Биология клетки/Часть 1. Клетка как она есть/3/2

← Предыдущая глава	Глава 3.2	Следующая глава →
Строение двойной спирали ДНК

Мономеры ДНК — дезоксирибонуклеотиды

Дезоксирибонуклеотиды — мономеры ДНК. Каждый дезоксирибонуклеотид состоит из азотистого основания, остатка фосфорной кислоты и пятиуглеродного сахара (дезоксирибозы).

Они отличаются от рибонуклеотидов строением пятиуглеродного сахара (дезоксирибоза или рибоза). Между собой дезоксирибонуклеотиды отличаются только азотистыми основаниями (аденин, гуанин, цитозин, тимин), которые присоединяются к 1' атому дезоксирибозы ковалентной связью. Дезоксирибонуклеотиды одной цепи соединены между собой ковалентной связью, возникающей между фосфатной группой одного и 3' атомом углерода другого дезоксирибонуклеотида. Между азотистыми основаниями дезоксирибонуклеотидов двух разных цепочек образуется три или две водородные связи (гуанин связывается с цитозином тремя связями, а аденин с тимином двумя).

Азотистые основания нуклеотидов ДНК — аденин, гуанин, тимин и цитозин

К азотистым основаниям относят аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T), который входит в состав только ДНК, а урацил (U) заменяет его в РНК. Они обладают схожими структурами и химическими свойствами. Это гетероциклические органические соединения, производные пиримидина и пурина, входящие в состав нуклеотидов. Аденин и гуанин — производные пурина, а цитозин, урацил и тимин — производные пиримидина.

Когда азотистые основания присоединяются ковалентной связью к 1' атомам рибозы (в РНК) или дезоксирибозы (в ДНК), а к 5'-гидроксильной группе сахара присоединяется одна или несколько фосфатных групп, образуются нуклеотиды.

стандартные нуклеотиды ДНК составляют триплеты — участки ДНК, кодирующие одну аминокислоту. Например, с триплета АУГ (ему соответствует аминокислота метионин) обычно начинается синтез белка на рибосомах.

В таблице приведена структура главных азотистых оснований.

Азотистое основание	Аденин	Гуанин	Тимин	Цитозин	урацил
Нуклеозид	Аденозин A	Гуанозин G	Тимидин T	Цитидин C	Уридин U

Нуклеозиды, приведённые в таблице, входят в состав моно-, ди- и трифосфатов. Например, аденозин входит в состав АТФ — важнейшего энергетического ресурса организма.

Пуринs C₅N₄H₄ — гетероциклические соединения, имидазольные производные пиримидинов. Производные пурина играют важную роль в химии природных соединений (пуриновые основания ДНК и РНК; кофермент NAD; алкалоиды, кофеин и т. д.) и, благодаря этому, в фармацевтике — ядро пурина входит в состав некоторых антибиотиков. Пурин и ряд его производных обладают противоопухолевой, противовирусной и противоаллергической активностью.

В таблице приведены производные пурина.

Аденин — азотистое основание, аминопроизводное пурина. Образует две водородных связи с урацилом (в РНК) и тимином (в ДНК) по правилу комплементарности.

Представляет собой бесцветные кристаллы. Химическая формула С₅H₅N₅. Аденин проявляет основные свойства.

Аденин входит в состав многих жизненно важных для живых организмов соединений, таких как аденозин, аденозинфосфорные кислоты, нуклеиновые кислоты, адениновые нуклеотиды и др. В виде этих соединений аденин широко распространен в живой природе.

Гуанин — азотистое основание, аминопроизводное пурина, является составной частью нуклеиновых кислот. Химическая формула — C₅H₅N₅O.

В ДНК и РНК образует три водородные связи с цитозином по правилу комплементарности. Производные гуанилового нуклеотида — ГДФ, ГТФ и цАМФ — участвуют во многих сигнальных путях клетки. Для некоторых процессов, происходящих в клетке — например, для сборки микротрубочек — ГТФ используется как источник энергии.

Пиримидин C₄N₂H₄ — гетероциклическое соединение, имеющее плоскую молекулу, простейший представитель диазинов.

Пиримидин представляет собой бесцветные кристаллы с характерным запахом. Пиримидин проявляет свойства слабого двукислотного основания, так как атомы азота могут присоединять протоны. Производные пиримидина широко распространены в живой природе, где участвуют во многих важных биологических процессах. Его производные цитозин, тимин, урацил входят в состав нуклеотидов.

