Ačkoli struktura DNA nebyla známa, základní stavební kameny DNA byly známy již mnoho let. Základní prvky DNA byly izolovány a určeny částečným rozbitím purifikované DNA. Tyto studie ukázaly, že DNA se skládá pouze zečtyř základních molekul zvaných nukleotidy, které jsou identické až na to, že každá obsahuje jinou dusíkatou bázi. Každý nukleotid obsahuje fosfát,cukr (typu deoxyribózy) a jednu ze čtyř bází (obrázek 8-4). Pokud není fosfátová skupina přítomna, tvoří báze a deoxyribóza spíše nukleosid než nukleotid. Čtyři báze jsou adenin, guanin, cytosin a tymin. Úplné chemické názvy nukleotidů jsou deoxyadenosin5′-monofosfát (deoxyadenylát nebo dAMP), deoxyguanosin5′-monofosfát (deoxyguanylát, nebo dGMP), deoxycytidin 5′-monofosfát (deoxycytidylát, ordCMP) a deoxythymidin 5′-monofosfát (deoxythymidylát, dTMP). Je však pohodlnější označovat každý nukleotid pouze zkratkou jeho báze (A, G, C, resp. T). Dvě z bází, adenin a guanin, mají podobnou strukturu a nazývají se puriny. Další dvě báze, cytosin athymin, jsou si také podobné a nazývají se pyrimidiny.
Obrázek 8-4
Chemická struktura čtyř nukleotidů (dvou s purinovými a dvou s pyrimidinovými bázemi), které jsou základními stavebními kameny DNA.Cukr se nazývá deoxyribóza, protože se jedná o variaci běžného cukru, ribózy, která má o jeden kyslík více (více…)
Poté, co byla objasněna ústřední role DNA v dědičnosti, se mnoho vědců rozhodlo určit přesnou strukturu DNA. Jak může molekula s tak omezeným rozsahemrůzných složek uchovávat obrovské množství informací o všechproteinových primárních strukturách živého organismu? První, kterým se podařilo dát dohromady stavební kameny a najít rozumnou strukturu DNA – Watson a Crick v roce 1953 – pracovali na základě dvou druhů vodítek. Nejprve Rosalind Franklinová a Maurice Wilkins shromáždili údaje o struktuře DNA získané rentgenovou difrakcí. Při těchto experimentech se rentgenové paprsky vrhají na vlákna DNA a rozptyl paprsků z vlákna se pozoruje zachycením na fotografickém filmu, kde rentgenové paprsky vytvářejí skvrny. Úhel rozptylu, který představuje každá skvrna na filmu, poskytuje informace o poloze atomu nebo určitých skupin atomů v molekule DNA. Tento postup není jednoduchý na provedení (ani na vysvětlení) a interpretace obrazců skvrn je velmi obtížná. Dostupné údaje naznačovaly, že DNA je dlouhá a tenká a že má dvě podobné části, které jsou navzájem rovnoběžné a probíhají po celé délce molekuly. Rentgenové údaje ukázaly, že molekula je šroubovicová (spirálovitá). V bodových vzorcích byly přítomny i další nepravidelnosti, ale nikdo zatím nepřemýšlel o trojrozměrné struktuře, která by vysvětlovala právě tyto bodové vzorce.
Druhá sada vodítek, kterou měli Watson a Crick k dispozici, pocházela z práce, kterou o několik let dříve provedl Erwin Chargaff. Studiem velkého výběru DNA z různýchorganismů (tabulka 8-1) Chargaffstanovil určitá empirická pravidla o množství jednotlivých složek DNA:
Tabulka 8-1
Molární vlastnosti bází* v DNA z různých zdrojů.
Celkové množství pyrimidinových nukleotidů (T + C) se vždy rovná celkovému množství purinových nukleotidů (A + G).
Množství T se vždy rovná množství A a množství C se vždy rovná množství G. Ale množství A + T se nemusí nutně rovnat celkovému množství G + C, jak je vidět z posledního sloupce tabulky 8-1. Tento poměr se u různých organismů liší.
