22/02/2021
0Удивительно и обидно… Удивительно то, что всего из 4 (четырех) кирпичиков сложена вся жизнь. Обидно за лесное и охотничье хозяйство Украины, для которых методы исследований, связанные с анализом ДНК, всё ещё остаются будущем. М.П.
На заглавном фото: Слева направо: Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон. Фото: (с) A. Barringtot Brown / Photo Reseachers, Inc.
Я был не самым ярким, не был лучше и умнее других. Я такой же, как и все, и хотел заниматься ответами на серьёзные вопросы.
Дж.Уотсон.
21 февраля 1953 года ученые Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили структурную модель ДНК — двойную спираль. Эта работа была отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине в 1962 году и приблизила нас к пониманию фундаментальных основ генетики — науки, которая изучает гены, генетические вариации и наследственность в организмах. Генетика считается одной из самых быстро развивающихся наук в мире, и, пожалуй, самой многообещающей. Сегодня двойная спираль ДНК выступает одним из классических символов науки.
В 1951 году Уотсон начал работать с Френсисом Криком в Кавендишской лаборатории при Кембриджском университете. В течение нескольких лет напряженной работы, и под давлением конкурентов, ученые размышляли о структуре молекулы ДНК и пытались создать модель ДНК. Они обсуждали варианты спиралевидной формы ДНК, а чуть позже родилась идея двойной спирали: ровно 68 лет назад Уотсон догадался, что аденин из одной цепочки соединяется только с тимином из другой, а цитозин — с гуанином.
Еще до совместной работы Крика и Уотсона английский химик и специалист по рентгенокристаллографии Розалинд Франклин получила знаменитую фотографию 51 (рентгенограмма структуры ДНК), которая выявила двойную спираль в основе молекулы. Это экспериментальное подтверждение определило становление генетики как науки. Франклин была ассистенткой физика и молекулярного биолога Мориса Уилкинса, который впоследствии стал работать над изучением ДНК вместе с Криком и Уотсоном. В 1962 году все трое мужчин получили Нобелевскую премию «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живой материи». Что касается Розалинд Франклин, то, к сожалению, ее роль в исследованиях ДНК была широко признана лишь позднее.
Новое знание о структуре ДНК повлияло на развитие медицины, физики, химии, палеонтологии, антропологии и др. Благодаря такой науке как генетика сегодня мы можем получить сведения об огромном пути, который проделали наши предки за десятки тысячи лет, мы можем понять происхождение вирусов и лечить заболевания, вызванные ими, совершать прорывы в сельском хозяйстве и т.д.
На Земле существует огромное разнообразие форм жизни, но все виды – от простейшей бактерии до человека – имеют одинаковый генетический код: из четырех нуклеотидов в ДНК, которые обозначаются буквами A, C, G и T (аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г), и тимин (Т)). Последовательность этих химических единиц определяет, какие белки производит клетка живого организма. В каждой человеческой клетке содержится от двух до трех метров ДНК. Молекула ДНК, хранящая нашу наследственность, очень хрупкая. Но пока мы живы, специальные ферменты предохраняют её от разрушения.
Открытие структуры ДНК
Структура двойной спирали ДНК и как она была открыта. Чаргафф, Уотсон и Крик, Уилкинс и Франклин.Классная комната GoogleFacebookTwitterПо электронной почте
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.
Иллюстрация: оригинал взят из: “Мост Хеликс, Сингапур,” by William Cho, CC BY-SA 2,0В 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^11start superscript, 1, end superscript. Каждый нуклеотид состоит из сахара (дезоксирибозы), фосфатной группы и одного из четырех азотистых оснований: аденина (A), тимина (T), гуанина (G) или цитозина (C).Основания C и T, имеющие в своей структуре только одно углеродное кольцо, называются пиримидинами, а основания A и G, имеющие два кольца, называются пуринами.
