Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы

« Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы » была первой опубликованной статьей , в которой описывалось открытие двойной спирали структуры ДНК с использованием дифракции рентгеновских лучей и математического преобразования спирали . Он был опубликован Фрэнсисом Криком и Джеймсом Д. Уотсоном в научном журнале Nature на страницах 737–738 его 171-го тома (от 25 апреля 1953 г.).

Схематическое изображение основных структурных особенностей двойной спирали ДНК. На этом рисунке не изображена B-ДНК .

Эту статью часто называют «жемчужиной» науки, поскольку она кратка и содержит ответ на фундаментальную загадку живых организмов . Этой загадкой был вопрос о том, как возможно, что генетические инструкции сохраняются внутри организмов и как они передаются из поколения в поколение. В статье представлено простое и элегантное решение, которое удивило многих биологов того времени, считавших, что передачу ДНК будет труднее выявить и понять. Это открытие оказало большое влияние на биологию , особенно в области генетики , позволив последующим исследователям понять генетический код .

Эволюция молекулярной биологии

Применение физики и химии к биологическим проблемам привело к развитию молекулярной биологии, которая особенно занимается потоком и последствиями биологической информации от ДНК к белкам . Открытие двойной спирали ДНК прояснило, что гены являются функционально определенными частями молекул ДНК и что у клеток должен быть способ транслировать информацию в ДНК в определенные аминокислоты, из которых образуются белки.

Лайнус Полинг был химиком, оказавшим большое влияние на понимание структуры биологических молекул. В 1951 году Полинг опубликовал структуру альфа-спирали — принципиально важного структурного компонента белков. В начале 1953 года Полинг опубликовал модель тройной спирали ДНК, которая впоследствии оказалась неверной. И Крик, и особенно Уотсон, думали, что они состязаются с Полингом за открытие структуры ДНК.

Макс Дельбрюк был физиком, который осознал некоторые биологические последствия квантовой физики . Размышления Дельбрука о физической основе жизни побудили Эрвина Шредингера написать «Что такое жизнь?» . Книга Шрёдингера оказала большое влияние на Крика и Ватсона. Усилия Дельбрюка по продвижению « группы фагов » (исследующих генетику с помощью вирусов, поражающих бактерии) сыграли важную роль в раннем развитии молекулярной биологии в целом и в развитии научных интересов Уотсона в частности.

Крик, Уотсон и Морис Уилкинс получили Нобелевскую премию по медицине в знак признания открытия двойной спирали ДНК.

Структура и функции ДНК

Не всегда структуру молекулы легко связать с ее функцией. То, что делает структуру ДНК столь очевидно связанной с ее функцией, было скромно описано в конце статьи: «От нашего внимания не ускользнуло, что специфическое спаривание, которое мы постулировали, сразу предполагает возможный механизм копирования генетического материала».

Репликация ДНК . Две комплементарные цепи молекулы ДНК позволяют воспроизводить генетические инструкции.

«Специфическое спаривание» — ключевая особенность модели ДНК Уотсона и Крика — спаривание нуклеотидных субъединиц. В ДНК количество гуанина равно цитозину , а количество аденина — тимину . Пары A:T и C:G структурно схожи. В частности, длина каждой пары оснований одинакова, и они одинаково помещаются между двумя сахарофосфатными остовами. Пары оснований удерживаются вместе водородными связями — типом химического притяжения, которое легко разрушить и легко реформировать. Осознав структурное сходство пар A:T и C:G, Уотсон и Крик вскоре создали свою модель двойной спирали ДНК, в которой водородные связи в ядре спирали обеспечивают возможность расстегнуть две комплементарные цепи для облегчения репликации : последнее ключевое требование для вероятной модели генетической молекулы.

Действительно, спаривание оснований действительно предложило способ копирования молекулы ДНК. Просто разделите две сахаро-фосфатные цепи, каждая из которых содержит водородные связи A, T, G и C компонентов. Каждую цепь затем можно было использовать в качестве матрицы для сборки новой комплементарной цепи пары оснований.

Будущие соображения

Уотсон и Крик использовали множество алюминиевых шаблонов, подобных этому, представляющему собой однооснование аденина (А), для создания физической модели ДНК в 1953 году.