Dvojitá šroubovice
Struktura, kterou Watson a Crick z těchto indicií odvodili, je dvojitá šroubovice, která vypadá spíše jako dvě do sebe zaklesnuté pružiny. Každé lůžko (šroubovice) je řetězec nukleotidůudržovaný pohromadě fosfodiesterovými vazbami, v nichž fosfátová skupina tvoří můstek mezi -OH skupinami na dvou sousedních cukerných zbytcích. Dvě „lůžka“ (šroubovice) drží pohromadě vodíkové vazby, v nichž dva elektronegativní atomy „sdílejí“ proton mezi bázemi. Vodíkové vazby vznikají mezi atomy vodíku s malým kladným nábojem a akceptorovými atomy s malým záporným nábojem. Například,
Každý atom vodíku ve skupině NH2 je mírně kladný (δ+), protože atom dusíku má tendenci přitahovat elektrony vazby N-H, čímž atomu vodíku mírně chybí elektrony. Atom kyslíku má ve své vnější slupce šest nevázaných elektronů, takže je mírně záporný (δ -). Vodíková vazba vzniká mezi jedním H a O.Vodíková vazba je poměrně slabá (pouze asi 3 % síly akovalentní chemické vazby), ale tato slabost (jak uvidíme) hraje důležitou roli ve funkci molekuly DNA v dědičnosti. Ještě jeden důležitý chemický fakt: vodíková vazba je mnohem silnější, pokud na sebe zúčastněné atomy „míří“ v ideálních orientacích.
Vodíkové vazby jsou tvořeny dvojicemi bází a jsou vyznačeny tečkovanými čarami na obrázku 8-5, který ukazuje část této párové struktury s rozvinutými šroubovicemi. Každý pár bází se skládá z jednépurinové a jedné pyrimidinové báze, spárovaných podle následujícího pravidla: Na obrázku 8-6, což je zjednodušený obrázek vinutí, je každý z párů bází znázorněn „tyčinkou“ mezi „stuhami“ nebo takzvanými cukr-fosfátovými kostmi řetězců. Na obrázku 8-5 si všimněte, že obě páteře probíhají v opačných směrech; říká se tedy, že jsou antiparalelní, a (z důvodů zřejmých z obrázku) se jedna nazývá 5′ → 3′ vlákno a druhá3′ → 5′ vlákno.
Obrázek 8-5
Dvojitá šroubovice DNA, rozvinutá tak, aby byly vidět cukr-fosfátové páteře(modře) a příčky páru bází (červeně). Páteře probíhají v opačných směrech; konce 5′ a 3′ jsou pojmenovány podle orientace 5′ a 3′ atomů uhlíku (více…)
Obrázek 8-6
Zjednodušený model znázorňující šroubovicovou strukturu DNA. Tyčinkypředstavují páry bází a stužky představují cukr-fosfátovékostky dvou antiparalelních řetězců. Různá měřeníjsou uvedena v angströmech (1 Å = 0,1 (více…)
Dvojitá šroubovice pěkně odpovídala rentgenovým údajům a velmi pěkně souvisela sChargaffovými údaji. Při studiu modelů, které pro tuto strukturu vytvořili, si Watson aCrick uvědomili, že pozorovaný poloměr dvojité šroubovice (známý z rentgenových dat) lze vysvětlit, pokud se purinová báze vždy spáruje (vodíkovou vazbou) s pyrimidinovou bází (obrázek8-7). Takové párování by vysvětlovalo pravidelnost (A + G) = (T + C) pozorovanou Chargaffem, ale předpovídalo by čtyři možné páry: Chargaffova data však ukazují, že T se páruje pouze s A a C pouze s G. Watson a Crick ukázali, že pouze tato dvě párování mají nezbytné komplementární tvary „zámku a klíče“, které umožňují účinnou vodíkovou vazbu (obrázek 8-8).
Obrázek 8-7
Párování purinů s pyrimidiny přesně odpovídá průměru dvojité šroubovice DNA určenému z rentgenových dat. (ZR. E. Dickerson, „The DNA Helix and How It Is Read“ (Šroubovice DNA a její čtení). Copyright ©1983 by Scientific American, Inc. (více…)
Obrázek 8-8
Vodíková vazba typu lock-and-key mezi A a T a mezi G a C. (Z knihy G. S. Stent, Molecular Biology of BacterialViruses. Copyright © 1963 by W. H. Freeman andCompany.)
