Основное содержание
Открытие структуры ДНК
Структура двойной спирали ДНК и как она была открыта. Чаргафф, Уотсон и Крик, Уилкинс и Франклин.
Введение
Сегодня двойная спираль ДНК является, пожалуй, самой известной биологической молекулой. Строятся похожие на неё лестницы, небоскрёбы, украшения и пешеходные мосты (на иллюстрации ниже показан такой мост в Сингапуре) и многое другое.
Здесь сложно не согласится с архитекторами и дизайнерами: ведь двойная спираль - это действительно красивая структура, в которой сочетается форма и функциональность. Однако двойная спираль далеко не всегда была частью нашего культурного словаря. Фактически, до 1950-х годов структура ДНК оставалась загадкой.
В этой статье мы кратко рассмотрим, как Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик, Розалинд Франклин и другие учёные открыли двойную спиральную структуру ДНК, а затем поговорим о её свойствах.
Компоненты ДНК
Биохимик Фибус Левин и другие ученые-современники Уотсона и Крика к тому времени показали, что ДНК состоит из компонентов, называемых нуклеотидами
Основания C и T, имеющие в своей структуре только одно углеродное кольцо, называются пиримидинами, а основания A и G, имеющие два кольца, называются пуринами.
Нуклеотиды ДНК собираются в цепочки, связанные ковалентными связями, которые образуются между дезоксирибозным сахаром одного нуклеотида и фосфатной группой следующего. Такое расположение создаёт чередующуюся цепочку дезоксирибозных сахаров и фосфатных групп в полимере ДНК — так называемый сахарофосфатный остов
Правила Чаргаффа
Ещё одну важную информацию о структуре ДНК узнал австрийский биохимик Эрвин Чаргафф. Он проанализировал ДНК нескольких видов и выяснил, что она состоит из оснований A, T, C и G.Также он сделал несколько важный наблюдений:
- Основания A, T, C и G не были найдены в равных количествах (как предсказывали некоторые модели того времени)
- Количество оснований варьировалось у разных видов, но не у особей одного и того же вида.
- Количество A всегда равнялось количеству T, а количество C всегда равнялось количеству G (A = T и G = C)
Эти открытия, получившие название правила Чаргаффа, сыграли решающую роль в построении схемы двойной спирали ДНК Уотсоном и Криком.
Уотсон, Крик и Розалинд Франклин
В начале 1950-х годов американский биолог Джеймс Уотсон и британский физик Фрэнсис Крик опубликовали свою знаменитую модель двойной спирали ДНК. Они оказались первыми, кто пересёк «финишную прямую» в этой научной «гонке», в то время как другие учёные, например, Лайнус Полинг, открывший вторичную структуру белка, также пытались найти корректную модель.
Вместо того, чтобы проводить новые эксперименты в лаборатории, Уотсон и Крик в основном собирали, анализировали и объединяли уже существующие данных
Франклин была экспертом в области определения структуры молекул, известного как рентгеновская кристаллография. Если кристаллизовать молекулу (например, ДНК) и облучить ренгтеновскими лучами, некоторые лучи преломляются атомами и образуется дифракционная картина, по которой можно судить о строении молекулы.
Рентгенограммы Розалинд Франклин подсказали Уотсону и Крику, как в действительности устроена ДНК. Важную роль в этом открытии сыграла знаменитая «фотография 51» — удивительно чёткая рентгенограмма дифракционной картины ДНК, созданная Франклин и её аспирантом. (Современный пример дифракционной картины, создаваемой ДНК, показан выше.) Увидев Х-образную дифракционную картину на изображении, полученном Франклин, Уотсон сразу предположил, что молекула ДНК имеет спиральную двухцепочечную структуру
Уотсон и Крик собрали вместе данные многих исследователей (в том числе Франклин, Уилкинса, Чаргаффа и других), и на основании этих данных построили свою знаменитую модель трехмерной структуры ДНК. В 1962 году Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии по медицине. К сожалению, к тому времени Франклин умерла, а, как известно, Нобелевские премии не присуждаются посмертно.
Модель ДНК Уотсона и Крика
Структура ДНК, в модели Уотсона и Крика, представляет собой двухцепочечную антипараллельную правостороннюю спираль. Сахарофосфатный остов цепей ДНК образует внешнюю часть спирали, в то время как азотистые основания находятся внутри и образуют пары, связанные водородными связями, которые удерживают две цепочки ДНК вместе.
В приведенной ниже модели оранжевые и красные атомы обозначают фосфаты в сахарофосфатном остове, а синие атомы внутри спирали принадлежат азотистым основаниям.
Антипараллельная ориентация цепей ДНК
Двухцепочечная ДНК представляет собой антипараллельную молекулу, что означает, что она состоит из двух нитей, которые находятся рядом друг с другом, однако направлены в противоположных стороны. В двухцепочечной молекуле ДНК 5'-конец (читается: пять-штрих конец)(фосфатсодержащий конец) одной нити совпадает с 3'-концом (гидроксилсодержащий конец) второй нити, и наоборот.
Правосторонняя спираль
В модели Уотсона и Крика две нити ДНК закручиваются вокруг друг друга, образуя правостороннюю спираль. Все спирали имеют направленность — свойство, показывающее, как их узлы ориентированы в пространстве.
Геометрическое расположение оснований создают в скрученной спирали более широкий зазор (так называемую большую бороздку) и более узкий зазор (малую бороздку), которые идут вдоль всей молекулы, как показаны на рисунке выше. Эти бороздки являются важными участками связывания с белками, поддерживающими ДНК и регулирующими активность генов.
Комплементарность оснований
В модели Уотсона и Крика две нити двойной спирали ДНК удерживаются вместе водородными связями между азотистыми основаниями на противоположных нитях. Каждая пара оснований лежит перпендикулярно нити, образуя «ступеньку» на «лестнице» молекулы ДНК.
Пары оснований не состоят из какой-то случайной комбинации оснований. Вместо этого, каждому A находящемуся на одной нити, соответствует T, находящийся на противоположной нити (и наоборот). Точно так же G, находящийся на одной цепи, всегда будет иметь в качестве пары C на противоположной цепи. Эти связи A-T и G-C известны как комплементарные пары оснований.
Парные основания объясняют, почему по правилам Чаргаффа количество A всегда равно количеству T, а количество C — количеству G
Не смотря на то, что первоначальная модель Уотсона и Крика предполагала наличие двух водородных связей между основаниями каждой пары, сегодня мы знаем, что между G и C образуются еще одна дополнительная связь (так, что пары A-T образуют всего две водородные связи, в то время как пары G-C образуют три)
Влияние двойной спирали
Структура ДНК открыла дверь для понимания многих аспектов функционирования ДНК, таких как, её копирование и того, как информация, которая содержится в ней, используется клеткой для производства белков.
Как мы увидим в следующих статьях и видеороликах, модель Уотсона и Крика дала начало новой эпохе открытий в молекулярной биологии. Эта модель ДНК и основанные на ней последующие открытия составляют основу для большинства современных исследований в области биологии и биомедицины.
Дополнительные материалы, помимо материалов Академии Хана
Хотите узнать больше о спирали ДНК? Посмотрите эту интерактивную статью от LabXchange.
LabXchange - это бесплатная научно-образовательная онлайн-платформа, созданная на факультете искусств и наук Гарварда при поддержке Фонда Амгена.
Хотите присоединиться к обсуждению?
Пока нет ни одной записи.