Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

13.1: DNA 나선
목차

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
The DNA Helix
 
전사물

13.1: The DNA Helix

13.1: DNA 나선

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.

개요

Deoxyribonucleic acid, 또는 DNA는, 모든 유기체 및 대부분의 바이러스에 있는 대대로 특성을 전달하는 책임 있는 유전 물물입니다. DNA는 이중 나선을 형성하기 위해 서로 바람을 피우는 뉴클레오티드의 두 가닥으로 구성됩니다. DNA의 구조의 발견은 과학의 역사에서 가장 유명하고 매혹적인 이야기 중 하나를 나타내는 거의 한 세기 동안 점진적으로 발생했습니다.

DNA 구조 에 세부 사항

DNA의 각 가닥은 설탕 탈록리보제, 인산염 군 및 4개의 질소 함유 기지 중 하나인 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T)을 포함하는 뉴클레오티드라고 불리는 서브유닛으로 구성된다. 아데닌과 구아닌은 모두 두 개의 고리 구조를 포함하는 퓨린이라는 화학 물질의 큰 클래스의 구성원입니다. 사이토신과 티민은 피리미딘이라는 단일 고리 구조의 그룹에 속한다.

같은 가닥에 인접한 뉴클레오티드는 인포디스터 결합에 의해 공유적으로 연결됩니다. 뉴클레오티드의 두 가닥은 수소 결합에 의해 함께 개최되며, 다른 가닥의 동일한 위치에 있는 티민과 한 가닥 쌍의 아데닌과 다른 가닥의 구아닌과 한 가닥 쌍의 사이토신이 함께 유지된다. 이 수소 결합은 가닥의 5'와 3'끝이 반대 방향으로 지향되는 두 DNA 가닥의 반비교할 수 있게 된다. 이 배열없이, 뉴클레오티드는 가닥 사이의 수소 결합을 형성하는 잘못된 위치에있을 것입니다.

DNA 분자의 두 가닥은 이중 나선이라고 불리는 스프링과 같은 구조로 단단히 감겨져 있습니다. 그러나 이중 나선은 완벽하게 대칭적이지 않습니다. 대신, 구조에 정기적으로 발생하는 홈이 있습니다. 주요 홈은 설탕 인산염 백본이 상대적으로 멀리 떨어져 있는 곳에서 발생합니다. 이 공간은 전사 요인과 같은 DNA 결합 단백질에 대한 액세스를 부여합니다. 반면, 작은 그루브는 설탕 인산염 백본이 가까이 있는 곳에서 발생합니다. 상대적으로 적은 단백질은 사소한 홈을 통해 DNA에 결합합니다.

DNA 구조의 발견: 간략한 역사

DNA 구조의 발견의 이야기는 스위스 과학자 프리드리히 미셔가 "핵"이라고 불리는 물질을 발견했을 때 1869년에 시작됩니다. 백혈구에서 단백질을 추출하는 과정에서 Miescher는 상대적으로 높은 인 함량을 가진 예기치 않은 물질을 발견했습니다. 그는 그것이 무엇인지 알지 못했지만 생물학적으로 중요 할 수 있다고 의심했습니다. Miescher는 옳았지만, 과학 계가 그의 통찰력을 완전히 감상하는 데는 수십 년이 걸렸습니다.

다음 중요한 발견은 러시아생화학자 인 Phoebus Levene에 의해 이루어졌습니다. 1919년, Levene는 핵산으로 알려진 핵신이 폴리뉴클레오티드라고 불리는 분자 사슬로 구성되었다고 제안했습니다. Levene의 제안은 효모에 대한 그의 연구에서 비롯되었으며, 개별 뉴클레오티드는 인산염 그룹, 설탕 및 질소 함유 염기로 구성되었다는 것을 발견했습니다. 레벤의 폴리뉴클레오티드 모델은 여러 면에서 정확했지만, DNA 분자에서 기지가 어떻게 배열되었는지는 여전히 불분명했습니다.

오스트리아의 생화학자 에르윈 차가프는 레벤의 사업을 확장했다. 1940 년대 후반에 작업, Chargaff는 주요 발견을 했다: DNA에 있는 아데닌의 양은 항상 대략 티민의 양과 동일하고, guanine의 양은 항상 사이토신의 양과 대략 동일합니다. 이 패턴은 Chargaff의 규칙으로 알려지게되었고 DNA 구조의 최종 해명기능을 가능하게 하는 주요 증거였습니다.

1950년대 초, 미국의 생물학자 제임스 왓슨과 영국의 물리학자 프랜시스 크릭은 DNA의 3차원 구조를 발견하기 위해 그들의 주요 라이벌인 미국 리누스 폴링을 경주하고 있었습니다. Chargaff의 작품을 기반으로, 그들은 DNA의 물리적 모델을 구축하기 위해 물리학, 수학, 화학의 지식을 사용했다. 그러나 그들은 중요한 데이터를 받을 때까지 성공하지 못했습니다: DNA의 엑스레이 '사진'은 이중 헬릭 구조를 정확하게 표시했습니다. 이 사진은 물리학자 로잘린드 프랭클린의 미공개 데이터였으며 프랭클린의 지식 없이 왓슨과 크릭에게 주어졌다. 왓슨과 크릭은 1953년에 DNA 구조에 대한 설명을 발표했고, 모리스 윌킨스(프랭클린의 동료)와 함께 1962년 노벨 생리학 또는 의학상을 수상했다. 슬프게도 프랭클린은 1958년에 세상을 떠났고, 따라서 노벨상을 받을 자격이 없었습니다.


추천 독서

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter