Двойная спираль

Связывая вместе различные данные, Уотсон и Крик сделали вывод, что ДНК не одиночная спираль, как у многих белков, но гигантская, тесно переплетенная двойная спираль. Представьте себе перила винтовой лестницы, которые образуют простую спираль. Если лестница заворачивается в виде спирали, а ступеньки сохраняют положение, перпендикулярное ее боковым краям, то получится грубая модель двойной спирали.

В молекуле ДНК «края» состоят из чередующихся молекул дезоксирибозы и фосфата (см. рис. 8-4, Б и 8-5), а «ступени» образованы азотистыми основаниями аденином (А), тимином (Т), гуанином (G) и цитозином (С) по одному основанию на каждый сахар-фосфат, причем каждую ступеньку образуют два основания. Основания соединены водородными связями относительно слабыми химическими связями, которые играют важную роль в образовании вторичной и третичной структур белков (рис. 8-5).

Расстояние между «краями», согласно измерениям Уилкинса, составляет 2 нм. Если бы связывались два пурина, то расстояние между ними оказалось бы большим, а два пиримидина не «достали» бы друг друга. Но все становится на свои места, если пурин соединяется с пиримидином. Поэтому пара оснований ступенька винтовой лестницы всегда представлена пурином и пиримидином (см. рис. 8-5).

По этой причине отношение пуринов и пиримидинов в молекуле ДНК всегда равно 1:1. Уотсон и Крик отметили, что последовательность нуклеотидов каждой цепи двойной спирали может быть любой, например ATGCGTACATT и т. д. Поскольку длина молекулы ДНК может составлять несколько тысяч нуклеотидов, то возможно ожидать и большого разнообразия в порядке чередования нуклеотидов.

Число пар оснований колеблется в пределах от 5000 для простейшего вируса до 5 ООО ООО ООО в 46 хромосомах человека. Если ДНК одной клетки человека расположить линейно, то длина нити достигнет 1,5 м; количество информации, заключенное в ней, уложится на 600 000 печатных страниц в среднем по 500 слов в каждой, что равноценно библиотеке в 1000 книг. Короче говоря, молекула ДНК действительно способна хранить необходимую генетическую информацию.

Молекула, которая копирует сама себя

Наиболее интересное открытие произошло, когда Уотсон и Крик попытались соединить две цепи ДНК, а именно: они обнаружили, что не только пурины не могут связываться с пуринами, и пиримидины с пиримидинами, но аденин может образовать пару только с тимином, а гуанин с цитозином. Только эти пары азотистых оснований образуют водородные связи; аденин не может образовать их с цитозином, а гуанин с тимином. Посмотрим снова на рис. 8-1. Модель Уотсона Крика просто и логично объясняет состав оснований в ДНК.

Может быть, самое важное свойство модели состоит в том, что две цепочки комплементарны, т. е. каждая содержит такую последовательность оснований, которая дополняет другую. Когда молекула ДНК «воспроизводит себя», она просто «расплетается»; водородные связи между азотистыми основаниями рвутся (рис. 8-6). Две цепи расходятся, и вдоль каждой образуются новые.

Если в материнской цепи присутствует тимин, то к нему пристраивается только аденин, точно так же, как гуанин образует пару только с цитозином. Таким образом на каждой исходной цепи образуется комплементарная ей цепь, и в результате воспроизводятся две точные копии материнской ДНК. Так открытие структуры ДНК помогло в принципе ответить на старый вопрос: каким образом наследственная информация удваивается и переходит от поколения к'поколению.

По поводу этой, одной из величайших загадок всех времен Уотсон и Крик писали в своей краткой первой публикации: «От нашего внимания не ускользнуло то, что постулированное нами специфическое образование пар сразу предполагает возможный механизм копирования наследственного материала». В 1962 г., через 9 лет после публикации своей оригинальной гипотезы, Уотсон, Крик и Уилкинс были удостоены Нобелевской премии, что свидетельствовало об огромной важности их исследования. Впоследствии было показано, что из-за очень большой длины и сложности строения (двойная спираль) процесс репликации ДНК происходит в несколько этапов, катализируемых ферментами.

Для расхождения и раскручивания цепей ДНК и правильного расположения комплементарных оснований необходимы специфические ферменты. Механизм работы этих ферментов открывает путь к пониманию процесса репликации ДНК. По мере того как химическая сторона этого процесса становилась более понятной, появились дополнительные «сложности» концы двух цепей двойной спирали различны. В каждой цепи фосфатная группа, которая соединяет две молекулы дезоксирибозы, связана с одним сахаром в 5-положении (пятый углеродный атом кольца дезоксирибозы), а с соседним сахаром в 3'-положении (третий углеродный атом кольца дезоксирибозы).

Благодаря подобной структуре связи сахар-фосфат-сахар каждая цепь имеет 5'- и З'-концы (см. рис. 8-5). Кроме этого, поскольку в одной цепи синтез ДНК направлен от 3'- к 5'-концу, то в другой цепи он имеет противоположное направление. Таким образом, две цепи ДНК антипараллельны (см. рис. 8-5). Синтез цепи в направлении от 3' к 5' непрерывен последовательно добавляется по одному нуклеотиду, тогда как синтез другой цепи прерывистый, она строится из ряда коротких фрагментов, которые затем соединяются, образуя .непрерывную цепь; при этом каждый фрашент синтезируется в обратном направлении. В настоящее время у бактерии Escherichia coli обнаружено более 14 различных ферментов, которые участвуют в тех или иных этапах процесса репликации ДНК, а у эукариот удвоение генетического материала происходит еще сложнее.

_{П. Рейвн, Р. Эверт, С. Айкхорн, Современная ботаника В 2-х томах, Том 1, Перевод с английского канд. биол. наук В. Н. Гладковой, проф. М. Ф. Даниловой, д-ра биол. наук И. М. Кислюк, канд. биол. наук Н. С. Мамушиной под редакцией акад. А. Л. Тахтаджяна}

AOF | 18.11.2020 16:51:09