13.1: Helisa DNA

Przegląd

Kwas dezoksyrybonukleinowy lub DNA to materiał genetyczny odpowiedzialny za przekazywanie cech z pokolenia na pokolenie we wszystkich organizmach i większości wirusów. DNA składa się z dwóch nici nukleotydów, które owijają się wokół siebie, tworząc podwójną helisę. Odkrycie struktury DNA następowało stopniowo przez prawie sto lat, stanowiąc jedną z najsłynniejszych i najbardziej fascynujących historii w historii nauki.

Struktura DNA w szczegółach

Każda nić DNA składa się z podjednostek zwanych nukleotydami, które zawierają cukier dezoksyrybozę, grupę fosforanową i jedną z czterech zasad zawierających azot: adeninę (A), guaninę (G), cytozynę (C) i tyminę (T). Adenina i guanina należą do większej klasy substancji chemicznych zwanych purynami, z których wszystkie zawierają struktury dwupierścieniowe. Cytozyna i tymina należą do grupy struktur jednopierścieniowych zwanych pirymidynami.

Sąsiednie nukleotydy w tej samej nici są kowalencyjnie połączone wiązaniami fosfodiestrowymi. Dwie nici nukleotydów są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe, w których adeniny w jednej nici łączą się z tyminami w tej samej pozycji w drugiej nici, a cytozyny w jednej nici łączą się z guaninami w tej samej pozycji w drugiej nici. To wiązanie wodorowe jest możliwe dzięki antyrównoległemu ułożeniu dwóch nici DNA, w których końce 5′ i 3′ nici są zorientowane w przeciwnych kierunkach. Bez tego układu nukleotydy byłyby w niewłaściwej pozycji, aby utworzyć wiązania wodorowe między niciami.

Dwie nici cząsteczki DNA są ciasno zwinięte w przypominającą sprężynę strukturę zwaną podwójną helisą. Jednak podwójna helisa nie jest idealnie symetryczna. Zamiast tego w konstrukcji regularnie występują rowki. Główny rowek występuje tam, gdzie kręgosłupy cukrowo-fosforanowe są stosunkowo daleko od siebie. Przestrzeń ta zapewnia dostęp do białek wiążących DNA, takich jak czynniki transkrypcyjne. Natomiast niewielki rowek występuje tam, gdzie kręgosłupy cukrowo-fosforanowe są blisko siebie. Stosunkowo niewiele białek wiąże się z DNA przez mniejszy rowek.

Odkrycie struktury DNA: krótka historia

Historia odkrycia struktury DNA zaczyna się w 1869 roku, kiedy szwajcarski naukowiec Friedrich Miescher odkrył substancję, którą nazwał “nukleiną”. W procesie ekstrakcji białka z białych krwinek Miescher znalazł nieoczekiwaną substancję o stosunkowo wysokiej zawartości fosforu. Nie wiedział, co to jest, ale podejrzewał, że może to być biologicznie ważne. Miescher miał rację, ale minęły dziesięciolecia, zanim społeczność naukowa w pełni doceniła jego spostrzeżenia.

Kolejnego krytycznego odkrycia dokonał rosyjski biochemik Phoebus Levene. W 1919 roku Levene zaproponował, że nukleina, znana wówczas jako kwas nukleinowy, składa się z łańcuchów cząsteczek, które nazwał polinukleotydami. Propozycja Levene’a wynikała z jego badań nad drożdżami, w których odkrył, że poszczególne nukleotydy składają się z grupy fosforanowej, cukru i zasady zawierającej azot. Chociaż model polinukleotydowy Levene’a był poprawny pod wieloma względami, nadal nie było jasne, w jaki sposób zasady są ułożone w cząsteczce DNA.

Austriacki biochemik Erwin Chargaff rozwinął prace Levene’a. Pracując pod koniec lat czterdziestych XX wieku, Chargaff dokonał kluczowego odkrycia: ilość adeniny w DNA jest zawsze w przybliżeniu równa ilości tyminy, a ilość guaniny jest zawsze mniej więcej równa ilości cytozyny. Wzorzec ten stał się znany jako reguła Chargaffa i był kluczowym dowodem, który umożliwił ostateczne wyjaśnienie struktury DNA.

Na początku lat pięćdziesiątych amerykański biolog James Watson i angielski fizyk Francis Crick ścigali się ze swoim głównym rywalem, Amerykaninem Linusem Paulingiem, o odkrycie trójwymiarowej struktury DNA. Opierając się na pracy Chargaffa, wykorzystali wiedzę z zakresu fizyki, matematyki i chemii do skonstruowania fizycznych modeli DNA. Nie udało im się jednak, dopóki nie otrzymali kluczowej porcji danych: rentgenowskiego “zdjęcia” DNA, które dokładnie wskazało na jego strukturę podwójnej helisy. To zdjęcie było niepublikowanymi danymi fizyka Rosalind Franklin i zostało przekazane Watsonowi i Crickowi bez wiedzy Franklina. Watson i Crick opublikowali swój opis struktury DNA w 1953 roku i razem z Maurice’em Wilkinsem (współpracownikiem Franklina) zdobyli Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1962 roku za to odkrycie. Niestety, Franklin zmarł w 1958 roku i dlatego nie kwalifikował się do otrzymania Nagrody Nobla.