Основно съдържание
Курс: Биология за гимназиален етап > Раздел 6
Урок 1: ДНК структура и репликация- Откриване на структурата на ДНК
- ДНК
- Молекулна структура на ДНК
- Антипаралелна структура на ДНК нишките
- Водещи и изоставащи нишки при ДНК репликация
- Корекция и възстановяване на ДНК
- Преглед на ДНК структура и репликация
- ДНК структура и репликация
© 2024 Khan AcademyУсловия за ползванеДекларация за поверителностПолитика за Бисквитки
Откриване на структурата на ДНК
Двойно-спираловидната структура на ДНК и как е била открита. Чаргаф, Уотсън и Крик, и Уилкинс и Франклин
Въведение
Двойната спирала на ДНК в днешно време е най-знаковата от всички молекули в биологията. Нейната форма вдъхновява стълбища, украси, пешеходни мостове (като този в Сингапур, показан на снимката по-долу) и много други обекти от популярната култура.
Моето мнение съвпада с това на архитектите и дизайнерите: двойната спирала е красива структура сама по себе си, нейната форма забележително съответства на функцията ѝ. Но тази двойна спирала не е била винаги известна на нашата култура. Всъщност тя остава неизвестна чак до 1950-те години.
В тази статия накратко ще се запознаем с откриването на двойноспиралната структура на ДНК чрез работата на Джеймс Уотсън, Франсис Крик, Розалинд Франклин и други изследователи. След това ще разгледаме свойствата на самата двойна спирала.
Компонентите на ДНК
Благодарение на работата на Фебус Левен и други изследователи учените по времето на Уотсън и Крик били наясно, че ДНК се състои от градивни елементи, наречени нуклеотиди
Базите Ц и Т, които имат само по един пръстен, се наричат общо пиримидинови, докато базите А и Г имат по два пръстена и се наричат пуринови.
ДНК нуклеотидите се сглобяват във вериги, свързани с ковалентни връзки, образувани между захарида дезоксирибоза на единия нуклеотид и фосфатната група на съседния. Тази подредба образува по дължината на целия ДНК полимер една верига от редуващи се захарид дезоксирибоза и фосфатна група – структура, известна като захаро-фосфатен скелет
Правилата на Чаргаф
Следващият ключ към загадката на структурата на ДНК е намерен от австрийския биохимик Едуин Чаргаф. Той анализирал ДНК на различни видове, като определил съотношението на азотните бази А, Т, Ц и Г в техния състав. Чаргаф направил няколко основни наблюдения:
- А, Т, Ц, и Г не са в еднакви количества (както предполагали някои модели по онова време)
- Количествата на базите варирали между видовете, но при индивидите от един и същ вид оставали постоянни
- Количеството на базата А винаги било равно на количеството на Т, както и базите Ц и Г винаги били в еднакви количества (отбелязвано като А = Т и Г = Ц)
Тези изводи, наречени правила на Чаргаф, се оказват основополагащи за модела на Уотсън и Крик за двойната спирала на ДНК.
Уотсън, Крик и Розалинд Франклин
В началото на 1950-те години американският биолог Джеймс Уотсън и британският медик Франсис Крик показват своя известен модел на двойната спирала на ДНК. Така те стават първи в научното „надбягване“ за откриване на правилния модел на ДНК, в което участват и други – като Линус Паулинг (откривателят на вторичната структура на протеините).
Вместо да провеждат нови лабораторни експерименти, Уотсън и Крик предимно събирали и анализирали съществуващи данни, като ги подреждали по нови, изобретателни начини
Франклин била експерт в използването на една особено мощна техника за определяне на структурата на молекулите, известна като рентгенова кристалография. Когато кристализираната форма на молекула като ДНК се подложи на рентгеново лъчение, някои от лъчите се пречупват от атомите в кристала и образуват дифракционен модел, който подсказва структурата на молекулата.
