Główna zawartość
Biologia
Odkrycie struktury DNA
Struktura podwójnej helisy DNA i opis jej odkrycia. Chargaff, Watson i Crick, oraz Wilkins i Franklin. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".
Wprowadzenie
Dzisiaj podwójna helisa jest najprawdopodobniej najbardziej znaną z biologicznych molekuł. Zainspirowała projektantów schodów, dekoracji, kładek dla pieszych (jak ta pokazana poniżej w Singapurze) i innych.
Muszę zgodzić się z architektami i projektantami: podwójna helisa jest piękną strukturą, taką, której kształt koresponduje z jej funkcją w niezwykły sposób. Ale podwójna helisa nie zawsze była częścią naszego leksykonu kultury. W rzeczywistości, do lat 50' ubiegłego wieku, struktura DNA pozostawała tajemnicą.
W tym artykule, pokrótce zgłębimy to, jak została odkryta struktura DNA dzięki pracy James'a Watson'a, Francis'a Crick'a, Rosalind Franklin i innych naukowców. Później przyjrzymy się właściwościom podwójnej helisy.
Składniki DNA
Z pracy biochemika Phoebus'a Levene'a i innych, w czasach Watson'a i Crick'a było wiadomo, że DNA składa się z podjednostek nazywanych nukleotydami
Zasady azotowe C i T, które mają tylko jeden pierścień, są nazywane pirymidynami, podczas gdy zasady A i G, które mają dwa pierścienie, są nazywane purynami.
Nukleotydy DNA układają się w łańcuchy połączone wiązaniami kowalencyjnymi pomiędzy cukrem deoksyrybozą jednego nukleotydu i grupą fosforanową kolejnego. To ułożenie tworzy wydłużający się łańcuch deoksyryboz i grup fosforanowych w polimerze DNA. Taką strukturę nazywa się szkieletem cukrowo-fosforanowym.
Reguły Chargaff'a
Inna kluczowa informacja związana ze strukturą DNA pochodzi od australijskiego biochemika Erwina Chargaff'a. Chargaff przeanalizował DNA różnych gatunków, określając jego skład zasad A, T, C i G. Zanotował kilka kluczowych obserwacji:
- A, T, C i G nie zostały znalezione w tych samych ilościach (jak przewidywały niektóre modele w tamtym czasie)
- Ilości zasad azotowych różniły się wśród gatunków, ale nie różniły się pomiędzy osobnikami tego samego gatunku
- Ilość A zawsze była równa ilości T a ilość C zawsze była równa ilości G (A=T i G=C)
Reguły Chargaffa są ważne dla modelu podwójnej helisy DNA Watsona i Cricka.
Watson, Crick i Rosalind Franklin
W wczesnych latach 50', amerykański biolog James Watson i brytyjski fizyk Francis Crick zaproponowali słynny model podwójnej helisy DNA. Byli pierwszymi, którzy przekroczyli linię mety w naukowym "wyścigu", z innymi, takimi jak Linus Pauling (który odkrył strukturę drugorzędową białek) próbując także znaleźć prawidłowy model DNA.
Zamiast przeprowadzać nowe eksperymenty w laboratorium, Watson i Crick głównie zebrali i przeanalizowali już istniejące dane, tworząc nowe i odkrywcze połączenia między nimi
Franklin była ekspertką w ważnej technice określania struktury cząsteczek, znanej jako krystalografia rentgenowska. Kiedy skrystalizowana forma cząsteczki takiej jak DNA, jest narażona na działanie promieniowania rentgenowskiego, atomy jej kryształu uginają niektóre promienie, tworząc rentgenogram, który "podpowiada" strukturę cząsteczki.
Wyniki krystalografii Franklin dały Watsonowi i Crickowi ważne wskazówki, co do struktury DNA. Niektóre z nich pochodziły od słynnego "obrazu 51", niezwykle czystego i wyraźnego obrazu DNA z dyfrakcji rentgenowskiej uzyskanego przez Franklin i jej magistranta. (Współczesny przykład wzoru dyfrakcyjnego utworzonego przez DNA znajduje się powyżej.) Dla Watsona, wzór dyfrakcyjny przypominający literę X z obrazu Franklin bezpośrednio zasugerował helikalną, dwuniciową strukturę DNA
Watson i Crick połączyli dane od wielu naukowców (w tym Franklin, Wilkinsa, Chargaffa i innych), aby zaproponować słynny model 3D struktury DNA. W 1962, James Watson, Francis Crick i Maurice Wilkins zostali nagrodzeni Nagrodą Nobla z medycyny. Niestety, do tego czasu zmarła już Franklin a Nagroda Nobla nie jest wręczana pośmiertnie.