Биологическая роль пиримидинов не ограничена нуклеиновыми кислотами. Некоторые пиримидиновые нуклеотиды играют важную роль в процессах обмена углеводов и липидов. Витамин В1 (тиамин) — пиримидиновое производное. Пиримидиновое ядро входит в состав некоторых коферментов и антибиотиков.

Тимин — производное пиримидина. Формула C₅H₆N₂O₂.

Присутствует во всех живых организмах, где вместе с дезоксирибозой входит в состав нуклеозида тимидина, который может фосфорилироваться 1-3 остатками фосфорной кислоты с образованием нуклеотидов тимидин моно-, ди- или трифосфорной кислоты (ТМФ, ТДФ и ТТФ).

Дезоксирибонуклеотиды тимина входят в состав ДНК, в РНК на его месте располагается рибонуклеотид урацила. Тимин комплементарен аденину, образует с ним 2 водородные связи.

Цитозин — азотистое основание, производное пиримидина. С рибозой образует нуклеозид цитидин, входит в состав нуклеотидов ДНК и РНК. Во время репликации и транскрипции по правилу комплементарности образует три водородных связи с гуанином.

Представляет собой бесцветные кристаллы. Химическая формула C₄H₅N₃O. Его производные цитозин, тимин, урацил входят в состав нуклеотидов, проявляет основные свойства.

Урацил — пиримидиновое основание, которое является компонентом рибонуклеиновых кислот (РНК) и, как правило, отсутствует в дезоксирибонуклеиновых кислотах (ДНК). В составе РНК может комплементарно связываться с аденином, образуя две водородные связи.

Эрвин Чаргафф открыл правила, описывающие количественные соотношения нуклеотидов

Правило Чаргаффа — биологический закон, в соответствии с которым установлены количественные соотношения между азотистыми основаниями разных типов. Для того, чтобы определить точные количественные соотношения нуклеотидов, Чаргафф разделил нуклеотиды ДНК методом бумажной хроматографии. Ему удалось выявить три закономерности:

Число аденинов равно числу тиминов, а число гуанинов — числу цитозинов: А=Т, Г=Ц
Число пуринов равно числу пиримидинов: А+Г=Т+Ц
Число аденина и цитозина равно числу гуанина и тимина: А+Ц=Г+Т

Состав ДНК разных организмов различается суммарным числом комплементарных оснований. Соотношение комплементарных нуклеотидов тоже может быть различным в разных молекулах ДНК. У одних оорганизмов в ДНК преобладают пары аденин-тимин, а у других — гуанин-цитозин. При этом правила Чаргаффа будут выполняться в любом случае.

Вопрос: Если в ДНК содержится 21 % аденина, то какова долю (%) остальных нуклеотидов, содержащихся в ДНК?

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекулы ДНК имеют спиральную структуру

В 50-х годах 20 века многие химики и биологи пытались исследовать структуру ДНК. В Королевском колледже в Лондоне Морис Уилкинс и Розалинда Франклин пытались решить эту проблему методом рентгеноструктурного анализа солей ДНК. Но такой способ позволял выявить только общую структуру молекулы. Тем временем Джеймс Уотсон и Френсис Крик в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, используя данные, полученные М. Уилкинсом, стали строить пространственные 3-D модели ДНК. Они пытались создать структуру, которая согласовывалась бы со всеми данными рентгеноструктурного анализа. В итоге Уотсон и Крик пришли к выводу, что ДНК имеет спиральную структуру с периодичностью 0,34 нм вдоль оси.

В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик открыли строение ДНК, предложив модель двойной спирали

Нуклеиновые кислоты, подобно белкам, обладают первичной структурой (под которой подразумевается их нуклеотидная последовательность) и трехмерной структурой. Интерес к структуре ДНК усилился, когда в начале XX века возникло предположение, что ДНК, возможно, представляет собой генетический материал.

В начале 50-х годов американский химик, лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг, уже изучивший к тому времени α-спиральную структуру, характерную для многих фибриллярных белков, обратился к исследованию структуры ДНК, которая по имеющимся в то время сведениям также представлялась фибриллярной молекулой. Одновременно в Королевском колледже Морис Уилкинс и Розалинда Франклин пытались решить ту же проблему методом рентгеноструктурного анализа. Их исследования требовали долгой и трудоёмкой работы по приготовлению чистых препаратов солей ДНК, для которых удавалось получать сложные дифракционные картины. С помощью этих картин можно было, однако, выявить лишь общую структуру молекулы ДНК, не столь детализированную, как та, которую позволяли получить чистые кристаллы белка.

