Том 1 (1109823), страница 38
Текст из файла (страница 38)
сь»вф: внч««е н««1«е кемь е вез нина — количеству тимина. Эти соотношения, получивпше известность как правила Чаргеффа„сыграли огромную роль в разгадке процесса наследственности; (4) с помощью ДНК, вьщеленнай из одних бактериальных клеток, можно изменить генетические признаки других бактерий (рис. 8-2); (5) при заражении бактериальных клеток бактериофагами в клетку проникает только ДНК; она контролирует образование новых вирусных частиц (рнс.
8-3). Несмотря на изложенные выше факты, генетическая роль ДНК оставалась непонятной, до тех пор пака не была установлена ее структура. ПРИРОДА ДНК В 1951 г. американский генетик Джеймс Д. Уотсон приехал в Англию, где договорился о совместной работе с Фрэнсисом Криком в Лаборатории Кавендиша в Кембридже. Уотсон и Крик были из числа ученых, убежденных в том, чта ДНК, а не белок представляет собой основное вещество наследственности.
По славам Уотсона, ДНК вЂ” «самая золотая из всех молекул», Свои исследования организации молекулы ДНК Уотсон и Крик частична основывали на представлении о генах, хромосомных единицах наследственности, которое уже сложилось к этому времени. Они знали: чтобы ДНК могла быть генетическим материалом, она должна отвечать по крайней мере четырем требава:.иям.
1. Переносить генетическую информацию от клетки к клетке и от поколения к поколению; более того, ана должна нести большое количесгво информации. (Подумать только, как много должно содержаться инструкций в наборе генов, которые управляют развитием слона, дерева или даже бактерии.) 2. Удваиваться перед каждым клеточным делением подобно тому, как это делают хромосомы; более того, она доюокна реплицироваться с большой точностью. (Из накопленных данных о частоте мутаций, например у человека, мы знаем, что любой человеческий ген должен копироваться без малейшей ошибки в среднем в течение миллионов лет.) 3.
С другой стороны, ген должен иногда изменяться, или мутнровать. (Когда ген меняется, т. е. совершается ошибка, то должна копироваться «ошибка», а не первоначальная последовательность. Это наиболее важное свойства, вероятно, уникальное для всех живых существ, поскольку без способности копировать «ошибки» не может быть эволюции путем естественного отбора.) 4. Должен существовать некий механизм «считывания» накопленной информации и преобразования ее в живом организме. Уотсон и Крик хорошо понималн, что молекула ДНК может быть генетическим материалом только в том случае, если будет доказано, что ее размер, конфигурация и сложность достаточны, чтобы кодировать и копировать огромное количество информации, в которой нуждаются живые организмы.
В своей работе Уотсон и Крик использовали информацию, полученную ранее на основе биохимических исследований ДНК, в том числе следующие данные: 1. Молекула ДНК очень крупная, кроме того, длинная и тонкая. 2. Три ее компонента (азотистое основание, сахар и фосфат) образуют нуклеотиды, как показано на рис. 3-19.
3. Розалинд Франклин и Морис Уилкинс из Королевского колледжа в Лондоне исследовали днфракцию рентгеновских лучей, проходящих через препараты ДНК, н обнаружили, что ее длинные молекулы состоят из регулярно повторяющихся единиц, которые, по-видимому, расположены по спирали. 4. Как показано в табл. 8-1, отношение нуклеотндов, содержащих аденин и тимин „составляет 1: 1, т. е. точно такое же, как мемеду нуклеотндамн, содержащими гуаннн н цитозин. Уотсон и Крик не проводили экспериментальных исследований, но собрали воедино все известные сведения о структуре ДНК.
В своей работе они использовали все указанные выше экспериментальные данные н попытались построить металлическую модель ДНК, соответствующую физическим н химическим данным о ее структуре (рис. 8-4, А). Самым важным, с их точки зрения, был вопрос: каким образом химическая структура ДНК отражает ее биологическую функцию? Вспоминая свои исследования, Уотсон писал: «В моменты пессимистического настроения мы часто опасались, что правильная структура будет скучной„т.
е. абсолютно ничего не значащей». На деле же структура ДНК оказалась невероятно «увлекательной». Связывая вместе различные данные, Уотсон н Крик сделали вывод, что ДНК вЂ” не одиночная спираль, как у многих белкон, но гигантская, тесно переплетенная двойная спиралг» Представьте себе перила винтовой лестницы, которые образуют простую спираль. Если лестница заворачивается в вцае спирали, а ступеньки сохраняют положение, перпендикулярное ее боковым краям, то получится грубая модель двойной сии рали. В молекуле ДНК «края» состоят из чередующихся молекул дезоксирибозы и фосфата (см. рис.
8-4, Б и 8-5), а «ступени» образованы азотистыми основаниями — аденнном (А), тимином (Т), гуанином (Се) и цитозином (С) — па одному основанию на кахедый сахар-фосфат, причем каждую ступеньку образуют два основания. Основания соединены водородными связями — относительно слабыми химическими связями, которые играют важную роль в образовании вторичной и третичной структур белков (рис. 8-5).
Расстояние между «краямн», согласно измерениям Уилкинса„составляет 2 нм. Если бы связывались два пурина, то расстояние между ними оказалось бы болыпим, а два пиримидина не «достали» бы друг друга. Но все становится на свои места, если пурин соединяется с пиримидином. Поэтому пара оснований — ступенька винтовой лестшщы — всегда представлена пурином и пиримидином (см. рнс. 8-5). По этой ВиГь сбоку Поперочвое сечение иа у~иаис Л Це и Уровень Л Мала бороз Поперечное сечение иа урс а но В Цепь ! 'Связь с зезоксирибозои !с~Я.~ связь ! ф (,~ аозоксирибозой б Пень В М 2ОЛ Уровень В— Боль бора пы л Рис.
