АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Модель структуры ДНК Уотсона-Крика

В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили модель структуры ДНК, которая с тех пор многократно проверялась и признана правильной в целом и во многих деталях. Их модель основывалась на четырех группах данных (рис. 4.9):

1. ДНК представляет собой полимер, состоящий из нуклеотидов, соединенных 3'-5'-фосфодиэфирными связями.

2. Состав нуклеотидов в ДНК подчиняется правилам Чаргаффа.

3. Рентгенограммы волокон ДНК, впервые полученные Морисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин, указывают на то, что молекулы обладают спиральной структурой и содержат более одной полинуклеотидной цепи.

4. Кислотно-щелочное титрование нативной ДНК показывает, что ее структура стабилизируется водородными связями. Титрование и нагревание нативной ДНК вызывают заметные изменения ее физических

4. Природа генетического материала 105

Рис. 4.9. Наблюдения, использованные Уотсоном и Криком при построении модели структуры ДНК. А. Нуклеотиды связаны 3'-5'-фосфодиэфирными связями. Б. Правила Чаргаффа. В. Нагревание приводит к изменению физических свойств нативной ДНК, но не разрывает ковалентные связи (Prof. Maurice H. F. Wïlkins, Kings College, London).

106 Организация и передача генетического материала

Рис. 4.10. Пара оснований, связанных в ДНК водородной связью. Аденин образует пару с тимином посредством двух водородных связей, а гуанин связан с цитозином тремя водородными связями. Обратите внимание на то, что водородными связями соединяются пурины (аденин и гуанин) с пиримидинами (тимином и цитозином). Водородные связи много слабее ковалентных, соединяющих отдельные атомы каждого нуклеотида, но достаточно сильны для того, чтобы обеспечить специфичность образования пар А — Т и G — С.

свойств, в частности вязкости, переводя ее в «денатурированную» форму, причем ковалентные связи не разрушаются.

Чтобы объяснить эти наблюдения, Уотсон и Крик предположили, что природная (нативная) молекула ДНК представляет собой две полимерные цепи попарно соединенных нуклеотидов, закрученные в форме двойной спирали. Сцепление между цепями обеспечивается особыми водородными связями между аденином и тимином и между гуанином и цитозином (рис. 4.10). Такое попарное сопоставление нуклеотидоз, при котором А комплементарен Т, a G комплементарен С, было выведено с помощью построения молекулярных моделей, на которых точно выдерживались все межатомные расстояния. Построение молекулярной модели гипотетической двойной спирали также потребовало антипараллельности нуклеотидных цепочек, как это изображено на рис. 4.11.

Предположенная специфичность водородных связей между аденином и тимином и между гуанином и цитозином объясняет наблюдавшееся Чаргаффом постоянство отношений А/Т и G/C и отражает комплементарность цепей двойной спирали. Более того, для любой последовательности оснований возможна равная ей по длине комплементарная последовательность, составляющая вторую цепь двойной спирали. Конкретная последовательность пар А — Т и G — С может быть видоспецифична и не влияет на структуру молекулы ДНК, образующую двойную спираль. Возможное число различных последовательностей пар оснований в молекуле ДНК практически бесконечно и способно кодировать колоссальное количество информации. Этот факт делает очень привлекательной гипотезу о том, что ДНК может служить веществом наследственно-

4. Природа генетического материала 107

Рис. 4.11. Две цепи молекулы ДНК расположены «антипараллельно», так что 5'-конец одной цепи соединен с З'-концомдругой.

сти для всех организмов. Из модели также следует, что физическая структура нативной ДНК может сильно изменяться при нагревании или титровании, не нарушающих ковалентных связей, но разрывающих водородные связи, так что две цепи отделяются друг от друга. Пространственная и молекулярная модель предложенной Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК изображена на рис. 4.12. Обратите внимание на то, что для разделения двух цепей им необходимо расплестись друг относительно друга.

Модель Уотсона - Крика позволяет представить себе, как может удваиваться нативная молекула ДНК, образуя две одинаковые дочерние молекулы. Поскольку две цепи ДНК комплементарны, каждая из них при расплетании двойной спирали может служить матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Последовательность оснований во вновь синтезируемой цепи будет определяться спецификой водородных связей между основаниями цепи-шаблона и вновь образуемой цепи (рис. 4.13). Таким образом, генетическая информация, содержавшаяся в последовательности пар оснований родительской молекулы, будет полностью воспроизведена в двух дочерних молекулах. Более того, если в процессе удвоения ДНК произошла ошибка и какой-то нуклеотид во вновь образуемой цепи выпал или оказался некомплементарным исходному, то это может изменить информационное содержание молекулы, причем можно ожидать, что эта ошибка будет передана дочерним молекулам ДНК в следующих поколениях. Такая замена пары нуклеотидов может обладать свойствами генетических мутаций. Таким образом, модель структуры ДНК Уотсона и Крика объясняет как способность генов к самоудвоению (репликации), так и их информационные свойства.

108 Организация и передача генетического материала

Рис. 4.12. Пространственная модель молекулы ДНК; видна закрученность цепей друг относительно друга. Обратите внимание на плотную упаковку пар оснований в двойной спирали.

Дата добавления: 2015-12-16 | Просмотры: 921 | Нарушение авторских прав