Модель молекулы ДНК

Создание точной пространственной модели стало возможным благодаря синтезу теоретических разработок и экспериментальных данных, полученных разными учёными. К середине XIX века было установлено, что способность к наследованию признаков определяется материалом, находящимся в ядре клетки. В 1869 году Фридрих Мишер выделил из ядер клеток вещество, названное им нуклеином, что сейчас расценивается как открытие нуклеиновых кислот^[2].

Решающую роль в построении модели сыграли результаты рентгеноструктурного анализа, полученные Розалинд Франклин^[3]. В одном из предоставленных документов приведена её рентгенограмма молекулы ДНК, которая стала ключевым доказательством спиральной структуры^[4]. Метод исследования заключался в следующем: ДНК сначала специальным образом кристаллизовали, а затем полученные кристаллы облучали рентгеновскими лучами. Возникающая при этом дифракционная картина — набор пятен на рентгеновской плёнке — образуется в результате отклонения лучей ядрами атомов, входящих в состав исследуемой молекулы^[4]. С использованием специального математического аппарата учёные расшифровали эту картину и определили трёхмерную структуру молекулы. Именно эти бесценные экспериментальные данные позволили Уотсону и Крику построить свою знаменитую модель^[3][4]. В 1962 году Дж. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс за раскрытие молекулярной структуры ДНК и её значения в передаче генетической информации были удостоены Нобелевской премии^[3].

Согласно модели Уотсона и Крика, молекула ДНК представляет собой линейный, нерегулярный биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей^[2]. Мономерами, составляющими каждую из цепей, являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид содержит по одному остатку фосфорной кислоты, углевода (дезоксирибозы), а также одно из четырёх азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) или тимин (Т)^[2][3]. Азотистые основания тимин и цитозин являются производными пиримидина, а аденин и гуанин относятся к производным пурина^[2].

Две полинуклеотидные цепи закручены одна вокруг другой, образуя правозакрученную спираль. Экспериментально было определено, что диаметр этой двойной спирали равен 2 нм, а на один её виток (шаг спирали) приходится 10 пар нуклеотидов, что в протяжённости занимает 3,4 нм^[2][3]. В этой структуре все азотистые основания расположены внутри спирали, тогда как пентозы (дезоксирибоза) и остатки фосфорной кислоты формируют сахарофосфатный остов (скелет), находящийся снаружи^[3]. Двойная спираль устойчиво поддерживается двумя типами взаимодействий. Во-первых, это многочисленные водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями. Во-вторых, это гидрофобные взаимодействия, которые также вносят вклад в стабилизацию структуры^[2][3].

Принцип комплементарности лежит в основе не только структуры, но и функции молекулы ДНК. Он означает способность к избирательному соединению нуклеотидов, в результате чего формируются строго определённые пары^[2]. Количество водородных связей между разными азотистыми основаниями неодинаково: азотистое основание А одной цепи полинуклеотидов всегда связано двумя водородными связями с Т другой цепи, а Г — тремя водородными связями с азотистым основанием Ц противоположной полинуклеотидной цепочки^[2]. Если известна последовательность нуклеотидов в одной цепи, например, Т—Ц—А—Т—Г, то, следуя принципу комплементарности, можно легко определить последовательность оснований противоположной цепи — А—Г—Т—А—Ц^[2].

Важной характеристикой модели является также антипараллельность цепей. Это означает, что две полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК имеют противоположную ориентацию^[3]. Один конец цепи, называемый 5’-концом, несёт остаток фосфорной кислоты, присоединённый к 5’-атому углерода дезоксирибозы. Другой конец, называемый 3’-концом, несёт свободную гидроксильную группу (—ОН), присоединённую к 3’-атому углерода дезоксирибозы^[2][3]. В двойной спирали эти цепи ориентированы навстречу друг другу, то есть 5’-конец одной цепи находится напротив 3’-конца другой цепи. Это свойство имеет решающее значение для работы ферментов, осуществляющих репликацию и транскрипцию^[3].

Предложенная Уотсоном и Криком модель отражает только первичный уровень организации молекулы ДНК. В ядрах клеток эукариот ДНК обычно находится в тесном взаимодействии с ядерными белками разных групп: основными (гистоновыми) и кислыми (негистоновыми). Связываясь, ДНК и белки образуют единый нуклеопротеидный комплекс — дезоксирибонуклеопротеид (ДНП)^[3][5].

Первый уровень упаковки ДНП — нуклеосомная нить. Нуклеосомы представляют собой структурные единицы хроматина, представляющие собой участки нити ДНК длиной около 200 пар оснований, уложенные на дисковидные гистоновые частицы (октамеры) диаметром около 10-11 нм. Вокруг гистонового октамера участок молекулы ДНК длиной в 140 пар нуклеотидов делает 1,75 витка. В электронный микроскоп такая структура выглядит как «бусы на нитке». Диаметр хроматиновой нити на этом уровне достигает 10—11 нм^[5].

Второй уровень — хроматиновая фибрилла. Она образуется при дальнейшей укладке нуклеосомной нити в спираль с помощью гистона Н1 (линкерного гистона). При формировании хроматиновой фибриллы происходит 40-кратная компактизация ДНП, а её толщина достигает уже 30 нм^[5].

Третий уровень — петельная структура. Негистоновые белки образуют ось, или осевой скелет, — непрерывный тяж, к которому крепятся петли ДНП, имеющие форму хроматиновой фибриллы. Этот уровень компактизации характерен для интерфазных хромосом^[5].

Наконец, максимальная спирализация (суперспирализация) приводит к образованию хромосомы — структуры, различимой в световой микроскоп как вытянутое, хорошо окрашиваемое тельце. Хромосомой называют самостоятельное ядерное тельце вытянутой формы, имеющее плечи и первичную перетяжку — центромеру. До удвоения в S-периоде митотического цикла хромосома состоит из одной молекулы ДНК — хроматиды (однохроматидная хромосома), а после редупликации — из двух хроматид (двухроматидная хромосома), связанных в области центромеры^[2]. Такую многоступенчатую упаковку можно наблюдать лишь в метафазе митоза или в ходе мейоза; в другие периоды жизненного цикла клетки молекулы ДНК находятся в состоянии меньшей спирализации или деспирализованы^[2][3][5].

Главное биологическое значение этой модели заключается в том, что она не только объясняет, как молекула ДНК выполняет функцию хранителя наследственной информации, но и предсказывает механизм её передачи. Двухцепочечная структура, основанная на принципе комплементарности, обеспечивает стабильность записи генетической информации в последовательности нуклеотидов^[2][3]. Кроме того, ДНК способна к редупликации — удвоению, что обеспечивает передачу наследственной информации из поколения в поколение^[2].

Процесс редупликации начинается с того, что двойная спираль ДНК раскручивается, а затем в определённой точке (или в нескольких точках) обе цепи под действием фермента расходятся, образуя репликационную вилку. Комплекс ферментов по принципу комплементарности (А—Т и Г—Ц) присоединяет свободные нуклеотиды, имеющиеся в клетке, к каждой одинарной цепи, достраивая её до двойной^[3]. Таким образом, на каждой полинуклеотидной цепочке, выполняющей роль матрицы, создаётся новая цепь. В итоге вместо одной молекулы ДНК воссоздаются две молекулы точно такого же нуклеотидного состава, как и первоначальная. Каждая из образовавшихся двухцепочечных молекул имеет одну нить от материнской ДНК, а другую — вновь образованную (дочернюю), поэтому такой синтез называется полуконсервативным^[3]. Именно эта особенность лежит в основе передачи наследственных признаков из поколения в поколение.