ми соединяются пурины (аденин и гуанин) с пи-римидинами (тимином и цитозином). Водородные связи много слабее ковалентных, соединяющих отдельные атомы каждого нуклеотида, но достаточно сильны для того, чтобы обеспечить специфичность образования пар А—Т и G—С.

н

н | н

Тимин С

Аденин

о

I I

с W

Сахар' ^С^

и м

о I II *с-н

С v /

Сахар

( и с^с^н

Сахар С Н^С

О | и чс-н

Н

N N N

Сахар

свойств, в частности вязкости, переводя ее в «денатурированную» форму, причем ковалентные связи не разрушаются.

Чтобы объяснить эти наблюдения, Уотсон и Крик предположили, что природная (нативная) молекула ДНК представляет собой две полимерные цепи попарно соединенных нуклеотидов, закрученные в форме двойной спирали. Сцепление между цепями обеспечивается особыми водородными связями между аденином и тимином и между гуанином и цитозином (рис. 4.10). Такое попарное сопоставление нуклеотидов, при котором А комплементарен Т, a G комплементарен С, было выведено с помощью построения молекулярных моделей, на которых точно выдерживались все межатомные расстояния. Построение молекулярной модели гипотетической двойной спирали также потребовало антипараллельности нуклеотидных цепочек, как это изображено на рис. 4.11.

Предположенная специфичность водородных связей между аденином и тимином и между гуанином и цитозином объясняет наблюдавшееся Чаргаффом постоянство отношений А/Т и G/C и отражает комплемен-тарность цепей двойной спирали. Более того, для любой последовательности оснований возможна равная ей по длине комплементарная последовательность, составляющая вторую цепь двойной спирали. Конкретная последовательность пар А—Т и G—С может быть видоспецифична и не влияет на структуру молекулы ДНК, образующую двойную спираль. Возможное число различных последовательностей пар оснований в молекуле ДНК практически бесконечно и способно кодировать колоссальное количество информации. Этот факт делает очень привлекательной гипотезу о том, что ДНК может служить веществом наследственноРис. 4.11. Две цепи молекулы ДНК расположены «антипараллель-но», так что 5'-конец одной цепи соединен с З'-концом другой.

5 -конец

Ось спирали

5 конец

сти для всех организмов. Из модели также следует, что физическая структура нативной ДНК может сильно изменяться при нагревании или титровании, не нарушающих ковалентных связей, но разрывающих водородные связи, так что две цепи отделяются друг от друга. Пространственная и молекулярная модель предложенной Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК изображена на рис. 4.12. Обратите внимание на то, что для разделения двух цепей им необходимо расплестись друг относительно друга.

Модель Уотсона-Крика позволяет представить себе, как может удваиваться нативная молекула ДНК, образуя две одинаковые дочерние молекулы. Поскольку две цепи ДНК комплементарны, каждая из них при расплетании двойной спирали может служить матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Последовательность оснований во вновь синтезируемой цепи будет определяться спецификой водородных связей между основаниями цепи-шаблона и вновь образуемой цепи (рис. 4.13). Таким образом, генетическая информация, содержавшаяся в последовательности пар оснований родительской молекулы, будет полностью воспроизведена в двух дочерних молекулах. Более того, если в процессе удвоения ДНК произошла ошибка и какой-то нуклеотид во вновь образуемой цепи выпал или оказался некомплементарным исходному, то это может изменить информационное содержание молекулы, причем можно ожидать, что эта ошибка будет передана дочерним молекулам ДНК в следующих поколениях. Такая замена пары нуклеотидов может обладать свойствами генетических мутаций. Таким образом, модель структуры ДНК Уотсона и Крика объясняет как способность генов к самоудвоению (репликации), так и их информационные свойства.

Проверка модели Уотсона-Крика

Модель двойной спирали ДНК была предложена в 1953 г. и знаменовала рождение новой науки-молекулярной биологии. Однако прошло пять лет, прежде чем были получены первые убедительные экспериментальные подтверждения модели Уотсона - Крика в работах Мэтью Ме-зелсона и Франклина Сталя. В этих экспериментах было показано, что в точном соответствии с предсказаниями модели репликация ДНК происходит полуконсервативно: каждая дочерняя молекула ДНК состоит из одной интактной (консервативной) цепи, полученной от родительской

двойной спирали, и одной вновь синтезированной цепи. С другой стороны, можно представить себе гипотетические механизмы репликации ДНК, которые не предсказываются моделью двойной спирали, а именно: 1) консервативный способ репликации, при котором родительская ДНК полностью сохраняется, а дочерние молекулы ДНК полностью синтезируются заново, и 2) дисперсный способ, при котором обе дочерние молекулы ДНК синтезируются заново, а родительская молекула распадается на нуклеотиды, которые могут входить или не входить в состав дочерних молекул.

