Although the DNA structure was not known, the basic building blocks of DNA had beenknown for many years. Podstawowe elementy DNA zostały wyizolowane i określone przez częściowe rozbicie oczyszczonego DNA. Badania te wykazały, że DNA składa się tylko z czterech podstawowych cząsteczek zwanych nukleotydami, które są identyczne z wyjątkiem tego, że każdy z nich zawiera inną zasadę azotową. Każdy nukleotyd zawiera fosforan, cukier (typu deoksyrybozy) i jedną z czterech zasad (Rysunek 8-4). Gdy grupa fosforanowa nie jest obecna, baza i dezoksyryboza tworzą nukleozyd, a nie nukleotyd. Cztery zasady to adenina, guanina, cytozyna i tymina. Pełne nazwy chemiczne nukleotydów to 5′-monofosforan deoksyadenozyny (deoksyadenylan, lub dAMP), 5′-monofosforan deoksyguanozyny (deoksyguanylan, lub dGMP), 5′-monofosforan deoksycytydyny (deoksycytydylat lub ordCMP) i 5′-monofosforan deoksytymidyny (deoksytymidylat lub dTMP). Jednakże wygodniej jest odnosić się do każdego nukleotydu poprzez skrót jego zasady (odpowiednio A, G, C i T). Dwie z zasad, adenina i guanina, mają podobną budowę i nazywane są purynami. Pozostałe dwie zasady, cytozyna i tymina, również są podobne i nazywane są pirymidynami.
Rysunek 8-4
Struktura chemiczna czterech nukleotydów (dwóch z zasadami purynowymi i dwóch z zasadami pirymidynowymi), które są podstawowymi elementami budulcowymi DNA.Cukier jest nazywany deoksyrybozą, ponieważ jest to wariacja zwykłego cukru, rybozy, która ma jeden tlen więcej (więcej…)
Po tym, jak centralna rola DNA w dziedziczności stała się jasna, wielu naukowców postanowiło określić dokładną strukturę DNA. Jak cząsteczka o tak ograniczonej liczbie różnych składników może przechowywać tak szeroki zakres informacji o wszystkich białkowych strukturach podstawowych żywego organizmu? Pierwsi, którym udało się połączyć elementy składowe i znaleźć sensowną strukturę DNA – Watson i Crick w 1953 roku – pracowali na podstawie dwóch rodzajów wskazówek. Po pierwsze, Rosalind Franklin i Maurice Wilkins zgromadzili dane dotyczące struktury DNA pochodzące z dyfrakcji rentgenowskiej. W takich eksperymentach, promienie X są wystrzeliwane na włókna DNA, a rozproszenie promieni z włókna jest obserwowane poprzez uchwycenie ich na kliszy fotograficznej, gdzie promienie X tworzą plamy. K±t rozproszenia reprezentowany przez każd± plamkę na filmie daje informację o położeniu atomu lub pewnych grup atomów w cz±steczce DNA. Procedura ta nie jest prosta do przeprowadzenia (ani do wyjaśnienia), a interpretacja wzorów plamek jest bardzo trudna. Dostępne dane sugerowały, że DNA jest długie i chude oraz że ma dwie podobne części, które są równoległe do siebie i biegną wzdłuż cząsteczki. Dane rentgenowskie wykazały, że cząsteczka jest helikalna (spiralna). Inne nieregularności były obecne w wzorach plamek, ale nikt jeszcze nie myślał o trójwymiarowej struktury, które mogłyby stanowić tylko te wzory spot.
Drugi zestaw wskazówek dostępnych dla Watsona i Cricka pochodzi z pracy wykonanej kilka lat wcześniej przez Erwina Chargaffa. Badając duży wybór DNA z różnych organizmów (Tabela 8-1), Chargaff ustalił pewne empiryczne zasady dotyczące ilości każdego składnika DNA:
Table 8-1
Molar Properties of Bases* in DNAs from Various Sources.
Całkowita ilość nukleotydów pirymidynowych (T + C) zawsze równa się całkowitej ilości nukleotydów purynowych (A + G).
Ilość T zawsze równa się ilości A, a ilość C zawsze równa się ilości G. Ale ilość A + T niekoniecznie równa się ilości G + C, jak widać w ostatniej kolumnie Tabeli 8-1. Ten stosunek zmienia się wśród różnych organizmów.
