Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Двойная спираль

« Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы » была первой опубликованной статьей, описывающей открытие двойной спиральной структуры ДНК с использованием дифракции рентгеновских лучей и математики спирального преобразования. Он был опубликован Фрэнсисом Криком и Джеймсом Д. Уотсоном в научном журнале Nature на страницах 737–738 его 171-го тома (датированного 25 апреля 1953 года). [1] [2]

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

Эту статью часто называют «жемчужиной» науки, потому что она краткая и содержит ответ на фундаментальную загадку живых организмов . Эта загадка заключалась в том, как возможно, что генетические инструкции хранятся внутри организмов и как они передаются из поколения в поколение. В статье представлено простое и элегантное решение, которое удивило многих биологов того времени, которые считали, что передачу ДНК будет труднее вывести и понять. Открытие оказало большое влияние на биологию , особенно в области генетики , позволив более поздним исследователям понять генетический код .

Эволюция молекулярной биологии [ править ]

Применение физики и химии к биологическим проблемам привело к развитию молекулярной биологии, которая особенно озабочена потоком и последствиями передачи биологической информации от ДНК к белкам . Открытие двойной спирали ДНК ясно показало, что гены являются функционально определенными частями молекул ДНК, и что у клеток должен быть способ транслировать информацию в ДНК в определенные аминокислоты, которые используются для создания белков.

Линус Полинг был химиком, который оказал большое влияние на понимание структуры биологических молекул. В 1951 году Полинг опубликовал структуру альфа-спирали , фундаментально важного структурного компонента белков. В начале 1953 года Полинг опубликовал модель тройной спирали ДНК, которая впоследствии оказалась неверной. [3] И Крик, и особенно Уотсон, думали, что они соревнуются с Полингом, чтобы открыть структуру ДНК.

Макс Дельбрюк был физиком, осознавшим некоторые биологические последствия квантовой физики . Размышления Дельбрука о физических основах жизни побудили Эрвина Шредингера написать книгу « Что такое жизнь?» Книга Шредингера оказала большое влияние на Крика и Ватсона. Усилия Дельбрука по продвижению « группы фагов » (изучение генетики с помощью вирусов, заражающих бактерии) сыграли важную роль в раннем развитии молекулярной биологии в целом и в развитии научных интересов Уотсона в частности. [4]

Крик, Уотсон и Морис Уилкинс , получившие Нобелевскую премию по медицине за открытие двойной спирали ДНК.

Структура и функции ДНК [ править ]

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

Репликация ДНК . Две комплементарные цепи пары оснований молекулы ДНК позволяют репликацию генетических инструкций.

«Специфическое спаривание» - ключевая особенность модели ДНК Уотсона и Крика, спаривание нуклеотидных субъединиц. [5] В ДНК количество гуанина равно цитозину, а количество аденина равно тимину . Пары A: T и C: G структурно похожи. В частности, длина каждой пары оснований одинакова, и они одинаково подходят для двух сахарно-фосфатных скелетов. Эти пары оснований удерживаются вместе водородными связями , типа химического притяжения , который легко сломать и легко реформировать. Осознав структурное сходство пар A: T и C: G, Уотсон и Крик вскоре создали свою двойную спираль.модель ДНК с водородными связями в ядре спирали, обеспечивающая способ расстегнуть две дополнительные цепи для облегчения репликации : последнее ключевое требование для вероятной модели генетической молекулы.

Действительно, спаривание оснований действительно предлагало способ копирования молекулы ДНК. Просто разделите две сахарно-фосфатные цепи, каждая из которых имеет водородные связи A, T, G и C-компоненты. Затем каждую нить можно использовать в качестве шаблона для сборки новой комплементарной нити пары оснований.

Будущие соображения [ править ]

Уотсон и Крик использовали множество алюминиевых шаблонов, подобных этому, который представляет собой одноосновное аденин (A), чтобы построить физическую модель ДНК в 1953 году.

Когда Уотсон и Крик создали свою модель двойной спирали ДНК, было известно, что большинство специализированных свойств многих различных форм жизни на Земле стало возможным благодаря белкам . Структурно белки представляют собой длинные цепочки аминокислот.субъединицы. В каком-то смысле генетическая молекула ДНК должна была содержать инструкции о том, как производить тысячи белков, обнаруженных в клетках. Из модели двойной спирали ДНК стало ясно, что должно быть некоторое соответствие между линейными последовательностями нуклеотидов в молекулах ДНК и линейными последовательностями аминокислот в белках. Детали того, как последовательности ДНК инструктируют клетки производить определенные белки, были разработаны 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 принципов генетический код . [6]

Последствия [ править ]

Другие достижения в молекулярной биологии, связанные с открытием двойной спирали ДНК, в конечном итоге привели к способам секвенирования генов. Джеймс Уотсон руководил проектом «Геном человека» в Национальных институтах здравоохранения . [7] Возможность секвенировать ДНК и манипулировать ею сейчас занимает центральное место в биотехнологической индустрии и современной медицине . Строгая красота структуры и практическое значение двойной спирали ДНК объединены в молекулярную структуру нуклеиновых кислот; Структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы - одна из самых известных статей по биологии двадцатого века.