Когда Уотсон и Крик создали свою модель двойной спирали ДНК, было известно, что большинство специализированных свойств множества различных форм жизни на Земле стало возможным благодаря белкам . Структурно белки представляют собой длинные цепи субъединиц аминокислот . Каким-то образом генетическая молекула ДНК должна была содержать инструкции о том, как создавать тысячи белков, обнаруженных в клетках. Из модели двойной спирали ДНК стало ясно, что должно существовать некоторое соответствие между линейными последовательностями нуклеотидов в молекулах ДНК и линейными последовательностями аминокислот в белках. Детали того, как последовательности ДНК инструктируют клетки вырабатывать определенные белки, были проработаны молекулярными биологами в период с 1953 по 1965 год. Фрэнсис Крик сыграл важную роль как в теории, так и в анализе экспериментов, которые привели к лучшему пониманию генетический код .

Последствия

Другие достижения в молекулярной биологии, связанные с открытием двойной спирали ДНК, в конечном итоге привели к созданию способов секвенирования генов. Джеймс Уотсон руководил проектом «Геном человека» в Национальном институте здравоохранения . Способность секвенировать ДНК и манипулировать ею сейчас занимает центральное место в биотехнологической промышленности и современной медицине . Строгая красота структуры и практическое значение двойной спирали ДНК в совокупности создали молекулярную структуру нуклеиновых кислот; «Структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы» — одна из самых выдающихся статей по биологии двадцатого века.

Соавторы и споры

Основная статья: Споры о ДНК Королевского колледжа Лондона

Хотя Уотсон и Крик были первыми, кто собрал воедино все разрозненные фрагменты информации, необходимые для создания успешной молекулярной модели ДНК, их выводы были основаны на данных, собранных исследователями в нескольких других лабораториях. Например, они опирались на опубликованные исследования, касающиеся открытия водородных связей в ДНК Джоном Массоном Галландом , Денисом Джорданом и их коллегами из Университетского колледжа Ноттингема в 1947 году. Однако для открытия двойной спирали ДНК также было использовано значительное количество материала из неопубликованных работ Розалинды Франклин , А.Р. Стоукса , Мориса Уилкинса и Х.Р. Уилсона из Королевского колледжа Лондона . Ключевые данные Уилкинса, Стоукса и Уилсона, а также, отдельно, Франклина и Гослинга , были опубликованы в двух отдельных дополнительных статьях в том же выпуске журнала Nature, что и статья Уотсона и Крика. В статье Уотсона и Крика признавалось, что их «стимулировали» экспериментальные результаты исследователей Королевского колледжа, и аналогичное признание было опубликовано Уилкинсом, Стоуксом и Уилсоном в следующей трехстраничной статье.

В 1968 году Уотсон опубликовал весьма спорный автобиографический отчет об открытии двойной спиральной молекулярной структуры ДНК, названной «Двойная спираль» , который не был публично принят ни Криком, ни Уилкинсом. Более того, Эрвин Чаргафф также напечатал довольно «несимпатичную рецензию» на книгу Уотсона в номере журнала Science от 29 марта 1968 года . В книге Уотсон заявил, среди прочего, что он и Крик имели доступ к некоторым данным Франклина из источника, о котором она не знала, а также что он видел - без ее разрешения - рентгенограмму B-ДНК. получен Франклином и Гослингом в мае 1952 года в Королевском магазине в Лондоне. В частности, в конце 1952 года Франклин представил Совету медицинских исследований отчет о проделанной работе , который был рассмотрен Максом Перуцем , работавшим тогда в Кавендишской лаборатории университета Кембриджского . Уотсон и Крик также работали в Кавендишской лаборатории, поддерживаемой MRC, в Кембридже, тогда как Уилкинс и Франклин работали в лаборатории Кингс в Лондоне, поддерживаемой MRC. Такие отчеты MRC обычно не широко распространялись, но Крик прочитал копию резюме исследования Франклина в начале 1953 года.

Перуц оправдал передачу отчета Франклина о кристаллографической единице структур B-ДНК и А-ДНК Крику и Ватсону тем, что отчет содержал информацию, которую Ватсон слышал раньше, в ноябре 1951 года, когда Франклин говорила о своих неопубликованных результатах с Рэймондом. Гослинг во время встречи, организованной MHF Wilkins в Королевском колледже по просьбе Крика и Ватсона; Перуц сказал, что он не действовал неэтично, поскольку отчет был частью усилий по содействию более широкому контакту между различными исследовательскими группами MRC и не был конфиденциальным. Это обоснование исключило бы Крика, который не присутствовал на встрече в ноябре 1951 года, однако Перуц также предоставил ему доступ к данным отчета Франклина MRC. Затем Крик и Уотсон обратились за разрешением к главе Кавендишской лаборатории Уильяму Лоуренсу Брэггу опубликовать свою молекулярную модель ДНК с двойной спиралью, основанную на данных Франклина и Уилкинса.

К ноябрю 1951 года Уотсон, по его собственному признанию, мало разбирался в рентгеновской кристаллографии и поэтому не до конца понимал, что говорил Франклин о структурной симметрии молекулы ДНК. Крик, однако, зная преобразования Фурье функций Бесселя, которые представляют собой картины дифракции рентгеновских лучей спиральных структур атомов, правильно интерпретировал далее одно из экспериментальных результатов Франклина как указание на то, что ДНК, скорее всего, представляет собой двойную спираль с двумя полинуклеотидными цепями. бег в противоположных направлениях. Таким образом, Крик имел уникальную возможность сделать такую ​​интерпретацию, поскольку ранее он работал над данными дифракции рентгеновских лучей для других крупных молекул, которые имели спиральную симметрию, подобную симметрии ДНК. Франклин, напротив, отвергла первый подход к построению молекулярной модели, предложенный Криком и Уотсоном: первая модель ДНК, которую в 1952 году Уотсон представил ей и Уилкинсу в Лондоне, имела явно неправильную структуру с гидратированными заряженными группами внутри. модели, а не снаружи. Уотсон прямо признал это в своей книге «Двойная спираль» .

См. также

• Сравнение программного обеспечения для моделирования нуклеиновых кислот : моделирование нуклеиновых кислот
• Кристаллография
• Майлз из страны будущего , сериал (2015–2018) с адмиралами-близнецами по имени Уотсон и Крик.
• Паракристалличность
• Рассеяние рентгеновских лучей
• Кето-енольная таутомерия#ДНК , последнее ключевое открытие сотрудника Полинга о том, что учебники того времени были неправильными, что привело к решенной структуре.
• Эксперимент Эйвери-Маклауда-Маккарти , первая демонстрация того, что ДНК, вероятно, является генетическим материалом.
• Правила Чаргаффа , показавшие, что A:T и G:C встречаются в равных количествах.

Библиография

• Джадсон, Гораций Фриланд (1979). Восьмой день творения. Создатели революции в биологии . Саймон и Шустер. ISBN  978-0-671-22540-7 .
• Мэддокс, Бренда (2002). Розалинда Франклин: Темная леди ДНК . Харпер Коллинз. ISBN  978-0-060-98508-0 .
• Олби, Роберт (1974). Путь к двойной спирали: открытие ДНК . Макмиллан. ISBN  978-0-486-68117-7 . (с предисловием Фрэнсиса Крика; переработано в 1994 г., с 9-страничным постскриптумом.)
• Уотсон, Джеймс Д. (1980). Двойная спираль: личный рассказ об открытии структуры ДНК . Атенеум. ISBN  978-0-689-70602-8 . (впервые опубликовано в 1968 г.)
• Уилкинс, Морис (2003). Третий человек двойной спирали: автобиография Мориса Уилкинса . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-198-60665-9 .
• История жизни (телефильм) о - инсценировка BBC научной гонке за открытие двойной спирали ДНК.

Внешние ссылки

• Аннотированная копия статьи Сан-Франциско. из Exploratorium
• Получите доступ к статье Excellence Classic Collection о структуре ДНК .
• Лайнус Полинг и гонка за ДНК: документальная история

Онлайн-версии

• Онлайн-версия (исходный текст) на сайте Nature.com.
• Национальной медицинской библиотеки PDF-копия в коллекции документов Фрэнсиса Крика .
• Памятная HTML-версия Am J Psychiatry 160:623-624, апрель 2003 г.