Устаревшие модели структуры ДНК - Obsolete models of DNA structure
Помимо множества проверенных структур ДНК , был предложен ряд предложенных моделей ДНК, которые либо были опровергнуты, либо лишены доказательств.
Некоторые из этих структур были предложены в 1950-х годах до того, как была решена структура двойной спирали , наиболее известный из которых - Линус Полинг. Неспиральные или "бок о бок" модели ДНК были предложены в 1970-х годах для решения проблем, которые в то время казались проблемами топологии кольцевых хромосом ДНК во время репликации (впоследствии решенных путем открытия ферментов, которые изменяют топологию ДНК. ). Они также были отклонены из-за накопления экспериментальных данных рентгеновской кристаллографии , ЯМР раствора и атомно-силовой микроскопии (как одной ДНК, так и связанной с ДНК-связывающими белками ). Хотя существуют локализованные или временные недуплексные спиральные структуры, неспиральные модели в настоящее время не принимаются основным научным сообществом. Наконец, существует устойчивый набор современных маргинальных теорий, предлагающих ряд неподдерживаемых моделей.
До структуры Уотсона – Крика
Двойная спираль ДНК была открыта в 1953 году (с дальнейшими подробностями в 1954 году) на основе рентгеновских дифракционных изображений ДНК, а также химической и биохимической информации о спаривании оснований . До этого рентгеновские данные, собранные в 1950-х годах, указывали, что ДНК образует некую спираль, но еще не было обнаружено, какова точная структура этой спирали. Поэтому было несколько предложенных структур, которые позже были опровергнуты данными, подтверждающими дуплекс ДНК. Самая известная из этих ранних моделей была предложена Линусом Полингом и Роберитом Кори в 1953 году, в которой они предложили тройную спираль с фосфатным остовом внутри и нуклеотидными основаниями, направленными наружу. В целом похожая, но подробная структура была также предложена Брюсом Фрейзером в том же году. Однако вскоре Уотсон и Крик выявили несколько проблем с этими моделями:
- Отрицательно заряженные фосфаты около оси отталкиваются друг от друга, оставляя вопрос о том, как трехцепочечная структура остается вместе.
- В модели тройной спирали (в частности, модели Полинга и Кори) некоторые расстояния Ван-дер-Ваальса кажутся слишком маленькими.
Первоначальная открытая модель двойной спирали, теперь называемая ДНК B-формы, на сегодняшний день является наиболее распространенной конформацией в клетках. Два дополнительных более редкие спиральные конформации , которые также встречаются в природе были идентифицированы в 1970 - х: А-формы ДНК , и Z-формы ДНК .
Предложения по неспиральной конструкции
До открытия топоизомераз
Даже после того, как была решена дуплексная структура ДНК, изначально оставался открытым вопрос, нужны ли дополнительные структуры ДНК для объяснения ее общей топологии. изначально были вопросы о том, как это может повлиять на репликацию ДНК. В 1963 годе радиоавтографы по E.coli , хромосом показали , что это была одна круговой молекула , которая реплицируется на пару вилок репликации , при которой в настоящее время синтезированной как новые нити ДНК. Таким образом, две дочерние хромосомы после репликации будут топологически связаны. Разделение двух связанных цепей дочерней ДНК во время репликации либо требовало, чтобы ДНК имела нулевое спиральное закручивание, либо цепочки были разрезаны, скрещены и воссоединены. Именно эти очевидные противоречия пытались разрешить ранние неспиральные модели, пока открытие топоизомераз в 1970 году не разрешило проблему.
В 1960-х и 1970-х годах были выдвинуты гипотезы о нескольких структурах, которые будут давать нулевой спиральный виток по длине ДНК, либо будучи полностью прямым по всей длине, либо за счет чередования правосторонних и левосторонних спиральных витков. Например, в 1969 г. была выдвинута гипотеза о линейной структуре тетрамера, а в 1976 г. структура с чередующимися секциями правой и левой спирали была независимо предложена двумя разными группами. Первоначально была представлена модель чередующихся скручиваний с изменением спиральности каждые пол-оборота, но позже были предложены длинные участки каждого спирального направления. Однако эти модели страдали от недостатка экспериментальной поддержки. Под действием скручивающего напряжения структура Z-ДНК может формироваться с поворотом, противоположным B-форме ДНК, но это редко встречается в клеточной среде. Открытие топоизомераз и гираз , ферментов, которые могут изменять число связей кольцевых нуклеиновых кислот и, таким образом, «раскручивать» и «перематывать» реплицирующуюся бактериальную хромосому, решило топологические возражения против спиральной структуры ДНК B-формы. Действительно, в отсутствие этих ферментов, изменяющих топологию, небольшие кольцевые вирусные и плазмидные ДНК являются неразделимой поддерживающей структурой, чьи цепи топологически связаны вместе.
Поэтому предложения о неспиральной ДНК выпали из мейнстрима науки.
Подтверждение винтовой структуры
Первоначально возникали вопросы о том, были ли решенные структуры ДНК артефактами используемых методов рентгеновской кристаллографии. Однако структура ДНК была впоследствии подтверждена в растворе с помощью методов гель-электрофоретики, а затем с помощью ЯМР в растворе и АСМ, что указывает на то, что процесс кристаллографии не искажал ее. Структура ДНК в комплексе с нуклеосомами , геликазами и множеством других ДНК-связывающих белков также подтверждает ее биологическую значимость in vivo .