0-4. А. Уотсон (слева) и Крик с их металлической моделью ДНК. Б. Схеиа строения молекулы ДНК, предлткеннаэ Усткпном и Крикам. Слева — боковой вид молекулы ДНК (указана вертикаль- нап ось). Молекула соопоит из полину- «леотидных цепей, которые закручены в правосторонние спирали и перепле- тены вместе, образуя двойную Грираль. Бе средний диаметр — 2 нм (20 А). Две цепи, образующие спираль, состоят из нуклеотидов, содерзсащи.с остатки дезоксирибозы (5).
При этом сахар кюкдого нуклеотида свазан через фос- фатную группу (Р) с сахаром соседнего. Правильное чередование аскаров и фос- фатов образ усгп овнов молекулы. Сахара каждой спирали вдаются внуспрь цилиндра, Пйры азотистых оснований (показан- ные зигрными горизонтальными лини- ями) занимают центральную область цилиндра (пунктирные прямоугольники на поперечных сечениях справа). Пйры оснований образованы тинином (Т) и аденином (А) на уровне А и ципозином (С) и гуанином (О) на уровне Б. Основа- ниа соединены водородными свгипми.
Круги, нарисованные ноприховьищ линипми, указывают внегиний край двойной ачирали, если смотреть на ачи- рагь с ее кокца. Осноеанип уг!оманы стопкой с интервалаи в 3,4 А и на какдой ступени повернуты на Зб". Текин образом, имеюпся 10 пар основа- ний на виток спирали. В результате такого поворота нары оснований, если смотреть сбоку, имею!и вид линий раз- личной длины в зависимости от угла зрения причине отношение пуриноа и пиримидинов в молекуле ДНК всегда равно 1:1.
Уотсон и Крик отметили, что последовательность нуклеотидов каждой цепи двойной спирали может быль любой, например АТСССгТАСАТТ и т. д. Поскольку длина молекулы ДНК может составлять несколько тысяч нуклеотидов, то возможно ожидать и большого разнообразия в порядке чередования нуклеотидов. Число пар оснований Пень ! Воаороаиа~Ъ н свизь г Ваизь ь З пгчоксигаКозои зл пезоксирибозой ЦепЫ колеблется в пределах от 5000 для простейшего вируса до 5 000 000 000 в 46 хромосомах человека.
Если ДНК одной клетки человека расположить линейно, то длина нити достигнет 1,5 м; количество информации, заключенное в ней, уложится на 600 000 печатных страниц в среднем по 500 слов в каждой, что равноценно бибпиотеке в 1000 книг. Короче говоря, молекула ДНК действительно способна хранить необходимую генетическую информацию. Наиболее интересное открытие произошло, когда Уотсон и Крик попытались соединить две цепи ДНК, а именно: онн обнаружили, что не только пурины не могут связываться с пуринами, и пиримидины с пиримидинами, но аденин может образовать пару только с тимином, а гуанин — с цитозином.
Только зти пары азотистых оснований образуют водородные связи; аденин не может образовать их с цитозином, а гуанин — с тимином. Посмотрим снова на рис. 8-1. Модель Уотсона — Крика просто и логично объясняет состав оснований в ДНК. Может быть, самое важное свойство модели состоит в том, что две цепочки комплементарны, т. е. каждая содержит такую последовательность оснований, которая дополняет другую.
Когда молекула ДНК «воспроизводит себя», она просто расплетаетсяи; водородные связи между азотистыми основаниями рвутся (рис. 8-6). Две цепи расходятся, и вдоль каждой образуются новые. Если в материнской цепи присутствует б'-конец схолньн пь .---..Х н н н о н 3'-конец 5'-конец Т= )м н о о- ), „)- н н- о о- пь й -„,Р п н н и й-.-.ив н о н н у; Рис. 8-5. Двухцепочечная структура учасоиса молекулы ДНК. Каждый нуклеотид состоит из тхара (дезокси- рибозы), фосфетной ~руаны и азоти- спюзо основания (пурина или пиримиди- на). Следует обратить внимание на повторюощуюсн последователъноапь сакер-фосфат-сахар-4осфат, которая образует остов молекулы.
Каесдая фос- фат ноя «руопа связана с 5'-атомом узле- рода одного сахара и 3'-атомон уыерода сахара ожеднезо нуклеотида, так что цепь имеет два конца — Р и 3'. Мое«пи- ки, образуемые фосфатньсни «руппами между нуклеотиднизс направлены про- тивоположно, пс е. цепи ачтипарал- лельны (сравните жпот рис. с рис. 8-«, Б) тимин, то к нему пристраивается только аденин, точно так же, как гуанин образует пару только с цитозином. Таким образом на каждой исходной цепи образуется комплементарная ей цепь, и в результате воспроизводятсж две точные копии материнской ДНК. Так открытие структуры ДНК помогло в принципе ответить на старый вопрос: каким образом наследственная информация удваивается и переходит от поколения к'поколению.
По поводу этой, одной из величайших загадок всех времен Уотсон и Крик писали в своей краткой первой публика- Рис. 8-б. Изображенная здесь молекула ДНК находится в процессе ренликации, Материнские цепи расплетаются по мере то«о, как рвутсн водородные связи между оскованиями (Для ббльтей ясности основания показаны вне плоскости.) Каждая из материнских цепей служип1 матрицей, на которой из инеющихся в клеписе нуклеотидов строипкя новая комплементарная цепь цни: «От нашего внимания не ускользнуло то, что постулированное нами специфическое образование пар сразу предполаплет возможный механизм копирования наследственного материала».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