Podwójna helisa
Struktura, którą Watson i Crick wyprowadzili z tych wskazówek, to podwójna helisa, która wygląda raczej jak dwie zazębiające się sprężyny łóżkowe. Każdy bedspring (helisa) jest łańcuch nukleotydów utrzymywane razem przez wiązania fosfodiestrowe, w którym grupa fosforanowaforms most między grupami -OH na dwóch sąsiednich reszt cukrowych. Dwa „bedsprings” (heliksy) są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe, w których dwa elektronegatywnych atomów „dzielą się” protonem, między zasadami. Wiązania wodorowe tworzą się między atomami wodoru o małym ładunku dodatnim i atomami akceptora o małym ładunku ujemnym. Na przykład,
Każdy atom wodoru w grupie NH2 jest lekko dodatni (δ+), ponieważ atom azotu ma tendencję do przyciągania elektronów wiązania N-H, pozostawiając tym samym atom wodoru z niewielkim niedoborem elektronów. Atom tlenu ma sześć niewiązanych elektronów w swojej zewnętrznej powłoce, co czyni go lekko ujemnym (δ -). Wiązanie wodorowe tworzy się między jednym H i O. Wiązania wodorowe są dość słabe (tylko około 3 procent siły acovalent wiązania chemicznego), ale ta słabość (jak zobaczymy) odgrywa ważną rolę w funkcji cząsteczki DNA w dziedziczności. Jeszcze jeden ważny fakt chemiczny: wiązanie wodorowe jest znacznie silniejsze, jeśli uczestniczące atomy są „skierowane na siebie” w idealnych orientacjach.
Wiązania wodorowe są tworzone przez pary zasad i są zaznaczone liniami przerywanymi na rysunku 8-5, który pokazuje część tej sparowanej struktury z rozwiniętymi helisami. Każda para zasad składa się z jednej zasady bursztynowej i jednej zasady pirymidynowej, sparowanych zgodnie z następującą zasadą: G paruje się z C, a A paruje się z T. Na rysunku 8-6, uproszczonym obrazie zwijania, każda z par zasad jest reprezentowana przez „pałeczkę” pomiędzy „wstążkami”, czyli tak zwanymi kostkami cukrowo-fosforanowymi łańcuchów. Na Rysunku 8-5, zauważ, że dwa szkielety biegną w przeciwnych kierunkach; mówi się zatem, że są one równoległe i (z powodów widocznych na rysunku) jeden z nich nazywany jest pasmem 5′ → 3′, a drugi pasmem 3′ → 5′.
Rysunek 8-5
Podwójna helisa DNA, rozwinięta w celu pokazania szkieletów cukrowo-fosforanowych (niebieski) i szczebli pary zasad (czerwony). Szkielety biegną w przeciwnych kierunkach; końce 5′ i 3′ są nazwane zgodnie z orientacją atomów węgla 5′ i 3′ (więcej…)
Rysunek 8-6
Uproszczony model przedstawiający strukturę helikalną DNA. Pręciki przedstawiają pary zasad, a wstążki reprezentują wiązki cukrowo-fosforanowe dwóch antyrównoległych łańcuchów. Różne pomiary są podane w angstremach (1 Å = 0,1 (więcej…)
Podwójna helisa ładnie odpowiadała danym rentgenowskim i bardzo ładnie wiązała się z danymi Chargaffa. Studiując wykonane przez siebie modele tej struktury, Watson i Crick zdali sobie sprawę, że obserwowany promień podwójnej helisy (znany z danych rentgenowskich) można by wyjaśnić, gdyby zasada purynowa zawsze parowała się (poprzez wiązanie wodorowe) z zasadą pirymidynową (Rysunek 8-7). Takie parowanie tłumaczyłoby regularność (A + G) = (T + C) zaobserwowaną przez Chargaffa, ale przewidywałoby cztery możliwe parowania: T—A, T—G,C—A, i C—G. Dane Chargaffa wskazują jednak, że T łączy się w pary tylko z A, a C tylko z G. Watson i Crick wykazali, że tylko te dwa połączenia mają niezbędne komplementarne kształty „zamka i klucza”, aby umożliwić efektywne wiązanie wodoru (Rysunek 8-8).
