Пространственная модель ДНК

Рис. 5. Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот

Американский биохимик Эрвин Чаргафф разработал точные методы определения количества азотистых оснований и установил характерные особенности химического состава нуклеиновых кислот. Это сыграло большую роль в познании молекулярной структуры ДНК. Им было установле­но, что азотистые основания, входящие в состав ДНК (рис. 5.5) и выделенные из клеток различных организмов (рис. 5.8) подчиняются закономерностям. Сумма пуриновых ос­нований (А + Г) все­гда равна сумме пиримидиновых (Ц + Т).

Содержание аденина равно содержанию тимина, а содержание гуанина — количеству цитозина A=Т; Г=Ц (рис. 5.6). Данные правила предложил ученый Эрвин Чаргафф (рис. 5.7).

Рис. 5.6. Правило Чаргаффа

Рис. 5.7. Эрвин Чаргафф (1905-2002)

Рис. 5.8. Азотистые основания, выделенные из клеток различных организмов

В 1953 г. американский молекулярный биолог Джеймс Уотсон и английский физик и генетик Френсис Крик (рис. 5.9), основываясь на данных Э. Чаргаффа и М. Уилкинса, а также Розалинда Франклин (рис. 5.10) построили модель пространственной структуры молекулы ДНК. Это открытие было удостоено высшей научной на­грады — Нобелевской премии.

Рис. 5.9. Джеймс Уотсон и Френсис Крик (1953)

Рис. 5.10. Розалинда Франклин (1920-1958), английский биофизик и учёный-рентгенограф

В соответствии с моделью Дж. Уотсона и Ф. Крика молекула ДНК состоит из двух длинных комплементарных полинуклеотидных цепей, закрученных в правильную двойную спираль.

Диаметр двойной правозакрученной спирали ДНК составляет около 2 нм, один поворот спирали (шаг) – 3, 4 нм. В каждом витке (шаге) спирали находится 10 пар нуклеотидов, расстояние между нуклеотидами равно 0, 34 нм (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Третичная структура ДНК

Скелетная основа полинуклеотидных цепей содержит правильно чередующиеся сахара и фосфаты, связанные ковалентными связями. Две углеводно-фосфатные цепи расположены на внешней стороне молекулы ДНК, в то время как азотистые основания находятся внутри ее, перпендикулярно оси спирали.

Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи.

Между гуанином и цитозином образуются три водородные связи.

Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении и называется комплементарностью (рис. 5.14).

Комплементарность – это пространственная взаимодополняемость молекул или их частей, приводящая к образованию водородных связей.

Комплементарность каждой отдельной пары оснований создаёт комплементарность двух полинуклеотидных цепей в целом.

Водородные связи возникают между пуриновым основанием од­ной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи в результате избирательного спаривания оснований.

Соединение одного из пуринов (А или Г) или пиримидинов (Ц или Т) с остатком сахара образует нуклеозид.

После присоединения к нуклеозиду фосфатной группы возникает нуклеотид, содержащий основание, сахар и фосфатную группу. Фосфатная группа присоединяется к нуклеозиду, заменяя в дезоксирибозе группу ОН^– в положении 5′ (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Образование дезоксирибонуклеотида путём соединения фосфата, дезоксирибозы и азотистого основания

Нуклеотиды – это мономеры, из которых строится полинуклеотидная цепь. Соединение друг с другом двух нуклеотидов дает динуклеотиды, трех – тринуклеотиды, затем – тетрануклеотиды, и так вплоть до цепи из сотен тысяч нуклеотидов в виде длинных линейных, неразветвленных полинуклеотидов.

Полинуклеотидные молекулы РНК имеют молекулярную массу 1, 5-2, 0 млн. и состоят из 4-6 тыс. нуклеотидов. Полинуклеотиды ДНК – это обычно гигантские, органические молекулы, имеющие тысячи, миллионы и даже миллиарды нуклеотидов. Последовательность нуклеотидов в цепи молекулы является первичной структурой молекулы ДНК (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Первичная структура ДНК. Схема соединения нуклеотидов в полинуклеотидную цепь

В молекулах ДНК две полинуклеотидные цепи имеют противоположное направление в отношении связей 5'–3' и 3'–5', т.е. они антипараллельны (рис. 5.14).

Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК выделяют три уровня:
– первичную структуру – последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи
– вторичную структуру – две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями (рис. 5.14);

– третичную структуру – трехмерную спираль с определёнными пространственными характеристиками (рис. 5.11).

Рис. 5.14. Вторичная структура ДНК

Водородные связи между парами комплементарных нуклеоти­дов (две для пары А-Т и три для пары Г-Ц) относительно непроч­ные.

Поэтому комплементарные нити молекулы ДНК могут разде­ляться и соединяться вновь при изменении некоторых условий (например, изменении температуры или концентрации солей).

Разделение двухцепочечной ДНК называется денатурацией, а об­ратный процесс - образование двухцепочечной структуры ДНК – гибридизацией.

Цепь, содержащая информацию о строении белка (в направле­нии 5'-3'), называется смысловой цепью, а комплементарная - антисмысловой.

Антисмысловая цепь имеет большое значение при стабилизации структуры двойной спирали ДНК и участвует в про­цессах репликации и репарации (восстановления) поврежденных участков ДНК.

Молекулы ДНК являются гигантскими полимера­ми. Единицами измерения длины молекулы приняты: пары нукле­отидов (п.н.). У человека гаплоидный набор содержит 3, 2х10⁹ пар нуклеоти­дов.

Почти вся ДНК клетки содержится в ядре в виде 46 плотно упакованных, суперскрученных за счет взаимодействий с ядерными белками, структурах - хромосомах. Сравнительно небольшая часть ДНК (около 5%) ло­кализована в митохондриях.