Was betrachte ich in Franklins Foto 51 der DNA?

Nun, du hast gesagt, dass du...

... haben große Probleme, das Foto mit dem Diagramm zu verbinden.

Und das ist durchaus entschuldbar: Die Interpretation dieses Röntgenbildes ist tatsächlich sehr kompliziert .

Alle Zitate und Bilder in dieser Antwort, mit Ausnahme der Liste mit Aufzählungszeichen weiter unten, stammen aus diesem Papier (Lucas, 2008), das dieses historische Bild im Detail erklärt.

Vollständige Offenlegung: Ich dachte immer, dass dieses Bild den Röntgenstrahl darstellt, der in Längsrichtung (dh entlang der Hauptachse) durch die DNA geht. Allerdings geht es quer:

Wenn fadenförmige Makromoleküle entlang einer festgelegten Richtung in eine Faser gepackt werden, fallen die von der Faser gebeugten Röntgenintensitäten entlang ungefähr gerader und äquidistanter Linien, den sogenannten Schichtlinien, senkrecht zu dieser Richtung auf den Beobachtungsschirm. Dieses wichtige Konzept wurde 1921 von Michael Polanyi für die Röntgenuntersuchung von Zellulose eingeführt. (Hervorhebung von mir)

Dies sind die sogenannten Schichtlinien (ich behalte die Legende des Originalpapiers in allen Bildern):

Dann begannen Crick und andere laut dem Artikel immer noch mit der Hypothese, wie die Röntgenbeugung in einer monoatomaren Helix aussehen würde:

1952 entwickelten Cochran, Crick und Vand eine analytische Theorie für die Röntgenbeugung durch eine monoatomare Helix. Das unmittelbare Interesse ihrer Theorie bestand darin, einen transparenten, analytischen Ausdruck dieser Amplituden zu geben, zu einer Zeit im Jahr 1952, als Computer, falls überhaupt vorhanden, kaum zu einer Brute-Force-Berechnung der gesamten Beugungsintensität in der Lage waren.

Dies ist das Röntgenbeugungsmuster in einer einatomigen Helix, was sehr wichtig ist, um später das berühmte DNA-Beugungsbild zu verstehen:

Mit diesem theoretischen Hintergrund können wir also unser berühmtes Bild verstehen:

In diesem Bild zeigt ein Röntgenbeugungsbild von A-DNA (links) und der häufigeren B-DNA (rechts) ein periodisches Muster in den Schichtlinien.

Die Beugungsmuster können wie folgt interpretiert werden ( Quelle ):

• Die Schichtlinientrennung offenbart den Wert der Polymerwiederholungsperiode. Die Abnahme des Schichtlinienabstands um über 20 % beim Übergang von A nach B impliziert eine Zunahme um diesen Betrag in der Periode: P = 2,8 nm für A-DNA und 3,4 nm für B-DNA.
• Sehen Sie sich die scharfen, diskreten Flecken an, die in der Nähe der Mitte des Beugungsmusters für A-DNA entlang der ersten Schichtlinien beobachtet werden. Diese deuten auf die kristalline Ordnung in der Faser hin. Im B-DNA-Muster mit hoher Luftfeuchtigkeit fehlen diese kristallinen Flecken, was darauf hindeutet, dass die zusätzlichen Wassermoleküle in den Raum zwischen den DNA-Molekülen eingedrungen sein müssen und sie aus dem Einschluss in Kristalliten befreit haben.
• Die dicken Bögen an der Ober- und Unterseite des B-DNA-Musters befinden sich in Abständen von ungefähr 10 Schichtlinien von der Mitte, was bedeutet, dass B-DNA 10 Wiederholungseinheiten innerhalb einer Periode von 3,4 nm hatte. Diese werden durch die Streuung von Röntgenstrahlen an den äquidistanten, nahezu horizontalen flachen Basen im Abstand von 0,34 nm erzeugt. Dem A-DNA-Muster fehlen diese großen Verschmierungen, was darauf hindeutet, dass die Basen in A-DNA nicht horizontal sind und die Anzahl der Basenpaare pro Helixperiode näher bei 11 liegt.
• Das zentrale Kreuz in der B-DNA repräsentiert das Saint-Andreas-Kreuz, das von einem helikalen Molekül erwartet wird. Der große Radius r (1 nm, angezeigt durch den Meridianwinkel des Kreuzes) und das Fehlen von Intensität in den Meridianrauten zeigt an, dass sich das Phosphatrückgrat an der Peripherie der Helix befindet. Dieses Kreuz scheint in A-DNA zu fehlen, dies ist jedoch auf destruktive Interferenz von einigen der geneigten Basenpaare zurückzuführen.

Schließlich ist dies ein Bild, das die Doppelstrangstruktur der DNA (sowohl A- als auch B-DNAs) besser mit dem Röntgenbeugungsbild in Beziehung setzt:

Bezug:

Lukas, A. (2008). A-DNA und B-DNA: Vergleich ihrer historischen Röntgenfaserbeugungsbilder. Journal of Chemical Education, 85(5), S.737.