Rysunek 8-7
Parowanie puryn z pirymidynami odpowiada dokładnie średnicy podwójnej helisy DNA określonej na podstawie danych rentgenowskich. (FromR. E. Dickerson, „The DNA Helix and How It Is Read”. Copyright ©1983 by Scientific American, Inc. (więcej…)
Rysunek 8-8
The lock-and-key hydrogen bonding between A and T and between G andC. (From G. S. Stent, Molecular Biology of BacterialViruses. Copyright © 1963 by W. H. Freeman andCompany.)
Zauważmy, że para G-C ma trzy wiązania wodorowe, podczas gdy para A-T ma tylko dwa. Przewidywalibyśmy, że DNA zawierające wiele par G-C będzie bardziej stabilne niż DNA zawierające wiele par A-T. W rzeczywistości to przewidywanie się potwierdza. Struktura DNA zgrabnie wyjaśnia dane Chargaffa (Rysunek 8-9), a struktura ta jest zgodna z danymi rentgenowskimi.
Rysunek 8-9
(a) Wypełniający przestrzeń model podwójnej helisy DNA. (b) Odwijana reprezentacja krótkiego odcinka par nukleotydów, pokazująca jak parowanie A-T i G-C tworzy proporcje Chargaffa. Model ten jest jedną z kilku form DNA, określanych jako (więcej…)
Trójwymiarowy widok podwójnej helisy
W trzech wymiarach, zasady tworzą raczej płaskie struktury, a te płaskie zasady częściowo układają się jedna na drugiej w skręconej strukturze podwójnej helisy.To układanie baz dodaje ogromnie do stabilności cząsteczki przez wykluczenie cząsteczek wody z przestrzeni pomiędzy parami baz. (Zjawisko to jest bardzo podobne do siły stabilizującej, którą można poczuć, gdy ściska się dwie szklane płytki pod wodą, a następnie próbuje je rozdzielić.)Następnie zdano sobie sprawę, że we włóknie analizowanym metodą dyfrakcji znajdują się dwie formy DNA. Forma A jest mniej uwodniona niż forma B i jest bardziej zwarta. Uważa się, że forma B DNA jest formą najczęściej spotykaną w żywych komórkach.
Układanie par zasad w podwójnej helisie powoduje dwa rowki w cukrowo-fosforanowych szkieletach. Te rowki są określane jako główne i małe rowki i mogą być łatwo widoczne w wypełniającym przestrzeń (trójwymiarowym) modelu na rysunku 8-9a.
Implications of DNA structure
Elucidation of the structure of DNA caused a lot of excitement in genetics (andin all areas of biology) for two basic reasons. Po pierwsze, struktura sugeruje oczywisty sposób, w jaki cząsteczka może być powielana lub replikowana, ponieważ każda baza może określić swoją komplementarną bazę poprzez wiązanie wodorowe. Ta istotna właściwość cząsteczki genetycznej pozostawała do tej pory tajemnicą. Po drugie, struktura sugeruje, że być może ta sekwencja par nukleotydów w DNA dyktuje sekwencję aminokwasów w białku zorganizowanym przez ten gen. Innymi słowy, some sortof kod genetyczny może napisaćinformacja w DNA jako sekwencja par nukleotydów, a następnie przetłumaczyć go na inny język sekwencji aminokwasów w protein.
Ta podstawowa informacja o DNA jest teraz znany prawie każdemu, kto czytał podręcznik abiologii w szkole podstawowej lub średniej, a nawet czasopism i gazet.Ale spróbuj umieścić się z powrotem do sceny w 1953 roku i wyobrazić sobie podniecenie.Do tego czasu, dowody, że nieciekawe DNA było cząsteczka genetyczna hadbeen rozczarowujące i zniechęcające. Ale struktura Watson-Crick DNA nagle otworzyła możliwość wyjaśnienia dwóch największych „tajemnic” życia. James Watson opowiedział historię tego odkrycia (z własnego punktu widzenia, mocno kwestionowanego przez innych uczestników) w fascynującej książce zatytułowanej Podwójna spirala, która ujawnia zawiłą grę starć osobowości, sprytnych spostrzeżeń, ciężkiej pracy i zwykłego szczęścia w tak ważnych osiągnięciach naukowych.
Struktury alternatywne
Oprócz form A i B DNA, w kryształach syntetycznie przygotowanego DNA znaleziono nową formę, która zawiera naprzemiennie G i C na tym samym pasmie. Ta forma Z DNA ma zygzakowaty szkielet i generuje lewoskrętną helisę, podczas gdy zarówno A i B DNA tworzą prawoskrętne helisy.
.