Структура ДНК. Модель Дж. Уотсона и Ф. Крика
ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят сахар - дезоксирибоза, фосфат и одно из азотистых оснований - пурин (аденин или гуанин) либо пиримидин (тимин или цитозин). Особенностью структурной организации ДНК является то, что ее молекулы включают две полинуклеотидные цепи, связанные между собой определенным образом. В соответствии с трехмерной моделью ДНК, предложенной в 1953 г. американским биофизиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком, эти цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи. Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении. Другой важной особенностью объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельность: 5'-конец одной цепи соединяется с 3'-концом другой, и наоборот (рис.4).
Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК, состоящая из двух цепей, образует спираль, закрученную вокруг собственной оси. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага - 3, 4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов.
Чаще всего двойные спирали являются правозакрученными - при движении вверх вдоль оси спирали цепи поворачиваются вправо. Большинство молекул ДНК в растворе находится в правозакрученной - В-форме (В-ДНК). Однако встречаются также левозакрученные формы (Z-ДНК). Какое количество этой ДНК присутствует в клетках и каково ее биологическое значение, пока не установлено (рис.3.5).
Рис.5. Пространственные модели левозакрученной Z-формы (I) и правозакрученной В-формы (II) ДНК
Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру - полинуклеотидную цепь, вторичную структуру-две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру - трехмерную спираль с приведенными выше пространственными характеристиками.
УОТСОНА—КРИКА МОДЕЛЬ, двойная спираль, структурная модель (гипотеза) дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), согласно которой молекула ДНК состоит из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей, образующих правильную правозакрученную перевитую спираль и удерживаемых вместе водородными связями за счёт взаимодействия пар азотистых оснований. Предложена в 1953 Дж. Уотсоном и Ф. Криком. «Чтобы придти к этому правильному решению, потребовалось найти такую конфигурацию, которая была бы стереохимически наиболее выгодной и в то же время не противоречила бы данным рентгеноструктурного анализа» (Дж. Уотсон). Создание модели было подготовлено работами М. Уилкинса и Р.Франклин (получивших в 1950—52 высококачественные рентгенограммы ДНК), Л. Полинга (создавшего в 1951 теорию, позволявшую предсказывать вид рентгенограмм для различных спиральных структур), А. Тодда и его сотрудников (выяснивших в 1952 природу химических связей между нуклеотидами, из которых построена ДНК), Э. Чаргаффа (установившего в 1947—50 соотношение азотистых оснований в ДНК). Модель Уотсона—Крика позволила предсказать возможный механизм полуконсервативной матричной редупликации ДНК, общий принцип кодирования и транскрипции генетической информации, некоторые молекулярные механизмы мутационного процесса. Позднее в многочисленных исследованиях основные положения и следствия из модели Уотсона—Крика получили экспериментальное подтверждение. Уточнения коснулись более точного описания геометрических параметров и конформационных возможностей двойной спирали при различных условиях. В связи с обнаружением значительной конформационной подвижности структуры ДНК не раз поднимался вопрос о степени соответствия модели Уотсона—Крика структуре нативной ДНК. Предлагались другие гипотетические модели ДНК, например, неперевитая зигзагообразная модель ДНК, имеющая на границах поворотов-зигзагов право- и левозакрученные участки полинуклеотидных цепей. Существование левозакрученной, то есть Z-ДНК, на отдельных участках генома подтверждено экспериментально в работах А. Рича. Тем не менее, нет оснований сомневаться в том, что модель Уотсона—Крика в основных чертах правильно описывает структуру ДНК не только in vitro, но и in vivo. Создание модели Уотсона—Крика послужило мощным толчком к развитию молекулярной биологии, начало которой нередко датируют 1953 годом.