Как выглядит днк: Как выглядит ДНК — Naked Science

«Мы разгадали тайну жизни!» Как была открыта двойная спираль ДНК

Джеймс Уотсон

© J. Conrad Williams, Jr./Newsday RM via Getty Images

25 апреля 1953 года в журнале Nature вышли три статьи про структуру молекулы ДНК. ТАСС — о драматической истории великого открытия

К 1950-м годам ученые не сомневались, что черты живых организмов в основном предопределены до рождения и передаются по наследству. У ребенка есть глаза, потому что глаза были у его родителей, не случаен и цвет глаз, как и склонность к близорукости. Чего исследователи не могли понять, так это где хранится вся эта информация. Долгое время считалось, что носитель — белки с их сложной структурой, которые обеспечивают все многообразие жизни. Но к середине 1940-х главной подозреваемой стала ДНК, огромная — у человека ее длина составляет порядка двух метров — молекула, обнаруженная почти во всех типах клеток.

ДНК была открыта еще в 1869 году швейцарцем Иоганном Фридрихом Мишером, но тот не придал находке большого значения: его интересовало строение белых кровяных телец.  

Кто разгадает первым

Обнаружить ДНК — дело нехитрое, и сделать это может любой человек, ученым быть не обязательно. Нужно аккуратно поскрести зубочисткой по внутренней стороне щеки, прополоскать рот водой или физраствором, чтобы смыть клетки эпителия, и сплюнуть в пробирку. Сверху нужно добавить немного мыльного раствора, а потом спирта. Вскоре в пробирке проступят белые нити — это и есть молекулы ДНК, вытекшие из клеток с растворенными оболочками.

Продолжение

Когда в октябре 1951 года Уотсон начал работать с Фрэнсисом Криком в одном кабинете в Кембриджском университете, о ДНК было известно, что она состоит из четырех повторяющихся кирпичиков-оснований с сахаром и остатком фосфорной кислоты, причем аденина в ней столько же, сколько тимина, а гуанина — как цитозина. Но каким образом связаны эти составляющие, ученые понятия не имели.

Только предполагалось, что ДНК напоминала спираль, точнее, винт, но двойной ли, тройной или какой-нибудь другой, как в нем располагались основания, как эта структура могла хранить и воспроизводить наследственную информацию, если вообще могла, — все это оставалось загадкой. Познакомившись, Уотсон и Крик быстро поняли, что хотят вместе ее разгадать.

Кроме Уотсона и Крика структуру ДНК пытались выяснить еще две группы ученых. В Лондоне Морис Уилкинс и Розалинд Франклин, постоянно ругаясь, всматривались в рентгеновские снимки кристаллизованных молекул, а в Калифорнийском технологическом институте над загадкой жизни бился знаменитый химик Лайнус Полинг, который до этого первым определил строение компонентов белков.

На эту тему

За исследования химических связей в 1954 году ему присудят Нобелевскую премию. На его фоне Крик и Уотсон выглядели случайными прохожими: первый был по образованию физиком и только за четыре года до того переключился на биологию, а второму исполнилось всего 23 года. Правда, к тому времени у Уотсона уже была докторская степень.

Первая модель ДНК, разработанная Уотсоном и Криком, состояла из трех цепочек с фосфатными остовами в середине. Когда модель показали Франклин, та подняла коллег на смех: она была уверена, что остатки фосфорной кислоты должны располагаться с внешней стороны молекулы, а не в центре. Начальник Уотсона и Крика — Лоуренс Брэгг — так разозлился из-за этой неудачи, что запретил им дальше заниматься ДНК.

Еще не все пропало

Однако спустя год Брэгг поменял свое решение. В его лаборатории работал сын Лайнуса Полинга, который рассказал, что отец создал свою модель ДНК. В Брэгге взыграло самолюбие.