Кристалографските изследвания на Франклин предоставили важни насоки, с чиято помощ Уотсън и Крик откриват структурата на ДНК. Някои от тях идват от известното „Изображение 51“ – забележително ясно и впечатляващо изображение от рентгенова дифракция, получено от Франклин и неин студент (по-горе е показан съвременен пример за такъв дифракционен модел на ДНК). Като вижда Х-образния дифракционен модел на изображението, получено на Франклин, Уотсън веднага се сеща за спирална, двуверижна структура на ДНК
Уотсън и Крик са събирали различни данни, получени от голям брой изследователи (сред които и Фрин, Уилкинс, Чаргаф и други), за да сглобят своя известен модел на тримерната структура на ДНК. През 1962 г. Джеймс Уотсън, Франсис Крик и Морис Уилкинс получават Нобеловата награда за медицина. За съжаление по това време Франклин вече не е била между живите, а Нобеловата награда не се връчва посмъртно.
Моделът на ДНК на Уотсън и Крик
Структурата на ДНК според модела на Уотсън и Крик представлява антипаралелна, дясно въртяща спирала от две вериги. Захарофосфатните скелети на двете ДНК вериги образуват външната страна на спиралата, докато азотните бази се намират във вътрешността и се свързват помежду си в двойки с водородни връзки, които поддържат двете ДНК вериги свързани.
В модела, който е показан по-долу, оранжевите и червените атоми обозначават фостфатите от захарно-фосфатните скелети, докато сините атоми във вътрешността на спиралата принадлежат на азотните бази.
Антипаралелна ориентация
Двойноверижната ДНК е антипаралелна молекула: това означава, че се състои от две паралелни една на друга вериги, които обаче сочат в противоположни посоки. В двойноверижната ДНК началото на едната верига, наричано 5' край (завършващ с фосфатна група), стои до края на другата молекула, наричан 3' край (завършващ с хидроксилна група), и обратно.
Дясна спирала
Според модела на Уотсън и Крик двете вериги ДНК се усукват една около друга, като образуват дясна спирала. Всички спирали притежават посока на въртене: това е свойство, което описва как техните извивки са ориентирани в пространството.
Усукването на двойната спирала на ДНК и геометрията на азотните бази образуват една по-широка празнина (наречена голяма бразда) и по-тясна празнина (наречена малка бразда) по цялата дължина на молекулата, както е показано на фигурата горе. Тези бразди са важни места за свързване на протеини, които поддържат структурата на ДНК и регулират генната активност.
Сдвояване на азотните бази
В модела на Уотсън и Крик двете вериги в двойната спирала на ДНК са свързани помежду си посредством водородни връзки между азотните бази от противоположни вериги. Всяка такава двойка азотни бази е разположена в една равнина и образува „стъпало“ от стълбата на ДНК молекулата.
Двойките азотни бази не могат да включват произволна комбинация от бази. Напротив, има строга закономерност: ако в едната верига има база А, то тя задължително се сдвоява с база Т на съответното място в другата верига (и обратно). По аналогичен начин на всяка база Г от едната верига отговаря база Ц от другата. Това съответствие между А-Т базите и Г-Ц базите е известно като комплементарност на азотните бази.
Комплементарността на азотните бази обяснява правилата на Чаргаф, тоест защо съдържанието на А-бази винаги е равно на съдържанието на Т-бази, както и еднаквите количества Ц-бази и Г-бази
Макар първоначалният модел на Уотсън и Крик да предполага по две водородни връзки между азотните бази на всяка двойка, днес вече знаем, че базите Г и Ц образуват още една допълнителна връзка (и така двойките А-Т се държат от по две водородни връзки, докато двойките Г-Ц са с по три)
Въздействието на двойната спирала
Откриването на структурата на ДНК отваря вратата към разбирането на множество аспекти от функцията на ДНК, например това как тя се копира и как информацията от нея се използва от клетката за производство на протеини.
Както ще видим в следващите статии и видеоклипове, моделът на Уотсън и Крик стартира нова ера на открития в света на молекулярната биология. Техният модел и откритията, които стават възможни заради него, полагат основите на много от съвременните новаторски изследвания в областта на биологията и биомедицината.
Разгледай темата извън Кан Академия
Искаш ли да научиш повече за ДНК стълбата? Виж това интерактивно изображение от LabXchange.
LabXchange е безплатна, научно-образователна онлайн платформа, създадена от факултета по изкуства и науки на университета Харвард с подкрепата на фондация Amgen.
Искаш ли да се присъединиш към разговора?
Все още няма публикации.