Všimněte si, že pár G-C má tři vodíkové vazby, zatímco pár A-T pouze dvě. Předpokládali bychom, že DNA obsahující mnoho párů G-C bude stabilnějšínež DNA obsahující mnoho párů A-T. Ve skutečnosti se tato předpověď potvrdila. Struktura DNA přehledně vysvětluje Chargaffova data (obrázek 8-9) a tato struktura je v souladu s rentgenovými daty.
Obrázek 8-9
(a) Model dvojité šroubovice DNA vyplňující prostor. (b) Rozvinutáreprezentace krátkého úseku nukleotidových párů, která ukazuje, jak párováníA-T a G-C vytváří Chargaffovy poměry. Tento model je jednou z několika forem DNA, označovaných jako (více…)
Třírozměrný pohled na dvojitou šroubovici
V trojrozměrném pohledu tvoří báze spíše ploché struktury a tyto ploché bázese částečně skládají na sebe ve stočené struktuře dvojité šroubovice.Toto skládání bází nesmírně přispívá ke stabilitě molekuly tím, ževylučuje molekuly vody z prostorů mezi páry bází. (Tento jev se velmi podobá stabilizační síle, kterou můžete pocítit, když k sobě pod vodou přitisknete dvě skleněné desky a pak se je pokusíte oddělit.)Následně se zjistilo, že ve vlákně analyzovaném pomocí difrakce jsou dvě formy DNA. Forma A je méně hydratovaná než formaB a je kompaktnější. Předpokládá se, že forma BDNA je forma, která se v živých buňkách vyskytuje nejčastěji.
Skládání párů bází ve dvojité šroubovici vede ke dvěma drážkám vcukr-fosfátových páteřích. Tyto drážky se označují jako hlavní a vedlejší drážky a lze je snadno vidět na prostorově vyplněném (trojrozměrném) modelu na obrázku 8-9a.
Význam struktury DNA
Objasnění struktury DNA způsobilo v genetice (a ve všech oblastech biologie) velké vzrušení ze dvou základních důvodů. Za prvé, struktura naznačuje zřejmý způsob, jakým lze molekulu duplikovat nebo replikovat, neboť každá báze může určit svou komplementární bázi pomocí vodíkové vazby. Tato základní vlastnost genetické molekuly byla až dosud záhadou. Za druhé, struktura naznačuje, že možná tato sekvence párů nukleotidů v DNA diktuje sekvenci aminokyselin v proteinu organizovaném daným genem. Jinými slovy, nějaký druh genetického kódu může zapsatinformaci v DNA jako sekvenci párů nukleotidů a pak ji přeložit do jiného jazyka sekvencí aminokyselin v bílkovině.
Tyto základní informace o DNA jsou dnes známé téměř každému, kdo četl učebnici abiologie na základní nebo střední škole, nebo dokonce časopisy a noviny.Ale zkuste se vžít do situace v roce 1953 a představte si to vzrušení.Do té doby byly důkazy o tom, že nezajímavá DNA je genetickou molekulou, zklamáním a odrazením. Ale Watsonova-Crickova struktura DNAnajednou otevřela možnost vysvětlit dvě největší „tajemství“ života. James Watson vylíčil příběh tohoto objevu (z vlastního pohledu,silně zpochybňovaného ostatními účastníky) ve fascinující knize nazvanéDvojitá šroubovice, která odhaluje složitou souhru osobnostních střetů, chytrých postřehů, tvrdé práce a prostého štěstí při tak důležitém vědeckém pokroku.
Alternativní struktury
Kromě forem A a B DNA byla v krystalech synteticky připravené DNA nalezena nová forma, která obsahuje střídající se G a C na stejném vlákně. Tato forma DNA Z má klikatou páteř a vytváří levotočivou šroubovici, zatímco DNA A i B tvoří pravotočivé šroubovice.
.