Deși structura ADN-ului nu era cunoscută, elementele de bază ale ADN-ului erau cunoscute de mulți ani. Elementele de bază ale ADN-ului fuseseră izolate și determinate prin ruperea parțială a ADN-ului purificat. Aceste studii au arătat că ADN-ul este compus din numai patru molecule de bază numite nucleotide, care sunt identice, cu excepția faptului că fiecare conține o bază azotată diferită. Fiecare nucleotidă conține fosfat, zahăr (de tip deoxiriboză) și una dintre cele patru baze (figura 8-4). Atunci când grupa fosfat nu este prezentă, baza și dezoxiriboza formează mai degrabă o nucleozidă decât o nucleotidă. Cele patru baze sunt adenina, guanina, citosina și timina. Denumirile chimice complete ale nucleotidelor sunt: deoxiadenozină5′-monofosfat (deoxiadenilat sau dAMP), deoxiguanozină 5′-monofosfat (deoxiguanilat, sau dGMP), deoxi-citidină 5′-monofosfat (deoxi-citidilat, ordCMP) și deoxitidină 5′-monofosfat (deoxitidilat, sau dTMP). Cu toate acestea, este mai convenabil să ne referim la fiecare nucleotid prin abrevierea bazei sale (A, G, C și, respectiv, T). Două dintre baze, adenina și guanina, au o structură similară și se numesc purine. Celelalte două baze, citozina și timina, sunt, de asemenea, similare și se numesc pirimidine.
Figura 8-4
Structura chimică a celor patru nucleotide (două cu baze purinice și două cu baze pirimidinice) care sunt elementele fundamentale ale ADN.Zahărul se numește deoxiriboză pentru că este o variantă a unui zahăr comun, riboza, care are un oxigen în plus (continuare…)
După ce rolul central al ADN în ereditate a devenit clar, mulți oameni de știință și-au propus să determine structura exactă a ADN-ului. Cum este posibil ca o moleculă cu o gamă atât de limitată de componente diferite să stocheze gama vastă de informații despre toate structurile primare proteice ale organismului viu? Primii care au reușit să pună cap la cap elementele constitutive și să găsească o structură rezonabilă a ADN-ului – Watson și Crick în 1953 – au lucrat pe baza a două tipuri de indicii. În primul rând, Rosalind Franklin și Maurice Wilkinsau adunat date de difracție a razelor X privind structura ADN. În astfel de experimente, razele X sunt lansate asupra fibrelor de ADN, iar împrăștierea razelor de pe fibră este observată prin captarea lor pe un film fotografic, unde razele X produc pete. Unghiul de împrăștiere reprezentat de fiecare punct de pe film oferă informații despre poziția unui atom sau a anumitor grupuri de atomi în molecula de ADN. Această procedură nu este simplă de realizat (sau de explicat), iar interpretarea modelelor de pete este foarte dificilă. Datele disponibile sugerau că ADN-ul este lung și subțire și că are două părți similare care sunt paralele între ele și care se întind pe toată lungimea moleculei. Datele cu raze X au arătat că molecula este elicoidală (în formă de spirală). Alte neregularități erau prezente în modelele de pete, dar nimeni nu se gândise încă la o structură tridimensională care ar putea explica doar acele modele de pete.
Secundul set de indicii de care dispuneau Watson și Crick a venit din munca făcută cu câțiva ani mai devreme de Erwin Chargaff. Studiind o mare selecție de ADN de la diferite organisme (tabelul 8-1), Chargaff a stabilit anumite reguli empirice despre cantitățile fiecărei componente a ADN-ului:
Tabel 8-1
Proprietățile molare ale bazelor* din ADN din diferite surse.
Cantitatea totală de nucleotide pirimidinice (T + C) este întotdeauna egală cu cantitatea totală de nucleotide purinice (A + G).
Cantitatea de T este întotdeauna egală cu cantitatea de A, iar cantitatea de C este întotdeauna egală cu cantitatea de G. Dar cantitatea de A + T nu este neapărat egală cu cantitatea de G + C, așa cum se poate vedea în ultima coloană a tabelului 8-1. Acest raport variază întrediferite organisme.
