Model DNA podle Watsona a Cricka

Historie objevu struktury DNA

Nukleotidy a DNA

Komplementarita

W.-C. model DNA

Závěr

Úvod:

Za vhodných podmínek se DNA může vyrovnat do vlákna, aby se vytvořila správná struktura. DNA vlákna rozptylují X paprsky (Röntgenové záření) a tvoří na ploše charakteristické ohyby (difrakce). Metoda krystalografie X paprsky (zkoumáním struktury krystalů organických sloučenin metodou rentgenové krystalografie) naznačila třídimenzionální strukturu DNA. Následnou fotografii difrakce DNA pomocí X paprsků získali Rosalinda Franklinová a Maurice Wilkins v roce 1952. Křížový vzor odrazu X paprsku naznačuje, že DNA je helikální - má dva spirálovité řetězce.

[Maddox B. The double helix and the "wronged heroine". Nature, 2003, vol. 421: 407-408.]

Tyto poznatky využili ve svém výzkumu James Watson a Francis Crick, z kterého vzešel platný model DNA jako dvojitá šroubovice dvou antiparalelně spojených nukleotidových řetězců, které spojují navzájem dusíkaté báze vodíkovými vazbami. Struktura DNA byla publikována v roce 1953.
Zatímco Watson a Crick a Wilkinson za svůj objev získali Nobelovu cenu v roce 1962, Franklinová se toho nedožila (1920 - 1957), ačkoli její práce výrazně napomohla poznání struktury DNA (zacházení s X paprsky má své důsledky).

Je zajímavé, že u objevu století, zásadním objevu pro genetiku, nestáli genetikové, ale fyzici a biochemikové.

Nukleotidy jsou základní stavební bloky DNA

DNA je dlouhý polymer složený z podjednotek známých jako nukleotidy. Každý nukleotid se skládá z cukru deoxyribózy, fosfátu a dusíkaté báze. Znalost detailní chemické struktury těchto složek a způsob jejich kombinování hraje důležitou roli v modelu, který sestavili Watson a Crick.

Na první uhlík deoxyribózy se kovalentně napojuje příslušná báze a tvoří nukleosid.

Komplementarita bazí je strukturní podstavou genetické funkce

Watson-Crickova struktura byla založena na porozumění a interpretaci všech chemických a fyzikálních dat, dostupných v té době. Své zjištění publikovali ve vědeckém časopisu Nature v dubnu roku 1953.

Jakmile objevili strukturu, okamžitě z ní vyplynula funkce DNA, tzn. jak je genetická informace zapsána a jak se přenáší z generace do generace. Z výsledků rentgenové kristalografie vyplynulo, že v molekule DNA musí být více než jeden řetězec nukleotidů.

Nukleotidy vykazují komplementaritu

Když je DNA složena z více polynukleotidových řetězců, jaká síla je drží při sobě? Na to odpověděl svým výzkumem Erwin Chargaff, když porovnával nukleotidové složení DNA z různých organizmů. Ačkoliv mezi jednotlivými druhy jsou velké rozdíly v množství jednotlivých bází, poměr A:T byl vždy 1:1 a poměr G:C byl také 1:1.

	% bazí				poměry
organizmus	A	T	G	C	A:T	G:C
Escherichia coli	26,0	23,9	24,9	25,2	1,09	0,99
Kvasinka	31,3	32,9	18,7	17,1	0,95	1,09
Caenorhabditis elegans	31,2	29,1	19,3	20,5	1,07	0,96
Arabidopsis thaliana	29,1	29,7	20,5	20,7	0,98	0,99
Drosophila melanogaster	27,3	27,6	22,5	22,5	0,99	1,00
včela	34,4	33,0	16,2	16,4	1,04	0,99
myš	29,2	29,4	21,7	19,7	0,99	1,10
člověk	30,7	31,2	19,3	18,8	0,98	1,03

Vysvětlení Chargafových poměrů je možné jen, když budeme uvažovat o chemické afinitě mezi A a T a mezi G a C. Porovnáním bazí došel Watson k závěru, že mezi purinovou a pyrimidinovou bází jsou vodíkové vazby: slabá elektrostatická vazba mezi atomy vodíku.

Komplementární párování bází

Adenin na jednom řetězci může tvořit dvě vodíkové vazby s tyminem druhého řetězce. Guanin jednoho řetězce tvoří tři vodíkové vazby s cytozinem druhého řetězce DNA. Velikost a tvar A-T a G-C párů bazí jsou podobné a zaujímají stejný prostor mezi oběma polydeoxyribonukleotidovými řetězci helixu DNA.

Sekundární struktura DNA - Watson-Crickův model

DNA je dlouhý polymer složený z podjednotek známých jako nukleotidy. Každý nukleotid se skládá z cukru deoxyribózy, fosfátu a dusíkaté báze. Znalost detailní chemické struktury těchto složek a způsob jejich kombinace hraje významnou roli v modelu DNA vytvořeného Watsonem a Crickem.

DNA řetězec složený z mnoha nukleotidů má polaritu - směr. Fosfodiesterové vazby vždy tvoří kovalentní spojení mezi 3´ uhlíkem jednoho nukleosidu a 5´ uhlíkem následujícího nukleosidu. Souhlasná orientace nukleotidů dává řetězci obecný směr, tak že dva konce jednoho řetězce jsou chemicky rozdílné.

Na 5´konci má cukr terminálního nukleotidu volný 5´ uhlík (ve smyslu, že není vázán na jiný nukleotid). V závislosti na tom, jak je DNA syntetizována, 5´uhlík nukleotidu na 5´konci může nést buď hydroxylovou, nebo fosfátovou skupinu. Na 3´konci řetězce je 3´uhlík posledního nukleotidu volný. Po celém řetězci je polarita 5´-3´ zachovávána od nukleotidu k nukleotidu. Tato konvence se nazývá směr 5´-3´, který jde ve směru zleva doprava.

Směrová sekvence bazí může nést informaci

Informace může být zakódována pouze v sekvenci symbolů, jejichž pořadí se liší podle zprávy, která má být zapsána. Bez sekvenční variability není potenciál pro zapsání informace. Protože hlavní kostra DNA je dvojice cukr-fosfát je chemicky identická pro každý nukleotid v řetězci DNA, rozdílnost může přinést pouze variabilita dusíkaté báze. Jestliže DNA nese genetickou informaci, tato informace musí být zapsána ve variabilitě sekvenci A, G, T a C bazí. Různá kombinace čtyř bazí v dlouhé sekvenci nukleotidů může kódovat informaci pro tvorbu organizmu.

Závěr:

1. difrakce DNA X paprsky naznačila helikální strukturu DNA,
2. nukleotidy jsou základní stavební kameny DNA,
3. dvojitý helix obsahuje dva antiparalelní řetězce, které se spojují na základě komplementarity bazí,
4. dvojitý helix může tvořit alternativní formy,
5. DNA struktura je základem genetické funkce.