Слева: структура нуклеотида ДНК. Сахар – дезоксирибоза, соединен с фосфатной группой и азотистым основанием. Основание может быть любым из четырех возможных вариантов: цитозин (С), тимин (Т), аденин (А) и гуанин (G). Четыре основания различаются по структуре и функциональным группам. Цитозин и тимин являются пиримидинами и имеют только одно углеродное кольцо. Аденин и гуанин являются пуринами , это значит, что в их структуре есть два углеродных кольца.Справа: цепь соединенных нуклеотидов ДНК. Сахара в составе различных нуклеотидов связаны между собой фосфодиэфирными связями. Эта связь состоит из фосфатной группы, в которой два атома кислорода связаны с другими атомами – в данном случае с атомами углерода соседних дезоксирибозных сахаров. Нить ДНК состоит из чередующихся фосфатных групп и дезоксирибозных сахаров (сахарофосфатного остова), причем азотистые основания присоединены к дезоксирибозным сахарам.Иллюстрация: левая сторона, изображение изменино, источник: “Нуклеиновая кислота: Изображение 1,” от OpenStax College, Biology (CC BY 3,0). Правая сторона, изображение изменино, источник: “Химическая структура ДНК,” от Madeleine Price Ball (CC0/public domain).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^22squared. Некоторые из наиболее важных подсказок для структуры ДНК пришли от Розалинд Франклин, женщины биохимика, работавшей тогда в лаборатории физика Мориса Уилкинса.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.
Рентгенограмма ДНК. Дифракционная картина имеет форму X, представляющую двухцепочечную спиральную структуру ДНК.Изображение изменено, источник: “Структура ДНК и секвенирование: Изображение 2,” от OpenStax College, Biology (CC BY 3,0)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^33cubed.[Уотсон и Крик украли данные Франклин?]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.
3D анимация молекулярной структуры двойной спирали ДНК.Источник изображения: “Bdna cropped,” от Jahobr, public domain.
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.[В чём смысл «штрихов» в обозначениях «3’» и «5‘»?]
Слева: изображение антипараллельной структуры ДНК. Показан короткий сегмент двойной спирали ДНК, состоящий из двух нитей, удерживаемых вместе водородными связями между азотистыми основаниями. Нить слева имеет фосфатную группу, в верхней части (5′-конец), и гидроксильную группу, в нижней части (3 ‘конец). Нить справа имеет противоположную ориентацию, с фосфатной группой, внизу (5′-конец), и гидроксидом, наверху (3’-конец). Таким образом, 5 ‘-конец одной цепи заканчивается рядом с 3′-концом другой, и наоборот.Справа: структура нуклеотида, на которой показана 5′-фосфатная группа и 3′-гидроксильная группа. Обозначения этих групп соответствуют положению на кольце дезоксирибозы. Кольцевые атомы углерода сахара маркированы от 1′ (углерод, несущий азотистое основание) до 5′ (углерод, несущий фосфатную группу). 3’ углерод в середине несет гидроксильную группу._Изображение изменено, источник: “Химическая структура ДНК,” от Madeleine Price Ball (CC0/public domain)._
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. [Как определить, что спираль ДНК — правосторонняя?]
Изображение двойной спирали ДНК, иллюстрирующее её правостороннее закручивание. Большая бороздка представляет собой широкое расстояние между витками одной нити ДНК, в то время как малая бороздка – расстояние между соседними нитями ДНК, и оно намного меньше большой бороздки по размеру. Пары оснований находятся в центре спирали, в то время как сахарнофосфатный остов проходит вдоль внешней стороны._Изображение изменено, источник: “Структура ДНК и секвенирование: Рисунок 3,” от OpenStax College, Biology (CC BY 3,0)._[Всегда ли спирали ДНК правосторонние?]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.
Диаграмма, иллюстрирующая попарное соединение оснований между собой A-T и G-C. А и Т находящиеся напротив друг друга на двух нитях спирали, и их функциональные группы образуют две водородные связи, которые удерживают нити вместе. Точно так же G и C находятся напротив друг друга на двух нитях, и их функциональные группы образуют три водородные связи, которые удерживают цепи вместе._Изображение изменено, источник: “Структура ДНК и секвенирование: Рисунок 3,” от OpenStax College, Biology (CC BY 3,0)._Парные основания объясняют, почему по правилам Чаргаффа количество A всегда равно количеству T, а количество C — количеству G^{11}11start superscript, 11, end superscript. Когда в одной цепи встречается A, в другой ему обязательно должен соответствовать T, и то же самое с C и G. А поскольку большой пурин (A или G) всегда находится в паре с небольшим пиримидином (T или C), диаметр спирали остаётся постоянным — около 222 нм.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) ^{12}12start superscript, 12, end superscript.
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.
