СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ДНК План 1.Двойная спираль. 2.Различные формы организации двухцепочечной ДНК

Осенью 1951 г. в Кембридж приехал из США Джеймс Уотсон для изучения методов рентгеноструктурного анализа белков. В той же группе работал физик Френсис Крик над теорией дифракции рентгеновских лучей. Союз Уотсона и Крика привел к открытию строения молекулы ДНК. Этому успеху сопутствовал ряд обстоятельств. 1. Рядом с Кембриджем, в Лондоне работали английские специалисты по рентгеноструктурному анализу ДНК - М. Уил- кинс и Р.Франклин. Их экспериментальные данные Уотсон и Крик использовали для обоснования и проверки своей модели. 2. Молодых исследователей стимулировал дух конкуренции с крупнейшим американским физико-химиком Лайнусом Полингом, слава которого достигла своего зенита: он был автором классической книги «Природа химической связи» (1939), в которой теоретически, с помощью молекулярных стереомоделей, предсказал существование α-спиралей в глобулярных белках. С тех пор идея спирали «висела в воздухе» применительно к любым макромолекулам.

3. Крик уже имел опыт отыскивать признаки спиральности на фотографиях дифракции рентгеновских лучей. Иначе говоря, он был подготовлен к поиску спиралей. 4. Уотсон и Крик понимали, что ставки очень высоки. Речь шла о молекулярной структуре генов ключевых объектах биологической организации. Последний аспект налагал на любую модель гена ряд оче-видных требований. Необходимо было в молекулярных терми-нах объяснить, как гены выполняют свои основные функции - самоудвоение, мутирование, запись информации, контроль над синтезом белков и др. В первую очередь, следовало понять, каков механизм самоудвоения (репликации) ДНК. Результаты исследований поведения хромосом в митозе и мейозе свидетельствуют о гомологичном самоузнавании подобных сегментов хромосом.. Для этого требуется определенные молекулярные силы и отношения. «Силы близкодействия» требуют тесного контакта между взаимодействующими молекулярными поверхностями. Этому отвечал известный к тому времени принцип взаимодействия антиген антитело, ферментсубстрат и др., т.е. принцип «ключ замок». Иначе говоря, тесно взаимодействующие поверхности должны быть взаимно комплементарны. В 1940 г. Полинг и Дельбрюк изложили свои аргументы в журнале «Science».

В начале 1953 г. Уотсон и Крик полулегально позна- комились с данными Франклин по дифракции рентгеновских лучей на препаратах В-формы ДНК. Они сразу узнали признаки спирали с шагом 3,4 нанометра и диаметром 2 нм (рис.1). Для проверки гипотезы нужны были стереомодели. Уотсон нарезал из картона детали, моделирующих пурины и пиримидины и стал раскладывать на плоскости стола. Рис. 1. Рентгенограмма нити ДНК. Анализ рентгенограммы привёл к выводу о двуспи- ральной структуре ДНК

Он заметил, что пара аденин тимин, соединенная двумя водо- родными связями, имеет точно такие же линейные размеры и общие очертания, как и пара гуанинцитозин, соединенная тремя водородными связями (рис.2). Если пурин всегда соединяется водородными свя- зями с пиримидином, то две нерегулярные последовательно- сти оснований чётко уклады- ваются регулярно в центре спирали. Аденин всегда должен спариваться только с тимином, а гуанин только с цитозином. Интенсивные рефлексы, соот- ветствующие упорядоченно упакованным основаниям ДНК, и правила Чаргаффа, являются следствием двуспиральной структуры ДНК. Рис. 2. Размеры пар оснований, соединён- ных водородными связями, почти оди- наковы: АТ = 1,11 нм; ГЦ = 1,08 нм

Такая двойная спираль хорошо объясняла механизм репликации. Последовательности основа- ний двух цепей комплемен- тарны друг другу. Поэтому одна цепь может служить матрицей для сборки другой. Построеная стереомодель двуцепочечной ДНК оказалась правовинтовой спиралью с противоположной (антипарал- лельной) ориентацией цепей (рис.3). В мае 1953 г. вышла первая статья о двойной спирали ДНК. Рис. 3. Пространственная модель молекулы ДНК

