Definice
Dvojitá šroubovice je termín používaný pro popis tvaru naší dědičné molekuly DNA. Tato okamžitě rozpoznatelná struktura se skládá ze dvou vláken DNA stočených kolem sebe a spojených uprostřed vodíkovou vazbou. Vodíkové vazby vznikají mezi nukleotidy – opakující se jednotkou DNA a jazykem genetického kódu.
Strukturu dvojité šroubovice DNA odhalil přelomový výzkum připisovaný Jamesi Watsonovi a Francisi Crickovi v 50. letech 20. století. Tento objev je považován za jeden z nejdůležitějších dosavadních pokroků v biologii. K příběhu objevu dvojité šroubovice DNA se vážou i některé kontroverze, přičemž se tvrdí, že zúčastnění vědci neuznali přínos jiných, konkrétně Rosalindy Franklinové.
Přehled struktury DNA
Každé vlákno DNA je tvořeno řadou opakujících se jednotek zvaných nukleotidy. Proto se každé vlákno DNA označuje jako polynukleotid. Tyto nukleotidy jsou tvořeny třemi složkami:
- pětiuhlíkatý cukr (deoxyribóza)
- fosfátová skupina
- dusíkatá báze
Čtvrtý uhlík deoxyribózového cukru z jednoho nukleotidu tvoří fosfodiesterovou vazbu s fosfátovou skupinou sousední báze. To tvoří základ cukr-fosfátové páteře vlákna DNA.
Dusíkaté báze jsou „jazykem“ DNA. V DNA jsou čtyři dusíkaté báze: guanin (G), adenin (A), tymin (T) a cytosin (C). Na základě jejich struktury je lze rozdělit do dvou skupin. Guanin a adenin jsou puriny s dvouuhlíkatým dusíkovým kruhem a tymin a cytosin jsou pyrimidiny s jednouhlíkatým dusíkovým kruhem.
Kombinaci těchto čtyř písmen v molekulách DNA říkáme genetický kód a tento kód obsahuje všechny instrukce pro stavbu a chod celého organismu!
Každé z těchto polynukleotidových vláken je spárováno s komplementárním vláknem a obtáčí se kolem sebe, čímž vytváří strukturu dvojité šroubovice. Jak byla tato složitá struktura odhalena?
Objev struktury dvojité šroubovice DNA
Objev struktury dvojité šroubovice DNA je jedním z nejdůležitějších a nejznámějších vědeckých objevů. O objev se zasloužili biolog James Watson a fyzik Francis Crick v 50. letech 20. století. Za svůj výzkum později získali Nobelovu cenu spolu s Mauricem Wilkinsem, který je často přehlížen pro svou důležitou roli ve výzkumu, který vedl k tomuto průlomu. Ve skutečnosti je jeho autobiografie nazvána „Třetí muž dvojité šroubovice“.
Před zveřejněním jejich výsledků již bylo provedeno mnoho výzkumů a vrhlo se světlo na složení DNA. Například již bylo známo, že DNA se skládá z nukleotidů a že poměr purinů: pyrimidinů v molekule DNA je stejný (známé jako Chargaffovo pravidlo).
Watson a Crick odvodili svůj model tak, že tyto důkazy, stejně jako rentgenové krystalografické údaje shromážděné Rosalindou Franklinovou, vložili do struktury, která splňovala parametry všech dříve shromážděných důkazů. Použili řadu kartonových modelů a pečlivě je sestavovali, dokud nevytvořili strukturu, která dávala smysl. Díky tomu vytvořili model, který je po desetiletích obecně považován za přesný. Původní článek, doplněný poznámkami, si můžete přečíst zde.
Po dokončení výzkumu údajně zažili okamžik „heuréky“ a Crick běžel do místní hospody v Cambridgi, aby oznámil, že s Watsonem „objevili tajemství života“.
V hospodě, která se jmenuje The Eagle, byla na památku této události vztyčena pamětní deska uvnitř a jedna venku. Pamětní desku kdysi upravil jeden z návštěvníků, který na ni doplnil „+ Franklin jako uznání významné role Rosalindy Franklinové!“
Vlastnosti struktury dvojité šroubovice DNA
Mezi důležité vlastnosti Watsonova/Crickova modelu dvojité šroubovice DNA patří:
Směrnost šroubovice
Jednotlivá molekula DNA se skládá ze dvou vláken, která se navzájem stáčejí a tvoří šroubovici. Šroubovice se otočí přibližně jednou za deset nukleotidů. Směr šroubovice je téměř vždy pravotočivý, tj. pokud si obě vlákna představíte jako točité schody, po kterých se chystáte sejít, museli byste se otočit doprava, abyste mohli sestoupit. Vnější strana šroubovice obsahuje vlákna DNA a jádro šroubovice obsahuje dusíkaté báze.
Komplementární párování bází
Když nukleotidy z každého vlákna podléhají vodíkové vazbě, činí tak zvláštním způsobem. Adeniny se vždy párují s thyminy a cytosiny a vždy se párují s guaniny. Mezi guaniny a cytosiny existují tři vodíkové vazby a mezi thyminy a guaniny dvě vodíkové vazby. Říká se tedy, že vlákna DNA jsou navzájem komplementární.
Genetický kód
Sekvence nukleotidů je u různých organismů proměnlivá a je tím, co uchovává genetickou informaci a činí každý organismus jedinečným. Sekvence DNA se šíří mezi generacemi. Sekvence DNA je tedy nezbytná pro pokračování života.
Antiparalelní orientace
Vlákna DNA probíhají navzájem antiparalelně. To znamená, že na konci konkrétní molekuly jedno vlákno končí na fosfátové skupině (nazývá se 5′, protože fosfátová skupina je připojena k pátému uhlíku) a druhé vlákno končí na hydroxylové skupině (nazývá se 3′, protože OH skupina je na třetím uhlíku). Na druhém konci molekuly je tomu naopak.
Major a Minor Grooves
Struktura DNA znamená, že páteř obou vláken je na jedné straně šroubovice blíže k sobě než na druhé. Tam, kde jsou blíže, se tato struktura nazývá hlavní drážka. Tam, kde jsou od sebe dále, se struktura nazývá minor groove.
Tyto strany jsou funkčně důležité, protože některé proteiny se přednostně vážou na major groove. Tyto bílkoviny jsou obvykle faktory, které musí interagovat s nukleotidy, například transkripční faktory nebo enzymy replikace DNA. Naproti tomu jiné proteiny, které nevyžadují sekvenční specifičnost, budou interagovat s vedlejší drážkou.
Odvíjecí enzym
Aby mohla být DNA předána další generaci, musí být zkopírována. Aby mohla být věrně replikována, musí být dvojitá šroubovice rozvinuta neboli rozbalena, aby buněčné stroje měly přístup k sekvenci nukleotidů. Toto rozbalení zajišťuje enzym helikáza.
Funkcí helikázy je přetvářet strukturu DNA přerušením vodíkových vazeb mezi párovými nukleotidy. DNA helikáza je také důležitá při opravě poškození DNA a v procesu transkripce.
Alternativní struktury DNA
Watsonův a Crickův model se týká nejběžnější struktury DNA, která se nazývá B-DNA. Další dvě konformace DNA jsou v přírodě mnohem vzácnější: Z-DNA a A-DNA. Z-DNA je levotočivá šroubovice bez výrazných rozdílů, které by vymezovaly hlavní a vedlejší drážky. A-DNA je svou strukturou mnohem podobnější B-DNA, ale je stlačenější a kompaktnější.