1.3Открытие структуры днк. Модель Уотсона-Крика

Вопрос о химической природе субстрата наследственности и изменчивости решался на протяжении всей первой половины ХХ века.

Первоначально высказывались предположения в пользу белков. В 1928 г.Ф. Гриффитом был поставлен опыт на пневмококках, в котором наблюдалось изменение (трансформация) некоторых наследственных свойств одного бактериального штамма под влиянием материала, полученного из убитых клеток другого штамма. Химическая природа вещества, трансформирующего наследственные свойства бактерий, была установлена лишь в 1944 г. О. Эйвери, доказавшим его принадлежность к нуклеиновым кислотам ДНК.

В 1950 г. английский физик М.Уилкинс получил рентгенограмму кристаллических волокон ДНК. Она показала, что молекула ДНК имеет определенную структуру, расшифровка которой помогла бы понять механизм функционирования ДНК. Рентгенограммы, полученные не на кристаллических волокнах ДНК, а на менее упорядоченных агрегатах, которые образуются при более высокой влажности, позволили Розалинд Франклин, коллеге М. Уилкинса, увидеть четкий крестообразный рисунок - опознавательный знак двойной спирали. Стало известно также, что нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии 0,34 нм, а на один виток спирали их приходится 10. Диаметр молекулы ДНК составляет около 2 нм. Из рентгеноструктурных данных, однако, было не ясно, каким образом цепи удерживаются вместе в молекулах ДНК.

Картина полностью прояснилась в 1953 г., когда американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик, исследуя структуру молекулы ДНК, пришли к выводу, что сахарофосфатный остов находится на периферии молекулы ДНК, а пуриновые и пиримидиновые основания - в середине. Причем последние ориентированы таким образом, что между основаниями из противоположных цепей могут образоваться водородные связи. Из построенной ими модели выявилось, что какой-либо пурин в одной цепи всегда связан водородными связями с одним из пиримидинов в другой цепи. Такие пары имеют одинаковый размер по всей длине молекулы. Не менее важно то, что аденин может спариваться лишь с тимином, а гуанин только с цитозином. При этом между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три.

В 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предложили двухспиральную структуру молекулы ДНК. Их структурная модель Уотсона и Крика позволила объяснить многие фундаментальные биологические феномены, такие как: существование очень больших биологических молекул, способ хранения и точного копирования информации о их структуре, возможность изменения структуры генов в эволюции и др., в результате чего молекулярная биология обрела свои основные принципы.

1.4 Центральная догма молекулярной биологии

Спустя 5 лет в 1958 году Крик впервые опубликовал идею "центральной догмы" в, чтобы подытожить накапливающиеся сведения о молекулярных основах белкового синтеза. Доминирующей идеей тогда являлось то, что ДНК определяет наследственность, кодируя белковую структуру; вдобавок, подразумевалось, что белки определяют фенотип клетки и организма. Крик сформулировал два линейных потока информации, основанных на кодировании последовательностью нуклеотидов: ДНК - ДНК во время репликации и ДНК - РНК - белок во время синтеза белков [1].

Интересно как Крик писал о выборе слова «догма» и о вызванных этим выбором проблемах: «Я назвал эту идею центральной догмой, я подозреваю, по двум причинам. Я уже использовал слово гипотеза в гипотезе о последовательности, кроме того, я хотел предположить, что это новое допущение более центральное и сильное. Как оказалось, использование термина догма вызвало больше неприятностей, чем оно того стоило. Через много лет Жак Моно сказал мне, что по-видимому я не понимал, что подразумевается под словом догма, которая означает часть веры, не подлежащая сомнению. Я смутно опасался подобного значения слова, но поскольку я считал, что все религиозные убеждения не имеют основания, я использовал слово так, как понимал его я, а не большинство других людей, применив его к грандиозной гипотезе, которая, несмотря на внушаемое ею доверие, была основана на небольшом количестве прямых экспериментальных данных».

В 1970 году после открытия Мизутани и Теминым обратной транскриптазы, которая может копировать РНК обратно в ДНК, Крик пересматривает однонаправленный пототок передачи генетической информации и добавляет к свой схеме еще один переход от РНК к ДНК. Однако, он писал, что переход информации от белка к нуклеиновым кислотам или от белка к белку невозможен: "... информация последовательности ДНК не может быть перенесена от белка к белку или нуклеиновой кислоте" и "открытие хотя бы одного типа из ныне живущих клеток, который мог бы иметь какой-либо из трех неизвестных переходов (белок - ДНК, белок - РНК, белок - белок), пошатнуло бы все интеллектуальные основания молекулярной биологии...".

Сегодня, известно множество примеров, когда белки изменяют информацию в последовательности ДНК (например, SOS мутагенез), в РНК (сплайсинг и другие типы посттранскрипционной обработки) и других белках (протеолитическое расщепление, вырезание и прикрепление пептидов). Мы также обладаем гораздо более глубоким пониманием многочисленных путей, с помощью которых белки и другие молекулы клетки (вторичные посредники, мембраны, некодирующие последовательности РНК), не включенные в схему Крика, влияют на структуру, экспрессию и модификацию ДНК генома, а также РНК-транскриптов.