Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

12.1: Структура ДНК

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    8101

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    У 1950-х роках Френсіс Крик і Джеймс Уотсон працювали разом над визначенням структури ДНК в Кембриджському університеті, Англія. Інші вчені, такі як Лінус Полінг і Моріс Вілкінс, також активно досліджували цю сферу. Полінг виявив вторинну структуру білків за допомогою рентгенівської кристалографії. У лабораторії Вілкінса дослідник Розалінд Франклін використовувала рентгенівські дифракційні методи, щоб зрозуміти структуру ДНК. Уотсон і Крик змогли скласти загадку молекули ДНК на основі даних Франкліна, оскільки Крик також вивчав рентгенівську дифракцію (рис.\(\PageIndex{1}\)).

    На фотографії в частині А зображені Джеймс Уотсон, Френсіс Крик та Маклін Маккарті. Рентгенівська дифракційна картина в частині b симетрична, з крапками у формі x
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Робота вчених-новаторів (а) Джеймса Уотсона, Френсіса Кріка та Маклін Маккарті призвела до нашого сьогоднішнього розуміння ДНК. Вчений Розалінда Франклін виявила (б) рентгенівську дифракційну картину ДНК, яка допомогла з'ясувати її структуру подвійної спіралі. (Кредит: модифікація роботи Марджорі Маккарті, Публічна бібліотека науки)

    На жаль, Уотсон і Крик отримали доступ до даних Франкліна без її відома або схвалення. У 1962 році Джеймс Уотсон, Френсіс Крик і Моріс Вілкінс були удостоєні Нобелівської премії з медицини. На жаль, на той час Франклін помер (від раку яєчників, ймовірно, викликаного впливом рентгенівських променів), а Нобелівські премії не присуджуються посмертно (після смерті). Це дійсно цікава історія «сексизму в науках» - є фільм під назвою «Секрет фотографії 51», який ви можете знайти на YouTube, якщо вам цікаво.

    На основі рентгенівської дифракційної фотографії Розалінди Франклін та роботи інших вчених, Уотсон і Крик запропонували, що ДНК складається з двох ниток нуклеотидів, які скручені один навколо одного, утворюючи правосторонню спіраль. Нуклеотиди з'єднуються між собою в ланцюг ковалентними зв'язками, відомими як фосфодіефірні зв'язки. Вчені вже знали, що нуклеотиди містять ті ж три важливих компонента: азотисту основу, дезоксирибозу (5-вуглецевий цукор) і фосфатну групу (рис.\(\PageIndex{2}\)). Нуклеотид називається залежно від азотистої основи: аденін (А), тимін (Т), цитозин (С) та гуанін (G). Аденін і гуанін - це обидва пурини, тоді як цитозин і тимін - піримідини. Пурини мають подвійну кільцеву структуру з шестичленним кільцем, злитим в п'ятичленне кільце. Піримідини менші за розміром, мають єдину шестичленну кільцеву структуру. Один хороший спосіб запам'ятати це те, що цитозин, тимін та піримідин містять букву «у».

    Модель Уотсона і Крика запропонувала, що дві нитки нуклеотидів взаємодіють через сполучення основи між нуклеотидами: Пари з T і G парами з C. аденіном і тиміном є комплементарними парами основи, а цитозин і гуанін також є комплементарними парами основи. Пари основи стабілізуються водневими зв'язками (слабким типом зв'язку, що утворюється між частково позитивними і частково негативними атомами). Аденін і тимін утворюють дві водневі зв'язки, а цитозин і гуанін утворюють три водневі зв'язки. Оскільки пурин - це «2 кільця» поперек, а піримідин - «1 кільце» поперек (рис.\(\PageIndex{2}\)), Діаметр подвійної спіралі ДНК залишається постійним при «3 кільцях» (рис.\(\PageIndex{3}\)).

    Ілюстрація зображує структуру нуклеозиду, який складається з пентози з азотистою основою, прикріпленою в положенні 1'. Існує два види азотистих підстав: піримідини, що мають одне шестичленне кільце, і пурини, що мають шестичленне кільце, зрощене в п'ятичленне кільце. Цитозин, тимін і урацил є піримідинами, а аденін і гуанін - пуринами. Нуклеозид з фосфатом, прикріпленим у положенні 5', називається мононуклеотидом. Нуклеозид з приєднаними двома або трьома фосфатами називається нуклеотиддифосфат або нуклеотидний трифосфат відповідно.
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Кожен нуклеотид складається з цукру, фосфатної групи та азотистої основи. Цукор є дезоксирибозою в ДНК і рибозою в РНК.

    Атоми вуглецю п'ятивуглецевого цукру нумеруються в порядку, починаючи з вуглецю, підключеного до азотистої основи: 1 ′, 2 ′, 3 ′, 4 ′ і 5′ (1′ читається як «один простий»). Ми особливо не дбаємо про позиції 1′, 2′ або 4 ′ - ви ніколи не почуєте, як вони згадуються знову. У положенні 3 ′ завжди є гідроксильна (ОН) група, яка входить до складу цукру. Вуглець 5′ прикріплений до фосфатної групи. Коли нуклеотиди з'єднуються між собою в ланцюг, 5′ фосфат одного нуклеотиду приєднується до 3′ гідроксильної групи наступного нуклеотиду, тим самим утворюючи 5-3′ фосфодіефірний зв'язок. Це означає, що коли нуклеотиди з'єднуються між собою в ланцюг, завжди буде вільна 3′ OH група (з цукру) на одному кінці ланцюга і вільний 5′ фосфат на іншому кінці (рис.\(\PageIndex{3}\)).

    будова ДНК
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Будова ДНК. Зверніть увагу, що аденін (пурин) і тимін (піримідин) з'єднані разом з 2 водневими зв'язками, тоді як гуанін (пурин) і цитозин (піримідин) з'єднані трьома водневими зв'язками. Існує 5′ і 3′ кінець обох ланцюгів нуклеотидів, які є антипаралельними один одному. Фото кредит Меделін Прайс Бал; Вікімедіа.

    Дві пасма є анти-паралельними в природі; тобто 3′ кінець однієї нитки вказує в одному напрямку, тоді як 5′ кінець іншої нитки вказує в цьому напрямку (рис.\(\PageIndex{3}\)). Цукор і фосфат нуклеотидів утворюють кістяк структури, в той час як азотисті підстави укладаються всередину. Кожна базова пара відокремлена від іншої базової пари на відстань 0,34 нм (нанометр: 1 х 10 -9 метрів), а кожен виток спіралі вимірює 3,4 нм. Тому на один оборот спіралі присутній десять пар основ. Діаметр подвійної спіралі ДНК становить 2 нм, і він рівномірний на всьому протязі. Тільки сполучення між пурином і піримідином може пояснити рівномірний діаметр (3 «кільця» поперек). Скручування двох пасом навколо один одного призводить до утворення рівномірно розташованих великих і незначних борозенок (рис.\(\PageIndex{4}\)). Основні і незначні борозенки дуже важливі для зв'язування білка з ДНК, але ми не будемо обговорювати це конкретніше.

    Частина А показує ілюстрацію подвійної спіралі ДНК, яка має цукрово-фосфатний кістяк зовні і азотисті пари основи зсередини. У частині B показано сполучення основи між тиміном і аденіном, які утворюють дві водневі зв'язки, і між гуаніном і цитозином, які утворюють три водневі зв'язки. Частина С показує молекулярну модель подвійної спіралі ДНК. Зовнішня частина спіралі чергується між широкими зазорами, званими великими пазами, і вузькими зазорами, званими незначними канавками.
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): ДНК має (а) структуру подвійної спіралі та (б) фосфодіефірні зв'язки. (c) основні та незначні канавки - це сайти зв'язування ДНК білків під час таких процесів, як транскрипція (копіювання РНК з ДНК) та реплікація.

    Посилання

    Якщо не зазначено інше, зображення на цій сторінці ліцензуються відповідно до CC-BY 4.0 OpenStax.

    OpenStax, Біологія. OpenStax CNX. Грудня 21, 2017 http://cnx.org/contents/s8Hh0oOc@9.10:QhGQhr4x@6/Biological-Molecules