Структура ДНК

К концу сороковых годов большинство исследователей уже полагали, что генетическая информация содержится в ДНК, и потому выяснение структуры молекулы ДНК возбуждало особый интерес. Так же как и почти во всех крупных научных открытиях, в разрешении этой загадки принимали участие многие.

Окончательный ответ должен был согласоваться с рядом экспериментально установленных фактов: ДНК построена из нуклеотидов. Каждый нуклеотид (см. разд. 9.12) состоит из фосфатной группы, ковалентно связанной с пятиуглеродным сахаром (дезоксирибозой в случае нуклеотидов ДНК), который в свою очередь ковалентно связан с одним из четырех возможных азотистых оснований (рис. 14.6). Молекула азотистого основания содержит одно (тимин и цитозин) или два кольца (аденин и гуанин). Нуклеотиды присоединяются друг к другу таким образом, что фосфатная группа каждого следующего нуклеотида образует ковалентную связь с сахаром предыдущего нуклеотида. В результате возникает длинная цепь из чередующихся остатков сахара и фосфатных групп, которую называют сахаро-фосфатным остовом молекулы. Основания располагаются по одну сторону этого сахаро-фосфатного остова, под прямым углом к нему (рис. 14.6). В любой молекуле ДНК число нуклеотидов, в состав которых входит аденин (А), равно числу нуклеотидов, содержащих тимин (Т), а число гуани- новых (Г) нуклеотидов равно числу цитозиновых (Ц); сокращенно это обозначают так: А = Т, Г = Ц. Молекула ДНК закручена в спираль, причем основания располагаются перпендикулярно оси спирали. Это обнаружила Розалинда Франклин (Rosalind Franklin) при изучении пятен, образуемых на фотопленке рентгеновским излучением, рассеянным кристаллами очищенной ДНК. Полученные ею рентгенограммы показали также, что сахаро-фосфатный остов образует наружную часть спирали, а основания находятся внутри, и что на один виток спирали приходится десять нуклеотидов. Был определен также диаметр спирали, и это позволило заключить, что она состоит из более чем одной нити.


Рис. 14.7. Каждая молекула ДНК составлена из двух цепей. Цепь, изображенная на рис. 14.6, показана здесь со своим партнером. Сахаро-фосфатные остовы обеих цепей располагаются снаружи, а основания находятся внутри молекулы, где они связаны с основаниями второй цепи водородными связями (обозначены голубыми плашками).
Результаты, полученные Франклин, дали многое для расшифровки структуры ДНК, но два вопроса все еще оставались неясными: из скольких нитей состоит молекула ДНК и как эти нити объединены? Оказалось, что именно в ответах на эти вопросы и заключаются наиболее интересные особенности структуры ДНК.
Розалинда Франклин проводила свои исследования в 1952 г. Среди ученых в то время шло яростное состязание; все стремились поскорее собрать все имеющиеся данные в единое целое и разгадать, наконец, эту тайну-расшифровать структуру ДНК. Американский химик Лайнус Полинг (Linus Pauling) предложил модель молекулы ДНК из трех нитей. Вскоре, однако, обнаружились недостатки этой модели, и Полинг начал работать над новым ее вариантом.

Был на правильном пути и Морис Уилкинс (Maurice Wilkins), руководитель той лаборатории в Лондоне, где работала Розалинда Франклин. Однако первыми сумели создать приемлемую модель, согласующуюся со всеми экспериментальными данными, молодой ученый Джеймс Уотсон (James Watson) и Фрэнсис Крик (Francis Crick), физик, переквалифицировавшийся в биохимика. К этой структуре они пришли, пользуясь набором масштабных, т.е. геометрически подобных, моделей нуклеотидов, с помощью которых они проверяли положение всех атомов, входящих в состав молекулы ДНК.
В модели структуры ДНК, предложенной Уотсоном и Криком, молекула ДНК состоит из двух нитей, или цепей. (Число «2» вполне удовлетворяет биологов, потому что и клетки, и хромосомы воспроизводятся путем образования двух новых единиц из одной исходной.) Две цепи молекулы ДНК образуют нечто вроде веревочной лестницы, в которой роль «веревок» играют сахаро-фосфатные остовы этих цепей, а роль «перекладин»-основания (рис. 14.7).




Каждая «перекладина» состоит из двух оснований, присоединенных к двум противоположным цепям; у одного из этих оснований в молекуле одно кольцо, а у другого-два. Таким образом, это может быть либо аденин в паре с тимином, либо гуанин в паре с цитозином, причем в каждой перекладине любое основание может находиться на любой цепи. Пара оснований соединена водородными связями: две водородные связи скрепляют пару аденин-ти- мин и три-пару гуанин-цитозин (рис. 14.8). Наиболее стабильные комбинации водородных связей образуют А с Т и Г с Ц, чем и объясняется наблюдение Чаргаффа, обнаружившего, что в любой ДНК А = Т и Г = Ц. Поскольку в каждой паре оснований есть основание с одним кольцом в молекуле и основание с двумя кольцами, все перекладины «лестницы» ДНК имеют одну и ту же ширину и, значит, сахаро-фосфатные остовы двух ее цепей находятся всегда на одинаковом расстоянии друг от друга.
Вся «лестница» ДНК закручена в спираль, как это выявил рентгеноструктурный анализ. Эту спираль называют «двойной спиралью», поскольку она состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой (рис. 14.9).
Статья Уотсона и Крика, в которой сообщалось о расшифровке этой структуры, заняла всего две странички в научном журнале, однако она явилась краеугольным камнем, на котором построено здание современной моле-

Рис. 14.9. Двойная спираль. Две цепи обвиты одна вокруг другой. Каждая цепь, изображенная здесь в виде серой полосы, состоит из чередующихся остатков сахара и фосфатных групп. Голубым обозначены водородные связи между основаниями (А, Т, Г и Ц), удерживающие две цепи вместе.
кулярной генетики. Эта столь простая и вместе с тем изящная модель вызвала среди ученых невероятное волнение. Как сказал Уотсон, перефразируя известную поговорку: «Это было так красиво, что не могло быть неверно». 

Еще по теме Структура ДНК:

1. 3.4.2 Свойства ДНК как вещества наследственности и изменчивости 3.4.2.1. Самовоспроизведение наследственного материала. Репликация ДНК
2. 3.4.2.3. Изменения нуклеотидных последовательностей ДНК. Генные мутации
3. «Эгоистичная» ДНК и гены в организмах
4. 3.4.2.2. Механизмы сохранения нуклеогидной последовательности ДНК. Химическая стабильность. Репликация. Репарация
5. ЧАСТЬ II. ИНФЕКЦИИ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ ДНК-СОДЕРЖАЩИМИ ВИРУСАМИ
6. ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ РНК И ДНК В КОРНЯХ И ЛИСТЬЯХ ВИНОГРАДА, ПОРАЖЕННЫХ ФИЛЛОКСЕРОЙ
7. СТРУКТУРЫ
8. 2. Структура популяций
9. СТРУКТУРА ПОЧВЫ
10. Структура и функция
11. Половая структура
12. Вертикальная структура
13. Структура генофонда
14. Пространственная структура популяций
15. Физиология субклеточных стуктур
16. Возрастная структура
17. Онтогенетическая структура