Они с Полингом были крупнейшими в мире специалистами в своей области, но американец первым определил строение и больших неорганических молекул, и белковой альфа-спирали. Брэгг был — и остается до сих пор — самым молодым лауреатом Нобелевской премии по физике, которую ему и его отцу вручили еще в 1915 году. Но с конца 1920-х он вечно оставался позади Полинга.

Через месяц в Кембридже раздобыли еще не опубликованную статью Полинга с описанием модели. Ко всеобщему удивлению, ДНК в ней представала тройной спиралью с фосфатными остовами в центре, как за год до того предлагали Крик и Уотсон. В автобиографии Уотсон вспоминал: «Пока Френсис поражался новаторскому подходу Полинга к химии, я начал дышать спокойнее. К этому моменту я знал, что мы все еще в игре».

Описание

Морис Уилкинс

© AP Photo/Anthony Camerano

По рассказам Уотсона, он приезжал в Лондон, чтобы обсудить статью Полинга с Франклин, но та не разделила его энтузиазм и сказала, что молекула ДНК не может быть спиральной. Возможно, Уотсон приврал: в лабораторном журнале Франклин сохранились более ранние записи о том, что одна из двух форм ДНК может представлять собой именно спираль. Со слов Уотсона, этот случай стал последней каплей для работавшего с Франклин Мориса Уилкинса. Ее упрямство так надоело, что он в сердцах достал из ящика рентгеновский снимок ДНК и показал его Уотсону. У того отпала челюсть.

Квадратная пластинка размером всего несколько сантиметров вошла в историю как «Фотография 51». Чтобы сделать этот кадр, Франклин положила вытянутый в нить и кристаллизованный образец человеческой ДНК в специальную камеру, где рентгеновские лучи больше 60 часов отскакивали от него на пленку, формируя изображение — полосатый крест. Для Уотсона этот крест стал очевидным доказательством того, что ДНК состоит из двух закрученных цепочек. Франклин же этого не разглядела. 

Красота — в простоте

Теперь ученые были уверены в спиралевидной форме молекулы. Но им еще нужно было объяснить, как в ДНК связаны кирпичики-основания с двух разных цепочек, — черные пятна на «Фотографии 51». Для этого Уотсон по-разному переставлял структурные формулы этих кирпичиков, но результата не было. А потом американский химик Джерри Донохью показал ему свежую статью, где были описаны немного другие формулы кирпичиков ДНК.

Несколько дней Уотсон и Крик обдумывали новую модель, а 21 февраля 1953-го Уотсон догадался, что аденин из одной цепочки соединяется только с тимином из другой, а цитозин — с гуанином. В таком случае молекула ДНК напоминает равномерно закрученную лестницу с краями из сахара, остатка фосфорной кислоты и с параллельными ступенями одинаковой длины. Эти сочетания объяснили, почему в любой молекуле ДНК содержится одинаковое количество аденина с тимином и цитозина с гуанином. Наконец, если у каждого кирпичика есть только одна пара, то молекула может разделиться пополам и образовать две копии с той же генетической информацией. Ученых поразило, каким простым и красивым оказалось объяснение.

«Мы разгадали тайну жизни!», — ставшую знаменитой фразу Фрэнсис Крик произнес в своем любимом баре в Кембридже, где они с Уотсоном праздновали открытие. Впрочем, до всеобщего признания было еще далеко. 

Новая загадка жизни

Первым делом выкладки показали Уилкинсу и Франклин. Те два дня сопоставляли их с рентгеновскими снимками и не нашли противоречий. В марте черновик статьи с описанием модели послали Полингу. Он похвалил коллег, но не понял, почему они отбросили гипотезу о тройной спирали. Для Полинга все встало на свои места, только когда он приехал в Кембридж и увидел фотографии Франклин.

Описание

Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс

© AP Photo

В апреле статья Крика и Уотсона вышла в Nature вместе с текстами Уилкинса и Франклин. В 1962 году Уотсону, Крику и Уилкинсу присудили Нобелевскую премию. Франклин умерла в 1958 году и осталась без награды. В последующие десятилетия другие ученые создали трехмерные компьютерные модели, расшифровали ДНК человека и других видов, а в последние годы научились редактировать записанные в ДНК гены. Возникла новая загадка — что станет с жизнью, если теперь ее программирует человек.

Марат Кузаев

Спираль ДНК

25 апреля — Международный день ДНК. Он был учреждён
после того, как в 1953 году в журнале Nature ученые Джеймс Уотсон
и Фрэнсис Крик совместно с Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин
впервые опубликовали результаты исследования структуры молекулы
ДНК. 

Надежным хранителем нашей генетической информации является ДНК.
Открытие спирали стало революцией в мировой науке. После этого
удалось раскрыть код наследственности, идентифицировать
генетический риск, начать формирование запрограммированных
свойств организма и создавать технологии генной инженерии. Но что
это за разноцветная спираль? И из чего состоят закрученные
цепочки? 

Что такое ДНК?

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик

Источник фото: https://www.thetimes.co.uk/article/being-objectionable-is-in-his-dna-james-watson-derides-former-colleagues-szhlbtctl

Аббревиатура ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая
кислота, которая несет в себе генетический код всего живого. Она
находится в клеточном ядре. Ядро же – это маленькая органелла,
окруженная специальной мембраной, в которой надежно хранится
генетический материал – ДНК.

ДНК представляет собой длинную молекулу, похожую на переплетение
нескольких разноцветных нитей. Ее структурные элементы –
нуклеотиды. Всего их существует 4 вида: аденин (А), тимин (Т),
гуанин (Г) и цитозин (Ц). Нуклеотиды соединяются в цепочку ДНК
в определенной последовательности: ГГААТЦТААГ.… Впервые
ее расшифровали Джеймс Уотсон и Френсис Крик.

Источник:

clip_image013.gif

Разноцветные нити

Каждая молекула ДНК есть переплетения двух цепочек нуклеотидов,
закрученных 
вокруг друг друга в виде спирали. 

Как же эти цепочки держатся и закручиваются в
спираль? 

Такой феномен происходит из-за комплементарности.

Когда друг напротив друга в двух цепочках могут находиться
только определенные нуклеотиды (комплементарные): напротив
аденина — тимин, а напротив гуанина — цитозин. Следовательно,
гуанин комплементарен с цитозином, а аденин – с тимином.

Вот так выглядят
пары:            

Г — Ц
Т — А
Т — А
Ц — Г

Нуклеотидные цепочки ДНК закручиваются вокруг друг друга не
просто так. Количество нуклеотидов огромно, поэтому для их
размещения нужно много места. По этой причине они закручиваются в
виде спиралей, в каждой из них которых по две нити. Такое явление
называется спирализацией, благодаря которой цепочки ДНК
укорачиваются в 5-6 раз. 

Не все молекулы ДНК организм активно использует, а иногда не
использует и вовсе. И тогда такие молекулы ДНК, помимо
спирализации, «упаковываются» еще компактнее
–  они укорачиваются в 25-30 раз. 

Раскодирование

Молекула ДНК – это закодированная матрица, для разгадки которой
нужно постараться. Чтобы прочесть информацию с нее, такие данные
сперва попадают на специальный переносчик – РНК (химически
рибонуклеиновая кислота). Она отличается от ДНК своей
«сверхспособностью» проходить через мембрану ядра в клетку, в то
время как ДНК «умеет» находиться только в ядре. Закодированная
информация используется в самой клетке. 

Нити ДНК, благодаря которым можно «считать» информацию, начинают
раскручиваться, а потом параллельно создается комплементарная
цепочка РНК. Копия РНК проходит через клетку, а потом попадает в
цитоплазму. Там она подобно матрице способна встраиваться в
специальные ферментные системы (рибосомы), которые могут
синтезировать последовательность аминокислот белка. 

На основе триплетного кода рибосома определяет, какую именно
аминокислоту надо присоединить к растущей белковой цепи. За
кодировку каждой аминокислоты отвечает определенный
триплет. 