Центрифужные пробирки

Бактерии в течение многих поколений выращивают на среде с

Раствор центрифугируют с очень высокой скоростью в течение нескольких дней Nl*"

тяжелой ДНК

Молекулы ДНК останавливаются в тех местах У пробирки,где их плотность равна плотности раствора CsCI

с

Р= 1,80

Г

С

Более высокая концентрация CsCI у дна пробирки — результат осаждения его молекул

Локализацию ДНК в центрифужной пробирке можно определить по поглощению ультра-^ фиолетовых лучей. ДНК поглощает излучение с длиной волны 260 нм

0е

Перед переносом Спустя одно поколение Через два

в среду с 14 N после перекоса поколения после

переноса

Рис. 4.14. Разделение молекул ДНК с различной плотностью посредством центрифугирования в градиенте плотности хлористого цезия. Схематически изображены последовательные этапы эксперимента Мезелсона и Сталя, показавшего полуконсервативный механизм репликации ДНК Е. coli.

Чтобы определить, каким из этих способов реплицируется ДНК. надо уметь отличать дочерние молекулы от родительских. Мезелсон и Сталь выращивали Е. coli на среде, содержащей в качестве источника азота 15N. Тяжелый изотоп азота 15N включался в состав ДНК и служил меткой. Для того чтобы пометить изотопом 15N практически всю бактериальную ДНК, достаточно вести культивирование на такой среде в течение двенадцати поколений. Молекулы, содержащие 15N, можно отличить от молекул, содержащих более легкий, обычный изотоп, по плотности, так как у ДНК с 15N масса одного нуклеотида больше, чем у обычной ДНК. Молекулы ДНК с различной плотностью могут быть разделены центрифугированием в градиенте плотности хлористого цезия (рис. 4.14). В процессе центрифугирования молекулы ДНК собираются в том слое, в котором плотность раствора равна их собственной плотности. ДНК клеток Е. coli, выращенных на среде, содержащей 15N, имеет плотность 1,724 г/см3, тогда как ДНК клеток, выращенных на обычной среде с изотопом 14N, имеет плотность 1,710 г/см3. Смесь этих двух типов ДНК легко разделяется при центрифугировании по плотности (рис. 4.14).

Аналогией, иллюстрирующей принцип центрифугирования в градиенте плотности, может служить погружение подводной лодки. Регулируя количество воды в балластных танках (баках), подводная лодка может зависать на желаемой глубине, плотность воды на которой равна средней плотности подводной лодки. Если набрать в танки больше воды, вытеснив соответствующее количество воздуха, то плотность подводной лодки увеличивается, и она погружается, попадая в слои более холодной воды с большей плотностью. Когда плотность воды оказывается равной плотности подводной лодки, лодка снова зависает на новой глубине.

В эксперименте Мезелсона и Сталя клетки, в течение многих поколений культивируемые на среде с 15N, быстро переносили в среду, содержавшую 14N. Через определенные промежутки времени отбирали пробы растущей культуры и в каждой из них определяли плотность ДНК. Результаты представлены на рис. 4.15. После первого деления на среде с 14N плотность ДНК культуры была промежуточной между [15N] ДНК и [I4N] ДНК. После второго деления на среде с 14N половина клеток имела легкую ДНК, а вторая половина-ту же, что и в предыдущем поколении (промежуточную). После третьего деления на среде с 14N 3/4 ДНК имело плотность, равную плотности [14N] ДНК и 1/4 сохраняла промежуточную плотность. Соотношение между числом генераций и распределением плотности ДНК в точности соответствовало полуконсервативному типу репликации, предсказываемому моделью Уотсона-Крика (рис. 4.15).

Кроме того, модель предсказывала, что ДНК с промежуточной плотностью должна представлять собой гибридную двойную спираль, одна из цепей которой содержит только тяжелый изотоп азота (N15), а другая-только легкий. Мезелсон и Сталь нагревали ДНК промежуточной плотности в течение 30 мин при температуре 100°С, что, как уже было известно, изменяет физические свойства молекулы, не разрывая ковалентных связей, и обнаружили, что она превращается в две равные по объему фракции ДНК с разными плотностями. Плотность одной из фракций, образовавшихся в результате нагревания, совпадала с плотностью тяжелой ДНК, а другой-с плотностью легкой ДНК (рис. 4.15).

Направление осаждения Возрастание плотности

•4N 14N-15N lsN

Исходная культура с15 N

А

Через два поколения на 14 N

Через три поколения на14N

п п 1 1 1 1 п п 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1

L и 1гЧ

СП

о

ЕЬ

rrzi

41

LTTJ LTTJ

ее

ft

н К

э

Ж

а

Денатурация нагреванием приводит к расщеплению двухцепочечной ДНК на отдельные цепи

изображены разным цветом. В. Нагревание ДНК промежуточной плотности превращает ее в одноцепочечную ДНК, содержащую две фракции, плотность одной из которых совпадает с плотностью нагретой ДНК, меченной 15N, а другой-меченной 14N.

Из этого было сделано заключение, что ДНК промежуточной плотности, образующаяся после первого деления в легкой среде, представляет собой гибридную молекулу, состоящую из одной родительской цепи, содержащей только тяжелый изотоп азота, и другой, вновь синтези