13.1: Спираль ДНК

Обзор

Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, является генетическим материалом, ответственным за передачу черты из поколения в поколение во всех организмах и большинстве вирусов. ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов, которые обвивают друг друга, чтобы сформировать двойную спираль. Открытие структуры ДНК происходило постепенно в течение почти столетия, представляя собой одну из самых известных и увлекательных историй в истории науки.

Структура ДНК в деталях

Каждая из цепочек ДНК состоит из подразделений, называемых нуклеотидами, которые содержат сахар дезоксиридобозу, фосфатную группу, и одно из четырех азотсодержащих оснований: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Аденин и гуанин являются членами более крупного класса химических веществ, называемых пуринами, которые все содержат двухколейные структуры. Цитозин и тимин принадлежат к группе однокольцовых структур, называемых пиримидинами.

Соседние нуклеотиды в одной цепочке ковалентно связаны фосфодитерными связями. Две цепочки нуклеотидов содержатся вместе водородными связями, в которых аденины в одной цепочке пары с тиминами в том же положении в другой цепочке, и цитозины в одной нити пары с гуанинами в том же положении в другой нити. Это склеивание водорода является возможным благодаря антипараллельной компоновки двух цепочек ДНК, в которых 5' и 3' концы нитей ориентированы в противоположных направлениях. Без этого нуклеотидов было бы в неправильном положении, чтобы сформировать водородные связи между цепочками.

Две цепи молекулы ДНК плотно закручены в пружинную структуру, называемую двойной спиралью. Однако двойная спираль не является идеально симметричной. Вместо этого в конструкции есть регулярно встречающиеся бороздки. Большая бороздка возникает там, где сахарно-фосфатные скелеты относительно далеко друг от друга. Это пространство предоставляет доступ к ДНК-связывающим белкам, таким как факторы транскрипции. Малая бороздка, напротив, возникает там, где сахарно-фосфатные основы расположены близко друг к другу. Относительно небольшое количество белков связывается с ДНК через малую бороздку.

Открытие структуры ДНК: краткая история

История открытия структуры ДНК начинается в 1869 году, когда швейцарский ученый Фридрих Мишер открыл вещество, которое он назвал «нуклеином». В процессе извлечения белка из белых кровяных телец Мишер обнаружил неожиданное вещество с относительно высоким содержанием фосфора. Он не знал, что это было, но подозревал, что это может быть биологически важно. Мишер был прав, но научному сообществу потребовались десятилетия, чтобы полностью оценить его идеи.

Следующее критическое открытие сделал российский биохимик Фебус Левене. В 1919 году Левен предположил, что нуклеин, к тому времени известный как нуклеиновая кислота, состоит из цепочек молекул, которые он назвал полинуклеотидами. Предложение Левена возникло в результате его исследования дрожжей, в ходе которого он обнаружил, что отдельные нуклеотиды состоят из фосфатной группы, сахара и азотсодержащего основания. Хотя полинуклеотидная модель Левена была верна во многих отношениях, все еще оставалось неясным, как основания расположены в молекуле ДНК.

Австрийский биохимик Эрвин Чаргафф расширил работу Левена. Работая в конце 1940-х годов, Чаргафф сделал ключевой вывод: количество аденина в ДНК всегда примерно равно количеству тимина, а количество гуанина всегда примерно равно количеству цитозина. Эта модель стала известна как правило Чаргаффа и была ключевым доказательством, что позволило окончательное выяснение структуры ДНК.

В начале 1950-х годов американский биолог Джеймс Уотсон и английский физик Фрэнсис Крик мчались со своим главным соперником, американцем Лайнусом Полингом, чтобы обнаружить трехмерную структуру ДНК. Опираясь на работу Чаргаффа, они использовали знания физики, математики и химии для построения физических моделей ДНК. Но они не увенчались успехом, пока не получили важную часть данных: рентгеновская «фотография» ДНК, которая точно указала на ее двойную хелику. Эта фотография была неопубликованными данными физика Розалинд Франклин и была передана Уотсону и Крику без ведома Франклина. Уотсон и Крик опубликовали свое описание структуры ДНК в 1953 году, и вместе с Морисом Уилкинсом (сотрудником Franklin's) они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 года за это открытие. К сожалению, Франклин умер в 1958 году и поэтому не имел права на Нобелевскую премию.

Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, состоит из двух полинуклеотидных цепей. Каждая из них состоит из четырёх типов нуклеотидных субъединиц, которые состоят из одной фосфатной группы и азот-содержащего основания, аденина, А, цитозина, С, гуанина, G или тимина, T, прикреплённого к сахару дезоксирибозе. Такое расположение создаёт сахарофосфатную магистраль структуры ДНК.

На одной цепочке сахар ориентирован так, что гидроксильная группа открыта на третьем атоме углерода, который готов к ковалентной связи с другой молекулой сахара в цепи при пятом атоме углерода через фосфодиэфирные связи. На противоположной антипараллельной цепочке, каждое основание уникальным образом спарено, C с G, и A с T, благодаря различиям в количестве водородных связей между ними. Такая химическая полярность обеспечивает эффективную упаковку, обматывая две цепи вокруг друг друга для формирования трёхмерной двойной спирали с десятью парами оснований на каждом полном витке.