Все происходит так: рибосома «считывает» триплет, а потом
определяет, какую аминокислоту надо присоединить следующей
по мере считывания информации в РНК. 

В конечном итоге цепочка аминокислот оказывается сформированной.
Она обретает пространственную форму, чтобы затем стать белком,
который выполняет ферментные, строительные, гормональные и другие
функции. Белок важен для любого живого организма. Он, будучи
продуктом гена, определяет свойства, качества и внешние
проявления генов.

Фото на странице: YANDEX.BY/COLLECTIONS,
https://www.pnp.ru/social/zachem-dnk-svoy-prazdnik.html

Фото на странице:
cont. ws, https://cont.ws/@ALTAIRHANTENGR/1052089/full

Как на самом деле выглядит ДНК

29 ноября 2012 г.

Ученые разработали новый метод визуализации строительных блоков жизни. Он включает в себя электронный микроскоп и ложе из гвоздей.

Просто для ясности, на самом деле это не похоже на это. (Shutterstock/John Schwegel)

ДНК, как нас учат с самого начала, красочна. Строительный блок жизни — это не просто крутящийся вихрь, его пурины и пиримидины аккуратно соединены и помечены; это также взрыв первичных красных и синих, зеленых и желтых, А и G, С и Т, соединенных вместе, чтобы создать вид измененной, искривленной радуги.

Конечно, эта визуализация требует художественной лицензии. Уотсон и Крик определили структуру ДНК [pdf, но это очень круто] на основе комбинации сложных догадок и, что особенно важно, рентгеновской кристаллографии, и это остается работоспособным и мощным методом визуализации нитей ДНК. Но кристаллография создает свой собственный вид визуализации: это технология, мощность изображения которой зависит от дифрагированного света. Когда мы смотрим на ставшие культовыми изображения двойной спирали, нечеткий X внутри нечеткого O, мы видим не столько саму ДНК, сколько рентгеновские лучи, отклоняющиеся от ее атомов.

Что делает изображение ниже удивительным. Хотя она значительно менее красочна, чем ДНК из учебника, и чуть менее аккуратна, чем изображения двойной спирали, полученные с помощью рентгеновской кристаллографии, в некотором смысле она гораздо более реалистична. Это не рендеринг; это прямое изображение ДНК, полученное с помощью электронного микроскопа. Да. ДА.

Компьютерные визуализации и реальные изображения молекулы ДНК, видимые через электронный микроскоп (Энцо ди Фабрицио через New Scientist )

На изображении показана одна нить двухцепочечной ДНК, подвешенная на ложе из наноскопических кремниевых столбиков. Он был создан Энцо ди Фабрицио и командой из итальянского Университета Генуи, которые разработали новую технику («экспериментальный прорыв», как они это называют) для этой цели. Команда, как сообщает New Scientist , нашла способ вытащить нити ДНК из разбавленного раствора, по сути, обезвоживая их. Они разработали образец чрезвычайно водоотталкивающих кремниевых наностолбиков — столбов, которые заставят влагу быстро испаряться и оставят нити ДНК. А затем в основании их «наностолба» команда просверлила крошечные (очень, очень крошечные) отверстия. И через эти отверстия они пропускали пучки электронов, что позволяло им получать изображения нити ДНК с относительно высоким разрешением.

А вот еще более крупный план самой нити, пары ее оснований нечетко видны при увеличении.

Команда только что опубликовала подробности этого метода визуализации в журнале Nanoletters . И новая система представляет собой значительный шаг вперед для нанобиологии и всех связанных с ней областей, предоставляя ученым новый способ понимания ДНК. Особенно, когда дело доходит до его структуры — того, что находится за пределами двойной спирали. «Прямая визуализация становится важной, — отмечается в документе, — когда требуются знания на уровне нескольких/одной молекулы и когда дифракция не позволяет получить структурную и функциональную информацию». Этот метод, как отмечает New Scientist, поможет исследователям более точно понять, как белки, РНК и другие биомолекулы взаимодействуют с ДНК.

Что интересно. Но даже для тех из нас, кто не является исследователем, новый подход дает нам совершенно новый способ сделать что-то еще: увидеть, откуда мы пришли.

Что такое ДНК? Резюме, структура и значение

Почему ДНК так важна? Проще говоря, ДНК содержит инструкции, необходимые для жизни.

Код в нашей ДНК дает указания о том, как производить белки, жизненно важные для нашего роста, развития и здоровья в целом.

Продолжайте читать, чтобы узнать больше о структуре ДНК, о том, что она делает и почему она так важна.

ДНК означает дезоксирибонуклеиновую кислоту. Он содержит единицы биологических строительных блоков, называемых нуклеотидами.

ДНК является жизненно важной молекулой не только для человека, но и для большинства других организмов. ДНК содержит наш наследственный материал и наши гены, то, что делает нас уникальными.

Набор нуклеотидов образует молекулу ДНК. Каждый нуклеотид содержит три компонента:

• сахар
• фосфатную группу
• азотистое основание

Сахар в ДНК называется 2-дезоксирибоза. Эти молекулы сахара чередуются с фосфатными группами, составляя «костяк» цепи ДНК.

К каждому сахару в нуклеотиде присоединено азотистое основание. В ДНК есть четыре различных типа азотистых оснований. К ним относятся:

• аденин (A)
• цитозин (C)
• гуанин (G)
• тимин (T)

Две нити ДНК образуют трехмерную структуру, называемую двойной спиралью. На иллюстрации ДНК выглядит как спиральная лестница, в которой пары оснований являются ступенями, а сахаро-фосфатные остовы — ногами.

Кроме того, стоит отметить, что ДНК в ядре эукариотических клеток является линейной, а это означает, что концы каждой нити свободны. В прокариотической клетке ДНК образует кольцевую структуру.

ДНК содержит инструкции, необходимые организму для роста, развития и размножения. Эти инструкции существуют в последовательности пар нуклеотидных оснований.

ДНК помогает вашему телу расти

Ваши клетки считывают этот код по три основания за раз, чтобы генерировать белки, необходимые для роста и выживания. Последовательность ДНК, содержащая информацию для создания белка, называется геном.

Каждая группа из трех оснований соответствует определенным аминокислотам, которые являются строительными блоками белков. Например, пары оснований T-G-G определяют аминокислоту триптофан, а пары оснований G-G-C определяют аминокислоту глицин.

Некоторые комбинации, такие как T-A-A, T-A-G и T-G-A, также указывают на конец последовательности белка. Это говорит клетке не добавлять больше аминокислот к белку.

Белки содержат различные комбинации аминокислот. При соединении в правильном порядке каждый белок имеет уникальную структуру и функцию в вашем теле.

Как перейти от кода ДНК к белку?

Во-первых, две нити ДНК разделились. Затем специальные белки в ядре считывают пары оснований в цепи ДНК, чтобы создать промежуточную молекулу-мессенджер.

В ходе этого процесса создается информационная молекула РНК (мРНК). мРНК представляет собой другой тип нуклеиновой кислоты. Он выходит за пределы ядра, служа сигналом для клеточного механизма, который строит белки.

На втором этапе специализированные компоненты клетки считывают сообщение мРНК по три пары оснований за раз и работают над сборкой белка, аминокислота за аминокислотой. Этот процесс называется переводом.

Полный набор вашей ДНК называется вашим геномом. Он содержит примерно 3 миллиарда оснований, 20 000 генов и 23 пары хромосом.

Вы унаследовали половину ДНК от отца и половину от матери. Эта ДНК исходит из спермы и яйцеклетки соответственно.

Гены составляют очень небольшую часть вашего генома — всего 1 процент. Остальные 99 процентов помогают регулировать такие вещи, как когда, как и в каком количестве ваш организм вырабатывает белки.

Ученые все больше и больше узнают об этой «некодирующей» ДНК.

Повреждение ДНК и мутации

Код ДНК подвержен повреждениям. По оценкам, ежедневно в каждой из наших клеток происходят десятки тысяч случаев повреждения ДНК. Повреждение может произойти из-за ошибок в репликации ДНК, свободных радикалов и воздействия УФ-излучения.

В ваших клетках есть специальные белки, которые могут обнаруживать и устранять многие случаи повреждения ДНК. Существует по крайней мере пять основных путей репарации ДНК.

Мутации — это необратимые изменения в последовательности ДНК. Изменения в коде ДНК могут негативно повлиять на то, как организм вырабатывает белки.

Если белок не работает должным образом, могут развиться болезни. Некоторые заболевания, возникающие из-за мутаций в одном гене, включают кистозный фиброз и серповидноклеточную анемию.

Мутации также могут привести к развитию рака. Например, если гены, кодирующие белки, участвующие в клеточном росте, мутируют, клетки могут бесконтрольно расти и делиться. Некоторые мутации, вызывающие рак, передаются по наследству, в то время как другие развиваются под воздействием канцерогенов, таких как ультрафиолетовое излучение, химические вещества или сигаретный дым.

Но не все мутации плохи. Некоторые из них безвредны, а другие способствуют разнообразию нашего вида.

Изменения, происходящие как минимум у 1 процента населения или более, называются полиморфизмами. Примерами некоторых полиморфизмов являются цвет волос и глаз.

ДНК и старение

Невосстановленные повреждения ДНК могут накапливаться с возрастом, способствуя ускорению процесса старения.

Большую роль в повреждении ДНК, связанном со старением, могут играть повреждения, вызванные свободными радикалами. Однако одного этого механизма повреждения может быть недостаточно для объяснения процесса старения. Также могут быть задействованы несколько факторов.

Одна из теорий о том, почему с возрастом накапливаются повреждения ДНК, связана с эволюцией. Считается, что повреждения ДНК восстанавливаются более точно, когда мы находимся в репродуктивном возрасте и у нас есть дети. После того, как мы прошли свой пик репродуктивного возраста, процесс восстановления естественным образом замедляется.

Другая часть ДНК, которая может участвовать в старении, — это теломеры. Теломеры — это участки повторяющихся последовательностей ДНК на концах ваших хромосом. Они помогают защитить ДНК от повреждений, но они также укорачиваются с каждым раундом репликации ДНК.

Исследования связывают укорочение теломер с процессом старения. Некоторые факторы образа жизни, такие как ожирение, воздействие сигаретного дыма и психологический стресс, также могут способствовать укорочению теломер.

ДНК присутствует в наших клетках. Точное расположение его зависит от типа клетки.

Эукариотические клетки

Люди и многие другие организмы имеют эукариотические клетки. Это означает, что их клетки имеют мембраносвязанное ядро ​​и несколько других мембраносвязанных структур, называемых органеллами.

В эукариотической клетке ДНК находится внутри ядра. Небольшое количество ДНК находится также в органеллах, называемых митохондриями, которые являются электростанциями клетки.

Поскольку пространство внутри ядра ограничено, тело конденсирует ДНК в пакеты. Существует несколько различных этапов упаковки. Конечными продуктами являются структуры, которые мы называем хромосомами.

Прокариотические клетки

Такие организмы, как бактерии, являются прокариотическими клетками. Эти клетки не имеют ядра или органелл. В прокариотических клетках ДНК находится в середине клетки, называемой нуклеоидом, плотно свернутой спиралью.

Что происходит, когда ваши клетки делятся?

Клетки вашего тела делятся в ходе нормального процесса роста и развития. Каждая новая клетка должна иметь полную копию ДНК, когда это происходит.

Для этого ваша ДНК должна пройти процесс, называемый репликацией. Когда это происходит, две нити ДНК расходятся. Затем специализированные клеточные белки используют каждую цепь в качестве матрицы для создания новой цепи ДНК.

После репликации образуются две двухцепочечные молекулы ДНК. Один набор войдет в каждую новую ячейку, когда деление будет завершено.