Model DNA Watson'a i Crick'a
Struktura DNA, przedstawiona w modelu Watsona i Cricka, jest dwuniciową, antyrównoległą, prawoskrętną helisą. Szkielet cukrowo-fosforanowy nici DNA biegnie poza helisą, kiedy zasady azotowe znajdują się wewnątrz i tworzą pary połączone wiązaniami wodorowymi, które utrzymują razem nici DNA.
W poniższym modelu, pomarańczowe i czerwone atomy oznaczają fosforany szkieletu cukrowo-fosforanowego, kiedy niebieskie atomy wewnątrz helisy należą do zasad azotowych.
Orientacja antyrównoległa
Dwuniciowe DNA jest cząsteczką antyrównoległą. Oznacza to, że składa się z dwóch nici, które są ułożone równolegle względem siebie, ale biegną w przeciwległych kierunkach. W dwuniciowej cząsteczce DNA koniec 5' (ten z wolną grupą fosforanową) jednej nici jest naprzeciwko końca 3' (tego z wolną grupą hydroksylową) drugiej nici.
Helisa prawoskrętna
W modelu Watson'a i Crick'a, dwie nici DNA okręcają się wokół siebie, aby utworzyć podwójną, prawoskrętną helisę. Wszystkie helisy mają skrętność, która jest właściwością, która opisuje jak są zorientowane w przestrzeni ich rowki.
Skręcanie podwójnej helisy DNA i geometria zasad azotowych tworzy szerszą szparę (nazywaną dużym rowkiem) i węższą szparę (nazywaną małym rowkiem), które biegną wzdłuż cząsteczki, jak pokazano na powyższym schemacie. Te rowki są ważnymi miejscami przyłączania białek, które wzmacniają strukturę helisy DNA i regulują ekspresję genów.
Parowanie zasad
W modelu Watsona i Cricka, dwie nici podwójnej helisy DNA są utrzymywane ze sobą przez wiązania wodorowe pomiędzy zasadami azotowymi na przeciwległych niciach. Każda para zasad leży płasko, tworząc "szczeble" na drabinie cząsteczki DNA.
Pary zasad nie są przypadkowo ułożone. Jeśli A jest na jednej nici, to musi być połączone z T na drugiej (i vice versa). Podobnie, G znajdujące się na jednej nici musi zawsze mieć C jako partnera na przeciwległej nici. Te połączenia A-T i G-C znane są jako komplementarne pary zasad.
Parowanie zasad wyjaśnia prawo Chargaffa, to jest, dlaczego A zawsze występuje z T, i C występuje z G
Chociaż oryginalny model Watsona i Cricka proponował, że były dwa wiązania wodorowe między zasadami z każdej pary, obecnie wiemy, że G i C tworzą dodatkowe wiązanie (tak, że pary A-T tworzą łącznie dwa wiązania wodorowe, kiedy pary G-C tworzą trzy)
Wpływ podwójnej helisy
Struktura DNA otworzyła drzwi do zrozumienia wielu aspektów funkcjonowania DNA, takich jak jest ono kopiowane i jak informacja przez nie niesiona, jest wykorzystywana przez komórkę do syntezy białek.
Jak zobaczycie w kolejnych artykułach i filmach, model Watsona i Cricka zapoczątkował nową erę odkryć w biologii molekularnej. Model i te odkrycia umożliwiły stworzenie podwalin dla wielu obecnych nowatorskich badań w biologii i biomedycynie.
Szukaj wiadomości poza Khan Academy
Do you want to learn more about the DNA ladder? Check out this scrollable interactive from LabXchange.
LabXchange to bezpłatna platforma edukacyjna online stworzona przez Wydziale Arts and Sciences uniwersytetu Harvarda i wspierana przez Fundację Amgen.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji