Definition
Double helix jest terminem używanym do opisania kształtu naszej dziedzicznej cząsteczki, DNA. Ta natychmiast rozpoznawalna struktura składa się z dwóch nici DNA skręconych wokół siebie i połączonych w środku wiązaniami wodorowymi. Wiązania wodorowe tworzą się między nukleotydami – powtarzającą się jednostką DNA i językiem kodu genetycznego.
Podwójna helisa struktura DNA została odkryta w przełomowych badaniach przypisywanych Jamesowi Watsonowi i Francisowi Crickowi w latach 50. Odkrycie to jest uważane za jeden z najważniejszych postępów w biologii do tej pory. Historia odkrycia podwójnej helisy DNA również wiąże się z pewnymi kontrowersjami, z twierdzeniami, że zaangażowani naukowcy nie uznali wkładu innych, a mianowicie Rosalind Franklin.
Przegląd struktury DNA
Każda nić DNA jest zbudowana z serii powtarzających się jednostek zwanych nukleotydami. Stąd, każda nić DNA jest określana jako polinukleotyd. Te nukleotydy są utworzone z trzech składników:
- pięciowęglowego cukru (deoksyrybozy)
- grupy fosforanowej
- zasady azotowej
Czwarty węgiel cukru deoksyrybozy z jednego nukleotydu tworzy wiązanie fosfodiestrowe z grupą fosforanową sąsiedniej zasady. Stanowi to podstawę szkieletu cukrowo-fosforanowego nici DNA.
Zasady azotowe są „językiem” DNA. Istnieją cztery zasady azotowe w DNA: guanina (G), adenina (A), tymina (T) i cytozyna (C). Można je podzielić na dwie grupy na podstawie ich struktury. Guanina i adenina to puryny, z dwuwęglowym pierścieniem azotowym; a tymina i cytozyna to pirymidyny, z jednowęglowym pierścieniem azotowym.
Kombinacja tych czterech liter w cząsteczkach DNA jest tym, co nazywamy kodem genetycznym, a kod ten zawiera wszystkie instrukcje budowy i działania całego organizmu!
Każda z tych nici polinukleotydowych jest sparowana z nicią komplementarną i owija się wokół siebie, tworząc strukturę podwójnej helisy. Jak odkryto tę złożoną strukturę?
Odkrycie struktury podwójnej helisy DNA
Odkrycie struktury podwójnej helisy DNA jest jednym z najważniejszych i najbardziej znanych przełomów naukowych. Odkrycie to zostało przypisane Jamesowi Watsonowi, biologowi, i Francisowi Crickowi, fizykowi, w latach 50. Za swoje badania otrzymali oni później Nagrodę Nobla, podobnie jak Maurice Wilkins, który jest często pomijany ze względu na swoją ważną rolę w badaniach, które doprowadziły do przełomu. W rzeczywistości, jego autobiografia jest zatytułowany „Trzeci człowiek z podwójnej helisy”.
Przed opublikowaniem ich ustaleń, wiele badań już zostały przeprowadzone, a niektóre światło świeciło, na skład DNA. Na przykład, było już wiadomo, że DNA składa się z nukleotydów i że stosunek puryn: pirymidyn w cząsteczce DNA jest równy (znany jako reguła Chargaffa).
Watson i Crick wyprowadzili swój model poprzez umieszczenie tych dowodów, jak również danych z krystalografii rentgenowskiej zebranych przez Rosalind Franklin, w strukturę, która spełniała parametry wszystkich wcześniej zebranych dowodów. Użyli serii kartonowych modeli, starannie je konstruując, aż utworzyły strukturę, która miała sens. Dzięki temu stworzyli model, który dziesiątki lat później jest powszechnie uważany za dokładny. Oryginalny artykuł, wraz z przypisami, można przeczytać tutaj.
Po zakończeniu badań rzekomo mieli moment „eureki”, a Crick pobiegł do lokalnego pubu w Cambridge, aby ogłosić, że on i Watson „odkryli sekret życia.”
Pub, zwany The Eagle, postawił tablicę pamiątkową wewnątrz i na zewnątrz, aby upamiętnić tę okazję. Tablica została kiedyś zmodyfikowana przez członka społeczeństwa, który dodał „+ Franklin w uznaniu ważnej roli odegranej przez Rosalind Franklin!
Cechy struktury podwójnej helisy DNA
Kilka ważnych cech modelu Watsona/Cricka podwójnej helisy DNA obejmuje:
Kierunkowość helisy
Pojedyncza cząsteczka DNA składa się z dwóch nici, które skręcają się wokół siebie, tworząc helisę. Spirala obraca się w przybliżeniu raz na dziesięć nukleotydów. Kierunek spirali jest prawie zawsze prawoskrętny, tzn. jeśli wyobrazisz sobie dwie nici jak spiralne schody, po których masz zamiar schodzić, będziesz musiał skręcić w prawo, aby zejść. Zewnętrzna część helisy zawiera nici DNA, a rdzeń helisy zawiera zasady azotowe.
Komplementarne parowanie zasad
Gdy nukleotydy z każdej nici ulegają wiązaniu wodorowemu, robią to w szczególny sposób. Adeniny są zawsze sparowane z tyminy i cytozyny i zawsze sparowane z guaniny. Pomiędzy guaniną i cytozyną występują trzy wiązania wodorowe, a pomiędzy tyminą i guaniną dwa wiązania wodorowe. Dlatego mówi się, że nici DNA są komplementarne względem siebie.
Kod genetyczny
Sekwencja nukleotydów jest zmienna między organizmami i jest tym, co przechowuje informację genetyczną i sprawia, że każdy organizm jest unikalny. Sekwencja DNA jest propagowana między pokoleniami. Tak więc, sekwencja DNA jest niezbędna do kontynuacji życia.
Orientacja antyrównoległa
Włókna DNA biegną antyrównolegle do siebie. Oznacza to, że na końcu danej cząsteczki, jedna nić kończy się na grupie fosforanowej (zwanej 5′, ponieważ grupa fosforanowa jest przyłączona do piątego węgla), a druga nić kończy się na grupie hydroksylowej (zwanej 3′, ponieważ grupa OH znajduje się na trzecim węglu). Odwrotnie jest w przypadku drugiego końca cząsteczki.
Główne i mniejsze rowki
Struktura DNA oznacza, że szkielet dwóch nici jest bliżej siebie po jednej stronie helisy niż po drugiej. Gdzie są one bliżej, struktura jest nazywana głównym rowkiem. Gdzie są one dalej od siebie, struktura jest nazywana minor groove.
Te strony są funkcjonalnie ważne, jak niektóre białka preferencyjnie wiązać się z głównym rowkiem. Białka te są zwykle czynnikami, które muszą oddziaływać z nukleotydami, takimi jak czynniki transkrypcyjne lub enzymy replikacji DNA. Z kolei inne białka, które nie wymagają specyficzności sekwencji, będą oddziaływać z rowkiem mniejszym.
Enzym odwracający
Aby DNA mogło być przekazane następnemu pokoleniu, musi zostać skopiowane. Aby móc wiernie replikować, podwójna helisa musi zostać rozwinięta lub rozpakowana, tak aby maszyneria komórkowa miała dostęp do sekwencji nukleotydów. To rozpakowanie jest osiągane przez enzym helikazę.
Funkcją helikazy jest przemodelowanie struktury DNA przez zerwanie wiązań wodorowych między sparowanymi nukleotydami. Helikaza DNA jest również ważna podczas naprawy uszkodzeń DNA oraz w procesie transkrypcji.
Alternatywne struktury DNA
Model Watsona i Cricka odnosi się do najczęściej występującej struktury DNA, zwanej B-DNA. Dwie kolejne konformacje DNA występują w przyrodzie znacznie rzadziej: Z-DNA i A-DNA. Z-DNA jest lewoskrętną helisą, w której brak jest silnych różnic definiujących rowki większe i mniejsze. A-DNA jest znacznie bardziej podobny w strukturze do B-DNA, ale jest bardziej ściśnięty i zwarty.