Строение молекулы ДНК

Прежде всего ученые попытались разделить большую полимерную молекулу ДНК на составные части. Оказалось, что она состоит из простых соединений - нуклеотидов. Воздействуя муравьиной кислотой и повышенной температурой, удалось расчленить нуклеотид на три компонента: пентозный сахар, фосфорную кислоту и азотистые основания четырех разновидностей (гуанин, цитозин, аденин и тимин).

Костяк нуклеотида - сахарно-фосфатный комплекс. Это последовательное чередование пентозного сахара и остатка фосфорной кислоты. К каждой пентозе присоединяется азотистое основание. Связи между нуклеотидами строго однотипны и осуществляются за счет образования фосфатного мостика между гидроксильной группой и углеводным остатком.

Основания встречаются в четырех разных видах и чередуются произвольно. Нуклеотидов также четыре типа, их название определяется основанием (например, нуклеотид с аденином называется дезоксиадениловой кислотой). Аденин (А) и гуанин (Г) относятся к пуриновым основаниям, а цитозин (Ц) и тимин (Т) - к пиримидиновым. Нуклеотиды в нуклеиновой кислоте образуют длинную цепочку. Молекула ДНК состоит из 10-25 тыс. отдельных нуклеотидов.

В начале 40-х годов появились сообщения, что плоскости оснований, по-видимому, перпендикулярны оси ДНК. С помощью дифракции рентгеновских лучей было подтверждено, что нуклеотиды расположены один над другим столбиками, а основания упакованы внутри них, как стопка монет.

Важный результат химического анализа молекулы ДНК получил американский биохимик Э. Чаргафф. Оказалось, что как бы ни отличались молекулы ДНК по составу оснований, количество аденина всегда равно количеству тимина, количество цитозина соответствует количеству гуанина, а сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина. Иными словами, суммы пуриновых и пиримидиновых оснований одинаковы.

В 1953 г. двое ученых - американец Д. Уотсон и англичанин Э. Крик - постулировали существование двойной спирали ДНК. Они проанализировали биохимические данные Чаргаффа и результаты рентгено-структурного анализа английских биофизиков М. Уилкиса и Р. Франклин. Был сделан вывод, что две нити молекулы ДНК могут приблизиться друг к другу на расстояние, позволяющее возникнуть водородным связям, только в том случае, если против аденина будет расположен тимин, а против гуанина - цитозин. Пуриновые основания одной цепи всегда соответствуют пиримидиновым основаниям другой. Обе нити ДНК взаимно дополняют друг друга, т. е. они комплементарны.

Уотсон и Крик установили, что пары оснований равномерно расположены вдоль оси молекулы ДНК на расстоянии 3,4 А. Один виток спирали включает десять пар оснований и имеет длину по оси 34А. Две спиральные цепи (ДНК) обвиты вокруг одной общей оси и соединены между собой водородными связями. Впоследствии удалось получить при огромном увеличении электронно-микроскопический снимок молекулы ДНК, на котором были хорошо видны обе спирали.

Для каждого вида растений, животных и микроорганизмов характерно специфическое распределение пуриновых и пиримидиновых оснований, а также определенное их соотношение. В бактериальной клетке длина молекулы ДНК достигает сантиметра, а в клетке человека - более метра.

Генетический смысл заложен в самой модели ДНК Уотсона и Крика. Вполне обоснованно было высказанное предположение, что при раскручивании и расплетании двойной спирали ДНК на обеих нитях возможен синтез новых комплементарных нитей, в результате чего получились бы две копии ДНК, абсолютно идентичные родительской молекуле.

Предсказания Уотсона и Крика о принципах удвоения молекулы ДНК (репликации) были подтверждены экспериментально. Разделение двойной спирали происходит вследствие разрыва водородных связей в каждой комплементарной паре оснований. Цепь родительской ДНК расходится, и на каждой нити основания присоединяют к себе имеющиеся в клетке свободные нуклеотиды.   Образуются   комплементарные цепи дочерней ДНК. Такой тип репликации ДНК был назван полуконсервативным.

Мы рассмотрели общую схему репликации молекулы ДНК. Весь процесс репликации довольно сложен и протекает с участием соответствующих белков (ферментов). Известны расплетающие белки, «затравочная» ДНК, различные типы ДНК-полимераз, ДНК-легаз. Точность репликации очень высока. Частота возможного ошибочного включения только одного нуклеотида на каждый новосинтезированный фрагмент ДНК составляет 10-6 - 10-9 нуклеотидов.

И все же до недавнего времени не были решены два вопроса, которые принесли много затруднений ученым. Поскольку нити ДНК антипараллельны, то одна несет свободный 3'-атом углерода сахара, а другая нить - 5'-атом. Американский биохимик А. Корнберг установил, что ДНК-полимераза движется в направлении от 5'- к 3'-концу. Исходя из этого репликация должна происходить только на одной нити. Но опыты убедительно показывали, что одновременно происходит удвоение обеих нитей ДНК. Противоречия разрешил японский ученый Р. Оказаки. Он показал, что синтез новых нитей шел короткими отрезками («фрагментами Оказаки»), но в разных друг относительно друга направлениях. Синтезируя копии освободившихся концов, ДНК расплетается и становится доступной для ДНК-полимеразы. Вновь синтезированные «фрагменты Оказаки» склеиваются ДНК-лигазой.

Другая трудность была связана с тем, что в процессе удвоения молекуле ДНК необходимо расплетаться в клетке за короткий промежуток времени. Ученые подсчитали, что при длине бактериальной ДНК в несколько миллиметров и времени репликации 15 мин для расплетания скорость вращения концов ДНК должна составлять 15 тыс. оборотов в минуту. Конечно, это маловероятно. В дальнейшем было установлено, что перед репликацией ДНК происходит целый ряд однонитчатых разрывов и репликация отдельных ее фрагментов, которые соединяются ферментом лигазой. Расплетенный участок ДНК называют репликативной вилкой, образование ее связано с раскручиванием спирали и разделением цепи. Репликативная вилка продвигается вдоль молекулы ДНК по мере стабилизации расплетенной структуры, появления затравочного полинуклеотида, ДНК-полимеразы и синтеза новых оснований.