Соавторы и разногласия [ править ]

Основная статья: Полемика 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 Гулландом , Денисом Джорданом и их коллегами из Университетского колледжа Ноттингема в 1947 году. [8] [9] [10] Однако открытие двойной спирали ДНК. также использовали значительный объем материала из неопубликованных работ Розалинды Франклин , А.Р. Стокса , Мориса Уилкинса иHR Wilson в Королевском колледже Лондона . Ключевые данные Уилкинса, Стокса и Уилсона и, отдельно, Франклина и Гослинга , были опубликованы в двух отдельных дополнительных статьях в том же номере журнала Nature, что и статья Уотсона и Крика. [11] [12] В статье Уотсона и Крика признается, что они были «стимулированы» экспериментальными результатами исследователей Королевского колледжа, и аналогичное признание было опубликовано Уилкинсом, Стоуксом и Уилсоном в следующей трехстраничной статье.

В 1968 году Уотсон опубликовал весьма противоречивый автобиографический отчет об открытии двойной спиральной молекулярной структуры ДНК под названием «Двойная спираль» , который не был публично принят ни Криком, ни Уилкинсом. [13] Кроме того, Эрвин Чаргафф также напечатал довольно «несимпатичную рецензию» на книгу Уотсона в выпуске 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 - картину дифракции рентгеновских лучей B-ДНК. получен Франклином и Гослингом в мае 1952 года в магазине King's в Лондоне. В частности, в конце 1952 года Франклин представил доклад о ходе работы Совета по медицинским исследованиям , который был рассмотрен Максом Перуцем , а затем в Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете. Уотсон и Крик также работали в поддерживаемой MRC Кавендишской лаборатории в Кембридже, тогда как Уилкинс и Франклин работали в поддерживаемой MRC лаборатории в King's в Лондоне. Такие отчеты MRC обычно не получали широкого распространения, но Крик прочитал копию исследования Франклина в начале 1953 г. [13] [14]

Перуц оправдывал передачу отчета Франклина о кристаллографической единице структур B-ДНК и A-ДНК Крику и Ватсону тем, что отчет содержал информацию, которую Уотсон слышал раньше, в ноябре 1951 года, когда Франклин говорила о своих неопубликованных результатах с Раймондом. Гослинг во время встречи, организованной MHF Wilkins в Королевском колледже по просьбе Крика и Ватсона; [15] Перуц сказал, что он не действовал неэтично, потому что отчет был частью усилий по продвижению более широких контактов между различными исследовательскими группами MRC и не был конфиденциальным. [16]Это оправдание исключило бы Крика, который не присутствовал на встрече в ноябре 1951 года, но Перуц также предоставил ему доступ к данным отчета Франклина MRC. Затем Крик и Ватсон попросили разрешения у главы Кавендишской лаборатории Уильяма Лоуренса Брэгга опубликовать их молекулярную модель двойной спирали ДНК, основанную на данных Франклина и Уилкинса.

К ноябрю 1951 года Уотсон, по его собственному признанию, практически не изучал рентгеновскую кристаллографию и, таким образом, не до конца понимал, что Франклин говорил о структурной симметрии молекулы ДНК. [14]Крик, однако, зная преобразования Фурье функций Бесселя, которые представляют рентгеновские дифракционные картины спиральных структур атомов, правильно интерпретировал далее одно из экспериментальных результатов Франклина как указание на то, что ДНК, скорее всего, была двойной спиралью с двумя полинуклеотидными цепями. бегут в противоположных направлениях. Таким образом, Крик оказался в уникальном положении, чтобы сделать эту интерпретацию, потому что ранее он работал над данными дифракции рентгеновских лучей для других больших молекул, которые имели спиральную симметрию, аналогичную симметрии ДНК. Франклин, с другой стороны, отверг первый подход к построению молекулярной модели, предложенный Криком и Ватсоном: первая модель ДНК, которую Ватсон представил ей и Уилкинсу в 1952 году в Лондоне, имела явно неправильную структуру с гидратированными заряженными группами внутри. модели,а не снаружи. Уотсон прямо признал это в своей книге.Двойная спираль . [14]

См. Также [ править ]

  • Сравнение программного обеспечения для моделирования нуклеиновых кислот: моделирование нуклеиновых кислот
  • Кристаллография
  • ДНК
  • Майлз из Tomorrowland , сериал с двумя адмиралами по имени Уотсон и Крик
  • Паракристаллическая модель и теория
  • Рассеяние рентгеновских лучей
  • Keto-enol_tautomerism # ДНК - заключительное ключевое открытие, сделанное соавтором 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.
  • Правило Чарграффа, которое показало, что A: T и G: C встречаются в равных количествах

Ссылки [ править ]

  1. ^ Ватсон JD Крик FH (апрель 1953). «Молекулярная структура нуклеиновых кислот; структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы» (PDF) . Природа . 171 (4356): 737–738. Bibcode : 1953Natur.171..737W . DOI : 10.1038 / 171737a0 . PMID  13054692 .
  2. ^ Cochran W, Crick FHC и Vand V. (1952) "Структура синтетических полипептидов. I. Преобразование атомов на спирали", Acta Crystallogr., 5, 581–586.
  3. Перейти ↑ Pauling L, Corey RB (1953). «Предлагаемая структура нуклеиновых кислот» . PNAS . 39 (2): 84–97. Полномочный код : 1953PNAS ... 39 ... 84P . DOI : 10.1073 / pnas.39.2.84 . PMC 1063734 . PMID 16578429 .  
  4. ^ Джадсон, Гораций Фриланд (1979). Восьмой день творения: создатели революции в биологии . Нью-Йорк: Саймон и Шустер. ISBN 9780671254100.
  5. ^ Откройте для себя правила спаривания оснований ДНК с помощью онлайн-симулятора .
  6. Перейти ↑ Perutz MF, Randall JT, Thomson L, Wilkins MH, Watson JD (июнь 1969). «Спираль ДНК» . Наука . 164 (3887): 1537–9. Bibcode : 1969Sci ... 164.1537W . DOI : 10.1126 / science.164.3887.1537 . PMID 5796048 . 
  7. ^ «История - Исторические фигуры: Уотсон и Крик (1928-)» . BBC . Проверено 15 июня 2014 года .
  8. ^ JM Gulland; Д.О. Иордания; HF Тейлор; (1947) Дезоксипентозные нуклеиновые кислоты; Часть II. Электрометрическое титрование кислотной и основной групп дезоксипентозной нуклеиновой кислоты тимуса теленка. J Chem Soc. 1947; 25: 1131-41.
  9. ^ Крит, Дж. М., Гулланд, Дж. М. и Джордан, Д. О. (1947) Дезоксипентозные нуклеиновые кислоты. Часть III. Вязкость и струящееся двулучепреломление растворов натриевой соли дезоксипентозной нуклеиновой кислоты тимуса теленка. J. Chem. Soc. 1947,25 1141–1145
  10. Перейти ↑ Watson, James D., 2012 The Annotated and Illustrated Double Helix, Ed. Ганн и Витковски, Саймон и Шустер, Нью-Йорк (стр196-7)
  11. Перейти ↑ Franklin R, Gosling RG (25 апреля 1953 г.). «Молекулярная конфигурация в тимонуклеате натрия» (PDF) . Природа . 171 (4356): 740–741. Bibcode : 1953Natur.171..740F . DOI : 10.1038 / 171740a0 . PMID 13054694 .  
  12. ^ Wilkins MH, Стокс AR, Wilson HR (25 апреля 1953). «Молекулярная структура дезоксипентозных нуклеиновых кислот» (PDF) . Природа . 171 (4356): 738–740. Bibcode : 1953Natur.171..738W . DOI : 10.1038 / 171738a0 . PMID 13054693 .  
  13. ^ a b Беквит, Джон (2003). «Двойной взгляд на двойную спираль» . В Викторе К. Макэлхени (ред.). Ватсон и ДНК: делая научную революцию . Кембридж, Массачусетс: издательство Perseus Publishing. п. 363 . ISBN 978-0-738-20341-6. OCLC  51440191 .
  14. ^ a b c Уотсон, Джеймс Д. (1980). Двойная спираль: личный отчет об открытии структуры ДНК . Атенеум. ISBN 978-0-689-70602-8. (впервые опубликовано в 1968 г.)
  15. ^ Сейр, Энн (1975). Розалинда Франклин и ДНК . Нью-Йорк: Нортон.
  16. Перейти ↑ Perutz MF, Randall JT, Thomson L, Wilkins MH, Watson JD (27 июня 1969). «Спираль ДНК» . Наука . 164 (3887): 1537–1539. Bibcode : 1969Sci ... 164.1537W . DOI : 10.1126 / science.164.3887.1537 . PMID 5796048 . 

Библиография [ править ]

  • 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 . 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; отредактировано в 1994 г., с припиской на 9 страницах.)
  • Уотсон, Джеймс Д. (1980). Двойная спираль: личный отчет 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 . ISBN 978-0-198-60665-9.
  • Life Story (телефильм) - инсценировка BBC о научной гонке за открытие двойной спирали ДНК.

Внешние ссылки [ править ]

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

Онлайн-версии [ править ]

  • Онлайн-версия (исходный текст) на сайте nature.com
  • Национальная библиотека Медицины PDF копии в Фрэнсисом Криком Документы Коллекция .
  • Памятная HTML-версия Am J Psychiatry 160: 623-624, апрель 2003 г.