Două helix
Structura pe care Watson și Crick au derivat-o din aceste indicii este o dublă helix, care seamănă mai degrabă cu două arcuri de pat întrepătrunse. Fiecare arc de pat (helix) este un lanț de nucleotide ținute împreună prin legături fosfodiester, în care un grup de fosfați formează o punte între grupurile -OH de pe două resturi de zahăr adiacente. Cele două „arcuri de pat” (elice) sunt ținute împreună prin legături de hidrogen, în care doi atomi electronegativi „împart” un proton, între baze. Legăturile de hidrogen se formează între atomii de hidrogen cu o mică încărcătură pozitivă și atomii acceptori cu o mică încărcătură negativă. De exemplu,
Care atom de hidrogen din grupa NH2 este ușor pozitiv (δ+) deoarece atomul de azot tinde să atragă electronii legăturii N-H, lăsând astfel atomul de hidrogen ușor lipsit de electroni. Atomul de oxigen are șase electroni nelegate în învelișul său exterior, ceea ce îl face ușor negativ (δ -). O legătură de hidrogen se formează între un H și O. Legăturile de hidrogen sunt destul de slabe (doar aproximativ 3% din puterea unei legături chimice acovalente), dar această slăbiciune (după cum vom vedea) joacă un rol important în funcția moleculei de ADN în ereditate. Încă un fapt chimic important: legătura de hidrogen este mult mai puternică dacă atomii participanți sunt „îndreptați unul spre celălalt” în orientările ideale.
Legăturile de hidrogen sunt formate de perechi de baze și sunt indicate prin linii punctateîn figura 8-5, care prezintă o parte a acestei structuri perechi cu elicea neînfășurată. Fiecare pereche de baze este formată dintr-o bază de purină și o bază de pirimidină, împerecheate conform următoarei reguli: G se împerechează cu C, iar A se împerechează cu T. În figura 8-6, o imagine simplificată a înfășurării, fiecare dintre perechile de baze este reprezentată de un „băț” între „panglici”, sau așa-numitele oseminte de zahăr-fosfat ale lanțurilor. În figura 8-5, observați că cele două coloane vertebrale se deplasează în direcții opuse; astfel, se spune că sunt antiparalele și (din motive care apar în figură) una se numește catena 5′ → 3′ și cealaltă catena3′ → 5′.
Figura 8-5
Dupla spirală a ADN-ului, derulată pentru a arăta osiile de bază ale fosfaților de zahăr (albastru) și treptele perechilor de baze (roșu). Coloanele vertebrale se deplasează în direcții opuse; capetele 5′ și 3′ sunt denumite după orientarea atomilor de carbon 5′ și 3′ (continuare…)
Figura 8-6
Un model simplificat care arată structura elicoidală a ADN-ului. Bețișoarelereprezintă perechi de baze, iar panglicile reprezintă osemintele de zahăr-fosfat ale celor două lanțuri antiparalele. Diferitele măsurări sunt date în angstromi (1 Å = 0,1 (more…)
Dupla elice a reprezentat foarte bine datele cu raze X și se potrivește foarte bine cu datele lui Chargaff. Studiind modelele pe care le-au făcut ale structurii, Watson șiCrick și-au dat seama că raza observată a dublei helixuri (cunoscută din dateleX-ray) ar fi explicată dacă o bază purinică se împerechează întotdeauna (prin legătură de hidrogen) cu o bază pirimidinică (figura8-7). O astfel de împerechere ar explica regularitatea (A + G) = (T + C) observată de Chargaff, dar ar prezice patru posibile împerecheri: T—A, T—G, C—A și C—G. Cu toate acestea, datele lui Chargaff indică faptul că T se împerechează numai cu A și C se împerechează numai cu G. Watson și Crick au arătat că numai aceste două împerecheri au formele complementare necesare de „încuietoare și cheie” pentru a permite o legătură eficientă a hidrogenului (figura 8-8).
