big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Физические и химические свойства дезоксирибонуклеиновой кислоты

Открытие громадной роли ДНК в наследственности привлекло пристальное внимание к выяснению ее физической и химической природы. Общая химическая формула ДНК хорошо известна. В хромосомах ДНК связана с белком, эту связь легко разрушить и выделить ДНК в чистом виде. Как показывает гидролиз ферментами, ДНК и РНК являются сравнительно простыми химическими образованиями: они состоят из фосфорной кислоты, сахара и четырех азотистых оснований (два пуриновых и два пиримидиновых). ДНК и РНК отличаются друг от друга по сахару и по одному из пиримидиновых оснований:

Гидролиз нуклеиновых кислот позволяет выделить из них фрагменты, состоящие из основания, сахара и фосфорной кислоты, которые получили название нуклеотидов. Под действием фосфатазы фосфорная кислота отщепляется, и остается соединение основание — сахар, называемое нуклеозидом.

Молекула ДНК представляет собой длинную структуру, в основе которой лежит цепь из чередующихся сахара и фосфата (рис. 59). Каждый сахар связан с двумя остатками фосфорной кислоты через 3,5-фосфатно-эфирные связи. В результате скелетная основа молекулы ДНК имеет характер неразветвленной цепи или длинной нити. Что касается оснований, то они глюкозидной связью присоединяются сбоку молекулы к сахарам через один из азотов оснований. Чередование сахар — фосфат в цепи молекулы ДНК имеет обязательный характер, что же касается характера чередования разных (четырех) оснований, то этот вопрос долго оставался неясным. Физико-химический анализ ДНК также установил, что она является длинной тонкой нитью.

Ширина молекулы составляет около 20 Å, а длина имеет тысячи и десятки тысяч ангстрем. Прямые наблюдения с помощью электронного микроскопа подтвердили данные химического и физико-химического анализа и установили, что молекулы ДНК представляют собой длинные тонкие нити с однообразной шириной в 15—20 Å. Астбери, исследуя строение ряда белков и ДНК с помощью рентгеноструктурного анализа, показал, что основания отстоят один от другого вдоль по оси молекулы ДНК на расстоянии 3,4 Å, что совпадало с расстояниями радикалов в полностью развернутой цепи полипептидов, таких, например, как β-кератин или β-миозин.

В течение ряда лет до 1953 г. вопрос о природе и строении ДНК успешно изучался разными методами. Важнейшее значение имели работы по рентгеноструктурному анализу. Эти работы привели к установлению трех главных фактов. Во-первых, анализ рентгенограмм позволил определить расстояния между атомами в молекуле ДНК и дал возможность установить

Химическое строение полинуклеотида ДНК

пространственное строение молекул. Во-вторых, данные рентгеноструктурного анализа показали, что кристаллографические единицы содержат две полинуклеотидные цепи с наличием очень строгой периодичности через 3,4 Å. В-третьих, было обнаружено, что повторности в общей кристаллографической структуре ДНК наступают с гораздо большими интервалами, чем повторности химических единиц. Так, расстояние между основаниями, как мы уже видели, составляет 3,4 Å, в то же время кристаллографическая повторность в структуре наступает через. 34 Å.

Первый точный анализ количественного соотношения четырех оснований в ДНК разного происхождения был дан в работе Чаргаффа. Было показано существование строгих количественных зависимостей. Оказалось, что количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина. Таким образом, наметилась попарная зависимость между одним пурином (аденин) и одним пиримидином (тимин) и соответственно другим пурином (гуанин) и пиримидином (цитозин). Что же касается количественных взаимоотношений между этими парами оснований, то они различны у разных организмов, хотя и характерны для каждого данного организма. Вайатт, подвергая ДНК разных вирусов гидролизу в хлорной кислоте, с помощью хроматографии на бумаге также установил парную зависимость между аденином и тимином (колебания в пределах 1,01—1,08) и между цитозином и гуанином (от 1,05 до 1,12). В это же время у изученных вирусов отношение (аденин + тимин) : (гуанин + цитозин) колебалось от 0,71 до 1,87, будучи определенным для каждого из вирусов. В свете этих данных стало ясно, что структура ДНК хотя и характерна для данного вида организмов, но различна у разных видов. Из этого следовало, что порядок оснований может быть различным в ДНК разных видов организмов и в разных частях одной и той же молекулы.

Для анализа структуры молекулы ДНК большое значение имели данные о ее реакции на изменения рН. Гулланд и Иордан показали, что при обработке раствора ДНК кислотами или щелочами при рН от 5 до 11,0 влияния на ионизацию не обнаруживается, в то время как за этими пределами появление ионов идет очень быстро.