Тем временем Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета избрали иной подход, который в конечном счёте и обеспечил успешное решение проблемы. Используя все физические и химические данные, какие оказались в их распоряжении, Уотсон и Крик стали строить пространственные модели ДНК в надежде на то, что рано или поздно им удастся получить достаточно убедительную структуру, согласующуюся со всеми этими данными. Истории их поисков увлекательно описаны Уотсоном в его книге «Двойная спираль»[1].

Два обстоятельства оказались для Уотсона и Крика решающими. Во-первых, они имели возможность регулярно знакомиться с результатами работ Уилкинса и, сопоставляя с его рентгенограммами свои модели, могли таким образом проверять эти модели. А рентгенограммы Уилкинса свидетельствовали в пользу спиральной структуры с периодичностью 0,34 нм вдоль оси. Во-вторых, Уотсон и Крик отдавали себе отчёт в важном значении закономерностей, касающихся соотношения различных оснований в ДНК. Обнаружил эти закономерности и сообщил о них в 1951 году Эрвин Чаргафф. Это открытие, однако, при всей своей важности не привлекло к себе должного внимания.

Уотсон и Крик задались целью проверить предположение, что молекула ДНК состоит из двух спиральных полинуклеотидных цепей, удерживаемых вместе благодаря спариванию оснований, принадлежащих соседним цепям. Основания удерживаются вместе водородными связями. Аденин спаривается с тимином, гуанин — с цитозином; АТ-пара соединяется двумя водородными связями, а ГЦ-пара — тремя. Уотсон попытался представить себе такой порядок спаривания оснований и позже вспоминал об этом так: «От радости я почувствовал себя на седьмом небе, ибо тут я уловил возможный ответ на мучившую нас загадку: почему число остатков пуринов в точности равно числу остатков пиримидинов?»

Уотсон увидел, что при таком сочетании основания оказываются очень точно подогнанными друг к другу, а общий размер и форма этих двух пар оснований одинаковы, так как обе пары содержат по три кольца. Водородные связи при других сочетаниях оснований в принципе возможны, но они гораздо слабее. После того как все эти обстоятельства выяснились, можно было наконец приступить к созданию достоверной модели ДНК.

Уотсон и Крик показали, что ДНК состоит из двух антипараллельных (направленных в противоположные стороны) полинуклеотидных цепей. Каждая цепь закручена в спираль вправо, и обе они свиты вместе, то есть закручены вправо вокруг одной и той же оси, образуя двойную спираль. Каждая цепь состоит из сахарофосфатного остова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси спирали располагаются азотистые основания. Находящиеся друг против друга основания двух противоположных цепей двойной спирали связаны между собой водородными связями. Расстояние между сахарофосфатными остовами двух цепей постоянно и равно расстоянию, занимаемому парой оснований, то есть одним пурином и одним пиримидином. Два пурина занимали бы слишком много места, а два пиримидина — слишком мало для того, чтобы заполнить промежутки между двумя цепями. Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм одна от другой, чем и объясняется обнаруженная на рентгенограммах периодичность. Полный оборот спирали приходится на 3,4 нм, то есть на 10 пар оснований. Никаких ограничений относительно последовательности нуклеотидов в одной цепи не существует, но в силу правила спариваний оснований эта последовательность в одной цепи определяет собой последовательность нуклеотидов в другой цепи. Поэтому мы говорим, что две цепи двойной спирали комплементарны друг другу.

Уотсон и Крик опубликовали сообщение о своей модели ДНК в журнале «Nature» в 1953 г., а в 1962 г. они вместе с Морисом Уилкинсом были удостоены за эту работу Нобелевской премии. Розалинду Франклин, умершую от рака ранее присуждения этой премии, не включили в число лауреатов, поскольку Нобелевская премия посмертно не присуждается.

Для того чтобы признать, что имеющая предложенную структуру молекула может выполнять роль генетического материала, требовалось показать, что она способна: 1) нести в себе закодированную информацию и 2) точно воспроизводиться (реплицироваться). Уотсон и Крик отдавали себе отчет в том, что их модель удовлетворяет этим требованиям. В конце своей первой статьи они отметили: «От нашего внимания не ускользнуло, что постулированное нами специфическое спаривание оснований сразу же позволяет постулировать и возможный механизм копирования для генетического материала». Во второй статье, опубликованной в том же 1953 году, они обсудили выводы, которые следовали из их модели для возможного механизма передачи наследственной информации. Это открытие показало, сколь явно структура может быть связана с функцией уже на молекулярном уровне. Оно дало начало стремительному развитию молекулярной биологии.

[2]Дж. Уотсон. Двойная спираль. (русский перевод).