2. Различные формы организации двухцепочечной ДНК Работа Уилкинса и Франклин показала, что молекулы ДНК дают различную дифракционную картину в рентгеновских лучах в зависимости от содержания воды и солей. Модель, предложенная Уотсоном и Криком, соответствует значениям параметров структуры, полученным на основе рентгенограммы так называемой В-формы ДНК, изображенной на рис.4,В. В-форма характеризуется плоскопараллельным расположением пар нук- леотидных оснований внутри двойной спирали. Плоскости оснований почти перпендикулярны оси спирали и отстоят друг от друга на 34 нм. Этой пов- торяющейся единице соответствуют яркие меридиональные дуги в верхней и нижней частях рентгенограммы, изображенной на рис.1. Диаметр спирали почти в точности равен 2 нм, а соседние пары нуклеотидных оснований повернуты друг относительно друга на 36°. на один виток спирали прихо- дится десять пар оснований. На рисунке изображена спираль с правым направлением вращения. Рентгенограмма ДНК, однако, не дает информа- ции, достаточной для того, чтобы судить, является спираль правой или левой. При построении своей модели Уотсон и Крик выбрали направление вращения произвольно.

Разнообразие структур двухцепочечных молекул ДНК стало ясным в экспериментах по кристаллизации гомогенных двух- цепочечных олигомеров ДНК, получаемых посредством хими- ческого синтеза. Дифракционные рентгеновские картины таких кристаллах ДНК более четки, чем природной ДНК, и позво- ляют определить с большой точностью положения отдельных атомов. Эти исследования обнаружили, что как право-, так и левозакрученная двухцепочечная спираль ДНК может сущест- вовать в нескольких модификациях, характеризуемых различ- ными значениями параметров Тип спирали определяется свой- ствами растворителя и последовательностью нуклеотидов. Самокомплементарный тетрамер ДНК типа ЦГЦГ (5'-конец всегда пишется слева) образует при кристаллизации левоза- крученную двухцепочечную структуру, получившую название Z-ДНК из-за зигзагообразного характера фосфодиэфирного каркаса.

Самокомплементарный додека- мер ЦГЦГAATTЦГЦГ кристалли- зуется в форме правозакрученной двухцепочечной спирали В-фор- мы, хотя на обоих концах содер- жит последовательность ЦГЦГ, которая сама по себе кристалли- зуется в Z-форме. Эти две формы ДНК изображены рядом на рис. 4. Молекула полимера (ЦГ) n в растворе может существовать как в правой В-форме, так и левой Z- форме. Эти формы переходят друг в друга при изменении ионной силы раствора или катионов, нейтрализующих отрицательный заряд на фосфодиэфирном каркасе. Рис. 4. Пространственные модели левозакрученной Z- формы ДНК и правоза- крученной В-формы.

Природные молекулы ДНК в основном существуют в правой В-форме, если они не содержат последовательностей типа (ЦГ) n. Однако если такие последовательности входят в состав ДНК, то эти участки при соответствующих условиях могут переходить в Z-форму. Возможность такого перехода указывает на то, что две цепи в двойной спирали ДНК находятся в динамическом состоянии и могут раскручиваться друг относительно друга, переходя из правой формы в левую и наоборот. Молекулы ДНК для этого должны быть довольно лабильны и допускать конформационные превращения. Биологические следствия такой лабильности структуры ДНК пока не вполне понятны.

Специфичные к Z-ДНК антитела реагируют с оп- ределенными участками гигантских хромосом клеток слюнных желез дрозофилы, что свидетельствует о том, что ДНК в хромосомах существует в обеих формах (рис. 5). Рис. 5. Политенные хромосомы дрозофилы, обработанные флуоресцентными антителами, связывающимися с Z -ДНК.

Вопросы 1. Результаты каких исследований привели Уотсона и Крика к открытию модели молекулы ДНК? 2. Как модель ДНК объясняет главные генетические закономерности: а) запись наследственной информации; б) самоудвоение (репликация); в) механизм генных мутаций? 3. В каких участках молекулы ДНК (с преобладанием Г-Ц или А-Т пар) нити соединены друг с другом прочнее? Почему?