Figura 8-7
Împerecherea purinelor cu pirimidinele explică exact diametrul dublei elice a ADN-ului determinat din datele cu raze X. (DinR. E. Dickerson, „The DNA Helix and How It Is Read”. Copyright ©1983 de Scientific American, Inc. (continuare…)
Figura 8-8
Legătura de hidrogen de tip „lock-and-key” dintre A și T și dintre G șiC. (Din G. S. Stent, Molecular Biology of BacterialViruses. Copyright © 1963 de W. H. Freeman andCompany).
Rețineți că perechea G-C are trei legături de hidrogen, în timp ce perechea A-T are doar două. Am putea prezice că ADN-ul care conține multe perechi G-C ar fi mai stabil decât ADN-ul care conține multe perechi A-T. De fapt, această predicție se confirmă. Structura ADN-ului explică în mod clar datele lui Chargaff (figura 8-9), iar această structură este în concordanță cu datele obținute cu ajutorul razelor X.
Figura 8-9
(a) Un model de umplere a spațiului al dublei elice a ADN. (b) O reprezentare derulată a unei porțiuni scurte de perechi de nucleotide, arătând modul în care împerecherea A-T și G-C produce raporturile Chargaff. Acest model reprezintă una dintre cele câteva forme de ADN, denumite (more…)
Vedere tridimensională a dublei elice
În trei dimensiuni, bazele formează structuri mai degrabă plate, iar aceste baze plate se suprapun parțial una peste alta în structura răsucită a dublei elice.Această suprapunere a bazelor contribuie enorm la stabilitatea moleculei prinexcluderea moleculelor de apă din spațiile dintre perechile de baze. (Acestfenomen se aseamănă foarte mult cu forța de stabilizare pe care o puteți simți atunci când strângeți două plăci de sticlă împreună sub apă și apoi încercați să le separați.)Ulterior, s-a realizat că existau două forme de ADN în fibra analizată prin difracție. Forma A este mai puțin hidratată decât forma B și este mai compactă. Se crede că forma B aADN-ului este forma care se găsește cel mai frecvent în celulele vii.
Încrucișarea perechilor de baze în dubla helix are ca rezultat două caneluri în coloanele vertebrale de zaharo-fosfat. Aceste caneluri sunt denumite caneluri majore și caneluri minore și pot fi observate cu ușurință în modelul tridimensional (de umplere a spațiului) din figura 8-9a.
Implicații ale structurii ADN
Elucidarea structurii ADN a provocat mult entuziasm în genetică (și în toate domeniile biologiei) din două motive de bază. În primul rând, structura sugerează un mod evident în care molecula poate fi duplicată, saureplicată, în măsura în care fiecare bază poate specifica baza sa complementară prin legătură de hidrogen. Această proprietate esențială a unei molecule genetice a fost un mister până în acest moment. În al doilea rând, structura sugerează că, probabil, această secvență de perechi de nucleotide din ADN dictează secvența de aminoacizi din proteina organizată de acea genă. Cu alte cuvinte, un fel de cod genetic poate scrieinformația în ADN ca o secvență de perechi de nucleotide și apoi să o traducă într-un limbaj diferit de secvențe de aminoacizi în proteină.
Această informație de bază despre ADN este acum familiară aproape oricui a citit un manual de abiologie în școala primară sau în liceu, sau chiar reviste și ziare.Dar încercați să vă readuceți în scena din 1953 și imaginați-vă entuziasmul.Până atunci, dovezile că ADN-ul neinteresant era molecula genetică fuseseră dezamăgitoare și descurajatoare. Dar structura Watson-Crick a ADN-ului a deschis brusc posibilitatea de a explica două dintre cele mai mari „secrete” ale vieții. James Watson a relatat povestea acestei descoperiri (din propriul său punct de vedere,puternic pus la îndoială de alți participanți) într-o carte fascinantă intitulatăThe Double Helix (Dubla helix), care dezvăluie interacțiunea complicată dintre ciocnirile de personalitate, intuițiile inteligente, munca asiduă și simplul noroc în astfel de progrese științifice importante.
Structuri alternative
În plus față de formele A și B ale ADN-ului, o nouă formă a fost descoperită în cristale de ADN preparat sintetic care conțin G-uri și C-uri alternante pe același fir. Această formă Z de ADN are o coloană vertebrală în formă de zigzag și generează o elice stângace, în timp ce ADN-ul A și B formează elice drepte.