Они указали, что эти явления, по-видимому, — результат существования водородных связей между основаниями внутри структуры ДНК.

Опираясь на новые данные по рентгеноструктурному анализу, на данные по химическим и физическим свойствам ДНК, в 1953 г. выступили Уотсон и Крик, которые предложили модель структуры ДНК. Эта модель сразу привлекла к себе всеобщее внимание, так как она объединила данные по физике и химии ДНК и дала новые принципиально важные ответы на вопрос о механизме удвоения молекул ДНК и о природе её генетической специфичности.

Рентгенограммы ДНК показали, что наибольшее скопление атомов отмечается на периферии структуры, это определило ту особенность модели Уотсона и Крика, по которой скелетная цепь молекулы, состоящая из сахара и фосфата, расположена по внешней части структуры, а основная – внутри. Выше указывалось, что кристаллографическая повторность не совпадала с повторностью химических единиц. В ДНК эти поверхности наступали через 34 Å, в то же время расстояния между основаниями составляют 3,4 Å. Естественно было предположить, что рентгеновы лучи в данном случае обнаруживали каждое десятое звено. Ясно, что такую картину могла дать только спирально закрученная цепочка, имеющая форму винта, к котором расстояния между кристаллографическими поверхностями соответствует расстоянию между двумя поворотами винта. Так как на каждый участок длиной 3,4 Å вдоль главной оси отдельной цепи-спирали приходится один нуклеотидный остаток, а угол между смежными остатками равняется 360, то структура повторяется через каждые 10 остатков данной цепи, т. е. через 3,4 Å.

Все отмеченные особенности были учтены Уотсоном и Криком при построении трёхмерной модели ДНК (рис. 60).

Предложенная структура содержит две цепи (рис. 61), обвитых вокруг общей оси. Обе цепи идут параллельно, имея одинаковую правую закрученность спирали. Общий диаметр молекулы равен 20 Å; расстояние от атомов фосфора до оси молекулы составляет 10 Å. Основания ДНК из двух разных цепей ДНК соединены водородными связями.

Строгая закономерность фосфатно-сахарного скелета молекулы и симметричность двух извитых цепей приводят к тому, что основания, обращённые внутрь структуры, будучи соединены с сахарами глюкозидными связями, расположены перпендикулярно к оси молекулы и противостоят друг другу. Анализируя пространственное расположение оснований и возможность возникновения между ними водородных связей, объединяющих две цепи в единую структуру, Уотсон и Крик установили, что не любые комбинации оснований могут удовлетворить имеющимся данным.

Размеры пуриновых оснований (аденин и гуанин) около 7 Å, пиримидиновых (цитозин и тимин) около 5 Å. При диаметре всей структуры в 20 Å расстояние между сахарами около 12 Å, оттуда следует, что два пуриновых основания не могут поместиться внутри структуры, а два пиримидиновых основания слишком коротки, чтобы между ними могли установится водородные связи.

Таким образом, противостоящими основаниями в паре цепей молекулы ДНК могут быть только пурин с пиримидином. Исходя из данных по химическому анализу ДНК, полученных Чаргаффом и другими, было сделано заключение, что такими парами оснований должны быть аденин — тимин и гуанин — цитозин, так как именно компоненты этих пар представлены в ДНК в отношении 1:1. Стереохимические данные, как показано Уотсоном и Криком, целиком поддерживают это представление при условии, что основания входят в состав молекулы ДНК в определенной таутомерной форме. Стереохимически две цепи ДНК могут объединяться только указанными определенными парами оснований: аденин — тимин, гуанин — цитозин (рис. 62, 63).

Наличие строгой закономерности в виде существования определенных пар оснований, связывающих

Модель строения молекулы ДНК и двух полинуклеотидных цепей

две цепи ДНК в общую структуру, не влияет на характер последовательности оснований вдоль по длине молекулы. Эта последовательность может быть любой при условии, что последовательность во второй цепи является дополнительной по парам оснований. Следовательно, можно говорить о нерегулярной любой последовательности пар оснований вдоль по оси общей двойной структуры ДНК.

Химическое строение отдельной полинуклеотидной цепи ДНК

Пара оснований аденин - тимин

Пара оснований цитозин - гуанин

Модель, структуры молекулы ДНК, предложенная Уотсоном и Криком, получена с использованием рентгенограмм материала, искусственно выделенного из клеточных ядер. Может ли это служить аргументом против приложения этой модели к нативным структурам в клетке? По-видимому, нет. Вилкинс и другие показали, что такие же рентгенограммы получаются при использовании нативного биологического материала в виде спермиев и бактериофагов.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.