Тема 2. Особливості форм вторинної структури нуклеїнових кислот Історія з’ясування вторинної структури днк

До 40-их років 20 ст. була однозначно встановлена роль ДНК та РНК як носіїв та передатчиків спадкової інформації. Залишилося лише виявити тривимірну структуру ДНК.

Одним з перших вчених, хто виявляв зацікавленість у будові ДНК, був Лайнус Полінг, на той час вже відомий своїми роботами із вивчення хімічних зв’язків та з’ясування однієї з форм вторинної структури білку, а саме α-хеліксу. Саме дані про стабілізований водневими зв’язками α-хелікс і лягли в основу досліджень із з’ясування структури подвійного хеліксу ДНК та відповідної моделі, запропонованої Уотсоном та Криком у 1953 році.

Групою, яка почала дослідження у даній області, була група Моріса Уілкінса та Розалін Франклін зі співробітниками Королівського коледжу в Лондоні. Вони використали методику дифракції рентгенівських променів, щоб проаналізувати структуру ДНК у всіх трьох вимірах. Пізніше до роботи підключилася знаменита група дослідників під керівництвом Уотсона та Крика. Самі дослідники, які тоді базувалися у Кавендішській лабораторії Кембріджу, не проводили ніяких експериментів, вони зосередили свої зусилля саме на розробці моделі структури ДНК на основі даних Уілкінса та Франклін.

Ще одним з важливих вчених того періоду був Ервін Чаргафф. В 1950 році він допоміг ідентифікувати ДНК, як основу генетичного матеріалу та розробив спеціальну систему підрахунку співвідношення нуклеотидів у молекулах з різних видів живих істот. Одним з найважливіших частин правил Чаргаффа було заключення про приблизно однакову кількість пуринів та піримідинів у складі ДНК. До того ж, кількості тиміну та аденіну також були приблизно рівними, так само, як і співвідношення цитозину до гуаніну. Дані, отримані Чаргаффом (слайд 16) також лягли в основу моделі подвійного хеліксу.

Найбільш критичними для з’ясування тривимірної структури ДНК виявилися дифракційні картини, отримані групою Франклін у 1952 році. Ці картини були передані через Уілкінса Уотсону в Лондоні 30 січня 1953 року. Методика отримання дифракційних картин у ті часи полягала у наступному: дослідник готував сильно концентрований щільний розчин ДНК, потім за допомогою голки витягував з розчину окремі великі нитки, які являли собою декілька молекул ДНК. Беручи до уваги вологість повітря, дані гідрофільні нитки могли слугувати у якості кристалів, що відбивали рентгенівські промені. Насправді, Франклін отримала доволі просту картинку у вигляді літери Х, що було доказом простоти структури самої молекули (слайд 16). Наприклад, дифракційні картини білків були набагато складнішими і нагадували наслідки пострілу з вінчестера на стіні. Оскільки, молекула ДНК занадто велика, подібна картинка її дифракції могла говорити лише про одне – ДНК має просту регулярну структуру. І найімовірнішою у цьому відношенні для такої довгої молекули є будова у вигляді штопора, або хелікса.

Насправді, відстань між найближчими гілками літери Х на картині дорівнювала саме 34 ангстремам (3,4 нм), тобто довжині повторюваної ділянки структури, а проміжки між плямами в межах однієї гілки зверху вниз становили 3,4 ангстреми (0,34 нм) – саме стільки припадає на довжину однієї пари основ.

Одначе виникав певний парадокс: ДНК повинна бути регулярною, бо має просту структуру, в той же час у якості генетичного матеріалу повинна виступати нерегулярна молекула, оскільки ген містить нерегулярну послідовність основ. Вирішення цього парадоксу Уотсон та Крик побачили у подвійності хеліксу ДНК, причому цукрово-фосфатний кістяк повинен бути назовні, а різні основи – всередині молекули. Більше того, очевидно, що основи повинні бути спареними, причому кожна пара повинна містити як пурин (що має два кільця), так і піримідин (що має одне). Таким чином, хелікс не буде мати ні потовщень з двома пуринами навпроти, ні звужень з двома занадто малими піримідинами.

Дослідження Чаргаффа підтвердили правильність припущень Уотсона та Крика. Дійсно, кількість пуринів дорівнюватиме кількості піримідинів, а Г=Ц та А=Т лише у випадку парування даних основ. Причому розміри обох видів пар будуть ідентичними (слайд 16). Саме можливість парування Г виключно з Ц, а А – лише з Т поряд з подвійністю хелікса і виявилася ключовим постулатом моделі структури ДНК, який вирішував так званий парадокс регулярної нерегулярності. Таким чином модель ДНК у кінцевому рахунку виявилася схожою на покручену драбину з направленими в різні боки ланцюгами (слайд 17 та 18). Зігнута частина драбини репрезентує цукрово-фосфатний кістяк двох ланцюгів ДНК, кільця показують розміщення пар основ. Таким чином, беручи до уваги параметри повторюваності (3,4 нм) та довжини однієї пари (0,34 нм) виявлено, що кожен виток спірали містить 10 пар основ. Тоді ж було визначено саму природу кістяку НК, який являв собою поєднані фософодиефірними зв’язками послідовності нуклеотидів (слайд 19). Направленість ланцюгів у різні боки один відносно одного називають антипаралельністю. Звіт про розробку моделі ДНК, що був опублікований у Nature поряд з фотографією дифракційної картини, до сьогодні є зразком простоти наукової статті – він містить лише 900 слів та займає трохи більше однієї сторінки (слайд 20).

На основі своїх даних Уотсон та Крик також вже готові були запропонувати механізм копіювання молекул ДНК згідно з комплементарністю ланцюгів (слайд 21), що включав в себе розділення їх та використання кожного у якості матриці для нового ланцюга. Саме це припущення і дало початок теорії напівконсервативного самоподвоєння (редуплікації або реплікації) ДНК, що зберігало інтактність генів у молекулі НК. Пізніше, у 1958 році Мезельсон і Сталь у своїх дослідах показали, що ДНК дійсно реплікується саме за таким механізмом.