Vor genau 65 Jahren veröffentlichten die britischen Wissenschaftler James Watson und Francis Crick einen Artikel über die Entschlüsselung der DNA-Struktur und legten den Grundstein für eine neue Wissenschaft - die Molekularbiologie. Diese Entdeckung hat sich im Leben der Menschheit sehr verändert. RIA Novosti spricht über die Eigenschaften des DNA-Moleküls und warum es so wichtig ist.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts war die Biologie eine sehr junge Wissenschaft. Wissenschaftler fingen gerade erst an, die Zelle zu untersuchen, und das Konzept der Vererbung, obwohl es bereits von Gregor Mendel formuliert wurde, erhielt keine breite Anerkennung.
Im Frühjahr 1868 kam ein junger Schweizer Arzt, Friedrich Miescher, an die Universität Tübingen, um wissenschaftliche Arbeit zu leisten. Er wollte herausfinden, aus welchen Substanzen die Zelle besteht. Für Experimente habe ich Leukozyten ausgewählt, die leicht aus Eiter zu gewinnen sind.
Durch die Trennung des Kerns von Protoplasma, Proteinen und Fetten entdeckte Miescher eine Verbindung mit einem hohen Phosphorgehalt. Er nannte dieses Molekül Nuklein (lateinisch „Kern“ist der Kern).
Diese Verbindung zeigte saure Eigenschaften, daher wurde der Begriff "Nukleinsäure" geprägt. Sein Präfix Desoxyribo bedeutet, dass das Molekül H-Gruppen und Zucker enthält. Dann stellte sich heraus, dass es tatsächlich Salz war, aber der Name wurde nicht geändert.
Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts wussten Wissenschaftler, dass ein Nuklein ein Polymer ist (dh ein sehr langes flexibles Molekül sich wiederholender Einheiten), die Einheiten aus vier stickstoffhaltigen Basen (Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin) bestehen und das Nuklein in Chromosomen enthalten ist - kompakte Strukturen, die entstehen in sich teilenden Zellen. Der amerikanische Genetiker Thomas Morgan hat in Experimenten an Fruchtfliegen gezeigt, dass er erbliche Merkmale übertragen kann.
DNA-Struktur.
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Das Modell, das Gene erklärte
Aber was Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, im Zellkern bewirkt, war lange nicht bekannt. Es wurde angenommen, dass es eine strukturelle Rolle in Chromosomen spielt. Die Vererbungseinheiten - Gene - wurden der Proteinnatur zugeschrieben. Den Durchbruch gelang dem amerikanischen Forscher Oswald Avery, der experimentell nachwies, dass genetisches Material durch DNA von Bakterien auf Bakterien übertragen wird.
Es wurde klar, dass DNA untersucht werden musste. Aber wie? Zu dieser Zeit standen Wissenschaftlern nur Röntgenstrahlen zur Verfügung. Um biologische Moleküle durch sie hindurchscheinen zu lassen, mussten sie kristallisieren, und das ist schwierig. Die Entschlüsselung der Struktur von Proteinmolekülen durch Röntgenbeugungsmuster wurde am Cavendish Laboratory (Cambridge, UK) durchgeführt. Die jungen Forscher James Watson und Francis Crick, die dort arbeiteten, hatten keine eigenen experimentellen Daten zur DNA, daher verwendeten sie die Röntgenbilder von Kollegen vom King's College Maurice Wilkins und Rosalind Franklin.
Watson und Crick schlugen ein Modell der DNA-Struktur vor, das genau zu den Röntgenbeugungsmustern passt: Zwei parallele Stränge sind zu einer rechten Helix verdreht. Jede Kette wird durch einen beliebigen Satz stickstoffhaltiger Basen gefaltet, die am Grundgerüst ihrer Zucker und Phosphate aufgereiht sind und von Wasserstoffbrückenbindungen gehalten werden, die zwischen den Basen gespannt sind. Darüber hinaus verbindet sich Adenin nur mit Thymin und Guanin - mit Cytosin. Diese Regel wird als Komplementaritätsprinzip bezeichnet.
Das Watson- und Crick-Modell erklärte die vier Hauptfunktionen der DNA: Replikation von genetischem Material, seine Spezifität, Speicherung von Informationen in einem Molekül und seine Mutationsfähigkeit.
Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Entdeckung am 25. April 1953 in der Zeitschrift Nature. Zehn Jahre später erhielten er und Maurice Wilkins den Nobelpreis für Biologie (Rosalind Franklin starb 1958 im Alter von 37 Jahren an Krebs).
„Jetzt, mehr als ein halbes Jahrhundert später, können wir feststellen, dass die Entdeckung der DNA-Struktur bei der Entwicklung der Biologie dieselbe Rolle spielte wie die Entdeckung des Atomkerns in der Physik. Die Aufklärung der Struktur des Atoms führte zur Geburt einer neuen Quantenphysik, und die Entdeckung der Struktur der DNA führte zur Geburt einer neuen Molekularbiologie “, schreibt Maxim Frank-Kamenetsky, ein herausragender Genetiker, DNA-Forscher und Autor von The Most Important Molecule.
Genetischer Code
Nun blieb herauszufinden, wie dieses Molekül funktioniert. Es war bekannt, dass DNA Anweisungen für die Synthese von zellulären Proteinen enthält, die die gesamte Arbeit in der Zelle erledigen. Proteine sind Polymere, die aus sich wiederholenden Sätzen (Sequenzen) von Aminosäuren bestehen. Darüber hinaus gibt es nur zwanzig Aminosäuren. Tierarten unterscheiden sich voneinander in der Menge der Proteine in Zellen, dh in verschiedenen Sequenzen von Aminosäuren. Die Genetik argumentierte, dass diese Sequenzen durch Gene gegeben sind, von denen damals angenommen wurde, dass sie die ersten Bausteine des Lebens sind. Aber was Gene waren, wusste niemand genau.
Der Autor der Urknalltheorie, der Physiker Georgy Gamov, ein Mitarbeiter der George Washington University (USA), machte dies deutlich. Basierend auf dem Modell der doppelsträngigen DNA-Helix von Watson und Crick schlug er vor, dass ein Gen ein Stück DNA ist, dh eine bestimmte Sequenz von Verbindungen - Nukleotiden. Da jedes Nukleotid eine von vier stickstoffhaltigen Basen ist, müssen Sie nur herausfinden, wie die vier Elemente zwanzig codieren. Dies war die Idee hinter dem genetischen Code.
In den frühen 1960er Jahren wurde festgestellt, dass Proteine aus Aminosäuren in Ribosomen synthetisiert werden, einer Art "Fabriken" innerhalb der Zelle. Um mit der Proteinsynthese zu beginnen, nähert sich ein Enzym der DNA, erkennt eine bestimmte Stelle am Anfang des Gens, synthetisiert eine Kopie des Gens in Form einer kleinen RNA (es wird als Matrize bezeichnet), dann wird ein Protein aus Aminosäuren im Ribosom gezüchtet.
Sie fanden auch heraus, dass der genetische Code aus drei Buchstaben besteht. Dies bedeutet, dass drei Nukleotide einer Aminosäure entsprechen. Die Einheit des Codes wurde als Codon bezeichnet. Im Ribosom werden Informationen von mRNA nacheinander Codon für Codon gelesen. Und jede von ihnen entspricht mehreren Aminosäuren. Wie sieht die Chiffre aus?
Marshall Nirenberg und Heinrich Mattei aus den USA beantworteten diese Frage. 1961 präsentierten sie ihre Ergebnisse erstmals auf einem biochemischen Kongress in Moskau. Bis 1967 war der genetische Code vollständig entschlüsselt. Es stellte sich als universell für alle Zellen aller Organismen heraus, was weitreichende Konsequenzen für die Wissenschaft hatte.
Die Entdeckung der DNA-Struktur und des genetischen Codes hat die biologische Forschung völlig neu ausgerichtet. Die Tatsache, dass jedes Individuum eine einzigartige DNA-Sequenz hat, hat die Forensik grundlegend verändert. Die Entschlüsselung des menschlichen Genoms hat Anthropologen eine völlig neue Methode zur Untersuchung der Evolution unserer Spezies eröffnet. Der kürzlich erfundene DNA-Editor CRISPR-Cas hat die Gentechnik stark vorangetrieben. Anscheinend speichert dieses Molekül die Lösung für die dringendsten Probleme der Menschheit: Krebs, genetische Krankheiten, Altern.
Tatiana Pichugina
