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).
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.