next critical discovery was made by Russian biochemist Phoebus Levene. In 1919, Levene proposed that nuclein, by then known as a nucleic acid, was composed of chains of molecules that he called polynucleotides. Levene’s proposal stemmed from his research on yeast, in which he found that individual nucleotides were composed of a phosphate group, a sugar, and a nitrogen-containing base. Although Levene’s polynucleotide model was correct in many respects, it was still unclear how the bases were arranged in the DNA molecule.
The Austrian biochemist Erwin Chargaff expanded on the work of Levene. Working in the late 1940s, Chargaff made a key finding: the amount of adenine in DNA is always roughly equal to the amount of thymine, and the amount of guanine is always roughly equal to the amount of cytosine. This pattern became known as Chargaff’s Rule and was a key piece of evidence that enabled the final elucidation of DNA structure.
In the early 1950s, American biologist James Watson and English physicist Francis Crick were racing their chief rival, American Linus Pauling, to discover the three-dimensional structure of DNA. Building on the work of Chargaff, they used knowledge of physics, mathematics, and chemistry to construct physical models of DNA. But they were unsuccessful until they received a critical piece of data: an X-ray ‘photograph’ of DNA that indicated in precise detail its double-helical structure. This photograph was the unpublished data of physicist Rosalind Franklin and was given to Watson and Crick without Franklin’s knowledge. Watson and Crick published their description of DNA structure in 1953, and together with Maurice Wilkins (a co-worker of Franklin’s), they won the 1962 Nobel Prize in Physiology or Medicine for this discovery. Sadly, Franklin died in 1958 and was therefore ineligible for a Nobel Prize.
Genel bakış
Deoksiribonükleik asit veya DNA, tüm organizmalarda ve çoğu virüste nesilden nesile özelliklerin geçirilmesinden sorumlu genetik malzemedir. DNA, çift sarsı oluşturmak için birbirinin etrafında nasyonalitler iki iplikçik oluşur. DNA'nın yapısının keşfi, bilim tarihinin en ünlü ve büyüleyici hikayelerinden birini temsil eden yaklaşık bir yüzyıl boyunca aşamalı olarak meydana gelmiştir.
Ayrıntılı DNA Yapısı
DNA'nın her bir iplikçiği, şeker deoksiriboz, fosfat grubu ve azot içeren dört bazdan birini içeren nükleotid adı verilen alt birimlerden oluşur: adenin (A), guanin (G), sitozin (C) ve timin (T). Adenin ve guanin, pürin adı verilen ve iki halkalı yapılar içeren daha büyük bir kimyasal sınıfının üyeleridir. Sitozin ve timin pirimidin adı verilen tek halkalı yapılar grubuna aittir.
Aynı iplikteki komşu nükleotitler fosfodiester bağları ile kovalent olarak bağlanır. Nükleotitlerin iki iplikçikleri hidrojen bağları tarafından bir arada tutulur, bir iplikçikteki adeninler diğer iplikçikte aynı pozisyonda timinlerle, sitozinler ise diğer iplikçikteki guaninlerle aynı pozisyonda dır. Bu hidrojen bağı, iplikçiklerin 5' ve 3' uçlarının zıt yönlere yönlendirildiği iki DNA iplikçiğinin antiparalel düzenlemesi ile mümkün olur. Bu düzenleme olmadan, nükleotidler iplikçikler arasında hidrojen bağları oluşturmak için yanlış konumda olurdu.
DNA molekülünün iki ipliği çift sarlis adı verilen yay benzeri bir yapıya sıkıca yaralanır. Ancak, çift sarlak mükemmel simetrik değildir. Bunun yerine, yapıda düzenli olarak oluşan oluklar vardır. Büyük oluk şeker-fosfat omurgaları nispeten uzak olduğu oluşur. Bu alan transkripsiyon faktörleri gibi DNA bağlayıcı proteinlere erişim sağlar. Küçük oluk, aksine, şeker-fosfat omurgaları birbirine yakın olduğu oluşur. Nispeten az sayıda protein küçük oluk aracılığıyla DNA'ya bağlanır.
DNA Yapısının Keşfi: Kısa Bir Tarihçe
DNA yapısının keşfinin hikayesi 1869'da İsviçreli bilim adamı Friedrich Miescher'in "nüklein" adını verdiği bir maddeyi keşfetmesi ile başlar. Beyaz kan hücrelerinden protein çıkarma sürecinde, Miescher nispeten yüksek fosfor içeriği olan beklenmedik bir madde buldu. Ne olduğunu bilmiyordu ama biyolojik olarak önemli olabileceğinden şüpheleniyordu. Miescher haklıydı, ama bilim camiasının onun sezgilerini tam olarak takdir etmesi on yıllar aldı.
Bir sonraki kritik keşif Rus biyokimyacı Phoebus Levene tarafından yapıldı. 1919'da Levene, nükleinin polinükleotid adını verdiği molekül zincirlerinden oluştuğunu öne süren bir dekleon, o zamana kadar nükleonid olarak bilinir. Levene'nin önerisi maya üzerine yaptığı araştırmadan kaynaklandı ve tek tek nükleotitlerin bir fosfat grubu, bir şeker ve azot içeren bir bazdan oluştuğunu buldu. Levene'nin polinükleotid modeli birçok açıdan doğru olmasına rağmen, dna molekülünde bazların nasıl düzenlendiği hala belirsizdi.
Avusturyalı biyokimyacı Erwin Chargaff Levene'in çalışmalarını genişletti. 1940'ların sonlarında çalışan Chargaff önemli bir bulgu yaptı: DNA'daki adenin miktarı her zaman kabaca timin miktarına eşittir ve guanin miktarı her zaman kabaca sitozin miktarına eşittir. Bu desen Chargaff Kuralı olarak bilinen oldu ve DNA yapısının son açıklanması sağlayan kanıt önemli bir parçası oldu.
1950'lerin başında, Amerikalı biyolog James Watson ve İngiliz fizikçi Francis Crick, DNA'nın üç boyutlu yapısını keşfetmek için baş rakibi Amerikalı Linus Pauling ile yarışıyorlardı. Chargaff'ın çalışmalarını bir şekilde kullanarak dna'nın fiziksel modellerini oluşturmak için fizik, matematik ve kimya bilgisini kullandılar. Ama kritik bir veri parçası alana kadar başarısız oldular: çift sarmal yapısını kesin olarak gösteren dna'nın bir x-ışını 'fotoğrafı'. Bu fotoğraf fizikçi Rosalind Franklin'in yayınlanmamış verileriydi ve Franklin'in bilgisi olmadan Watson ve Crick'e verildi. Watson ve Crick 1953'te DNA yapısının tanımını yayınladılar ve Maurice Wilkins (Franklin'in iş arkadaşı) ile birlikte bu keşif için 1962 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nü kazandılar. Ne yazık ki Franklin 1958'de öldü ve bu nedenle Nobel Ödülü'ne layık değildi.