Открытие двойной спирали ДНК. Вторичная структура ДНК

На основе рентгеноструктурного анализа М. Уилкинс и Р. Франклин в 1953 г. получили данные, указывающие на то, что ДНК имеет двухцепочечную структуру в форме спирали.

В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик основываясь на данных Чаргаффа и Франклин построили пространственную модель молекулы ДНК и истолковали ее роль как носителя генетической информации. Согласно их модели молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных комплементарных цепочек закрученных в двойную спираль

Азотистые основания нуклеотидов обеих цепей ДНК заключены внутри между витками спирали и соединены водородными связями. В соответствии с правилами Чаргаффа аденин одной цепи связан только с тимином другой цепи, а гуанин – только с цитозином. Пара аденин-тимин соединена двумя водородными связями, а пара гуанин- цитозин – тремя. Такой порядок соответствия азотистых оснований (А=Т и Г=Ц) называется комплементарностью, и, следовательно, цепи в ДНК комплементарны друг другу.

В каждой из цепей ДНК нуклеотиды последовательно соединены друг с другом с помощью остатка фосфорной кислоты и молекулы дезоксирибозы. Дезоксирибоза связывается с одной молекулой фосфорной кислоты через углерод в положении 3', а с другой – через углерод 5', образуя сахаро-фосфатный остов. Следует отметить, что обе цепи в молекуле ДНК имеют противоположную направленность. Межнуклеотидная связь в одной цепи имеет направление 5'-3', а в другой 3'-5'.

С развитием физико-химических методов выделения ДНК из различных организмов модель, разработанная Уотсоном и Криком была подтверждена экспериментально. Однако предстояло установить, как ДНК копируется (реплицируется) и кодирует синтез белка.

В 1953 г. американский генетик Д.Уотсон и английский физик Ф.Крик предложили модель вторичной структуры. Согласно этой модели ДНК по своей пространственной организации представляет собой двойную спираль.

Свое открытие ученые сделали, основываясь на ранее полученных результатах других ученых. Так Э.Чаргафф и более поздние исследователи, изучая нуклеотидный состав ДНК различных видов организмов, сделали следующие выводы:

a) нуклеотидный состав ДНК разных тканей одного и того же вида одинаков;

b) нуклеотидный состав ДНК у разных видов различен;

c) нуклеотидный состав не зависит от возраста и питания;

d) в составе ДНК число остатков аденина всегда равно числу остатков тимина, а число остатков гуанина равно числу остатков цитозина.

Другие ученые Р.Франклин и М.Уилкинс опубликовали рентгенограмму, полученную при рентгеноструктурном анализе ДНК. Метод рентгеноструктурного анализа широко используется при исследовании пространственной организации молекул. Предложенная Уотсоном и Криком двойная спираль ДНК объяснила результаты исследований выше упомянутых ученых.

Параметры двойной спирали ДНК, предложенной Уотсоном и Криком:

a) ДНК состоит из двух цепей, закрученных в правую двойную спираль;

b) цепи в молекуле ДНК расположены относительно друг друга антипараллельно;

c) молекулы азотистых оснований ориентированы перпендикулярно оси двойной спирали;

d) на внешней стороне двойной спирали находятся остатки пентозы и фосфорной кислоты;

e) цепи ДНК при закручивании в двойную спираль образуют большую и малую борозды, ширина большой борозды – 2, 2 нм, малой – 1, 2 нм;

f) на один виток спирали приходится 10 нуклеотидных остатков;

g) полный виток спирали имеет длину 3, 4 нм;

h) диаметр двойной спирали 1, 8 нм;

i) цепи ДНК связаны друг с другом водородными связями, которые образуются между гуанином одной цепи и цитозином другой цепи, или между тимином и аденином, расположенными в разных цепях;

j) между тимином и аденином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три водородные связи.

Способность гуанина взаимодействовать в молекуле ДНК только с цитозином, а аденина – только с тимином называют комплементарностью, а основания гуанин и цитозин, аденин и тимин – комплементарными. Согласно принципу комплементарности, последовательность одной цепи будет определять последовательность другой цепи. Всегда против аденинабудет находитсятимин, а против гуанина – цитозин. Таким образом, цепи ДНК в двойной спирали будут комплементарны друг другу.

Двойная спираль стабилизируется также стэкинг – взаимодействиями между основаниями. Основания расположены друг над другом и сближены своими плоскостями. В результате между ними возникают гидрофобные взаимодействия, а также дипольные взаимодействия π -связей.

Параметры двойной спирали в зависимости от условий и состава ДНК могут несколько отличатся от той модели, которую предложили Уотсон и Крик. В настоящее время описаны и другие модели ДНК. Тем не менее, во всех предложенных моделях сохраняется принцип комплементарности, и цепи ДНК закручены в двойную спираль.

A-форма ДНКобразуется при относительно низкой влажности (75%) и в присутствии ионов Na⁺, K⁺, Cs⁺. Эта структура является правой спиралью. В этой форме ДНК на виток спирали приходится 11 пар оснований. Расстояние между нуклеотидами вдоль оси спирали составляет 2, 56 А (ангстрем). Пары оснований наклонены на 20^o.

С-форма ДНК образуется при высокой концентрации соли лития и значениях влажности, промежуточных между теми, при которых образуются А- и В-ДНК (66%). Шаг спирали С-ДНК равен 30, 9 А. Число пар оснований на виток составляет 9, 33. Пары оснований наклонены на угол – 8^оотносительно оси.

Z-форма ДНК – левоспиральная. Она была открыта в 1979 г при исследовании структуры гексануклеотида d(CG)3. У этой спирали основание повернуто относительно оси. На виток Z-спирали приходится 12 пар оснований. Расстояние между соседними парами оснований составляет 7, 7 А.

ДНК выполняет следующие функции:

1. Участвует в копировании генетического материала (репликации) и передаче его дочерним клеткам в ходе их деления.

2. Обеспечивает

– экспрессию генов (на этапе транскрипции);

– регуляцию экспрессии генов (регуляцию транскрипции).

3. Осуществляет поддержание стабильности наследственной информации посредством репарации повреждений;

4. Накапливает мутации, обеспечивающие изменчивость наследственного материала;

5. Участвует в кроссинговере (рекомбинации), что также обеспечивает изменчивость наследственного материала;

6. На уровне ДНК осуществляются манипуляции с генами (генная инженерия;

7. На уровне ДНК осуществляются манипуляции с последовательностями нуклеотидов (геномика).