История создания пространственной модели
Знаменитая модель пространственной структуры ДНК была предложена в 1953 году американским биологом Джеймсом Уотсоном и британским исследователем Фрэнсисом Криком. Их открытие не возникло на пустом месте: ученые опирались на богатую совокупность данных, полученных их коллегами. Ключевую роль сыграли результаты рентгеноструктурного анализа, проведенного биофизиком Морисом Уилкинсом и рентгенологом Розалиндой Франклин.
Предложенная концепция двойной спирали стала настоящим прорывом в молекулярной биологии. Она впервые позволила дать четкое химическое объяснение важнейшим биологическим свойствам нуклеиновых кислот — способности к кодированию генетической информации и процессу репликации (удвоения).
Основные положения организации двойной спирали
В основе структуры лежат две полинуклеотидные цепи. Модель Уотсона и Крика описывает классическую $\beta$-форму молекулы, для которой характерны следующие принципы:
- Спирализация. Обе цепи закручены в двойную спираль вокруг единой центральной оси.
- Направление витков. Спираль является правосторонней. Если смотреть вдоль центральной оси молекулы, то повороты цепей следуют строго по часовой стрелке.
- Антипараллельность. Полинуклеотидные нити направлены в противоположные стороны. Это означает, что 5'-конец одной цепи располагается зеркально напротив 3'-конца второй цепи.
- Ориентация нуклеотидов. Каждый отдельный нуклеотид располагается в плоскости, которая строго перпендикулярна центральной оси спирали.
- Наличие бороздок. В объемной структуре закрученной молекулы четко выделяются два углубления: большая и малая бороздки.
Комплементарность и водородные связи
Две антипараллельные цепи надежно скреплены между собой водородными связями. Эти связи возникают не хаотично, а строго между азотистыми основаниями, принадлежащими разным цепям. Взаимодействие оснований обладает высочайшей специфичностью и подчиняется принципу комплементарности.
Физико-химические основы спаривания:
- Пары А=Т (аденин и тимин) образуют между собой ровно две водородные связи.
- Пары Г≡Ц (гуанин и цитозин) связываются прочнее — с помощью трех водородных связей.
Благодаря строгой комплементарности последовательность нуклеотидов в одной цепи однозначно определяет последовательность во второй. Это свойство обеспечивает матричную функцию ДНК: при раскручивании спирали каждая одиночная цепь выступает в роли готовой матрицы, на которой синтезируется новая, полностью комплементарная ей цепь.
Метрические параметры молекулы
Двойная спираль обладает строгими, неизменными геометрическими характеристиками. Изучение структуры позволило вывести следующие метрические параметры:
- Расстояние между соседними нуклеотидами: составляет 0,34 нм.
- Один полный виток спирали: равен 3,4 нм. На протяжении одного витка укладывается ровно 10 нуклеотидов.
- Диаметр молекулы: стабильно равен 2 нм на всем ее протяжении.
Интересное следствие из химического строения: участки ДНК, которые богаты парами А=Т, значительно легче поддаются разделению цепей (процессу денатурации). Поскольку две водородные связи разорвать проще, чем три, именно такие А=Т-богатые участки в большинстве случаев служат точками начала репликации (origins of replication).
Коротко: ответы на вопросы по теме
С помощью каких химических связей соединяются нуклеотиды внутри одной полинуклеотидной цепи ДНК?
Нуклеотиды внутри одной полинуклеотидной цепи ДНК соединяются посредством ковалентных фосфодиэфирных связей. Эти связи формируют сахарофосфатный остов (каркас) полинуклеотидной цепи, состоящий из чередующихся остатков дезоксирибозы и фосфатов, который располагается снаружи двойной спирали.
Механизм формирования остова:
- Фосфодиэфирная связь — фосфатная группа при атоме углерода в $5'$‑положении одного кольца соединяется с атомом углерода в $3'$‑положении следующего пентозного кольца.
Благодаря такому механизму цепь приобретает полярность: $5'$‑конец имеет свободную фосфатную группу, а $3'$‑конец завершается свободной гидроксильной ($3'$-ОН) группой.
Какие азотистые основания ДНК относятся к пуриновым, а какие — к пиримидиновым?
Азотистые основания в молекуле ДНК представлены гетероциклическими соединениями и делятся на пуриновые и пиримидиновые.
- Пуриновые основания — имеют структуру из двух колец (шестичленного и пятичленного). В ДНК к ним относятся аденин (А) и гуанин (Г).
- Пиримидиновые основания — имеют химическую структуру из одного шестичленного кольца. В молекуле ДНК к ним относятся цитозин (Ц) и тимин (Т).
К пиримидиновым основаниям также относится урацил (У), однако он встречается только в составе РНК, тогда как тимин является его метилированным аналогом и характерен для ДНК.
Вопросы с занятий и экзамена
Что означает антипараллельность цепей ДНК?
Это принцип пространственной организации, при котором две полинуклеотидные нити направлены в противоположные стороны. В результате 5'-конец одной цепи всегда соответствует 3'-концу другой.
В какую сторону закручена спираль?
Классическая бета-форма молекулы является правосторонней. При взгляде вдоль ее оси повороты цепи совершаются по часовой стрелке.
Почему точки начала репликации часто обогащены парами А=Т?
Пары аденин-тимин удерживаются вместе лишь двумя водородными связями (тогда как пары гуанин-цитозин — тремя). Участки с преобладанием А=Т слабее скреплены и легче поддаются денатурации (расплетению), что необходимо для старта репликации.
Сколько нуклеотидов содержит один виток спирали?
Один полный виток спирали имеет длину 3,4 нм и содержит ровно 10 нуклеотидов. Расстояние между соседними нуклеотидами при этом составляет 0,34 нм.
Что ещё разобрать по теме
- Матричная функция и механизмы репликации ДНК
- Процесс денатурации и разделения полинуклеотидных цепей
- Роль большой и малой бороздок в функционировании ДНК
- Методы рентгеноструктурного анализа нуклеиновых кислот
Разберите тему целиком в курсе «Биология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Строение ДНК» и ещё 3 793 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 124 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Молекулярная генетика»
Бесплатные видеоуроки: биологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.