If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

თუ ვებფილტრს იყენებთ, დარწმუნდით, რომ *.kastatic.org და *.kasandbox.org დომენები არ არის დაბლოკილი.

ძირითადი მასალა

დნმ-ს სტრუქტურის აღმოჩენა

დნმ-ის ორმაგი სპირალის სტრუქტურა და როგორ აღმოაჩინეს იგი. ჩარგაფი, უოტსონი და კრიკი, უილკინსი და ფრანკლინი.

შესავალი

დღესდღეობით, დნმ-ის ორმაგი სპირალი, ალბათ, ბიოლოგიურ მოლეკულებს შორის ყველაზე საკულტოა. მისი შთაგონებით შეიქმნა კიბეები, დეკორაციები, ქვეითთა ხიდები (მაგალითად, სინგაპურის ერთ-ერთი ხიდი, რომელიც ქვემოთაა ნაჩვენები) და სხვა.
არქიტექტორებსა და დიზაინერებს უნდა დავეთანხმო: ორმაგი სპირალი უმშვენიერესი სტრუქტურაა, ისეთი, რომლის ფორმაც მის ფუნქციას ბრწყინვალედ ესადაგება, თუმცა ორმაგი სპირალი ყოველთვის არ ყოფილა ჩვენი კულტურული ლექსიკონის ნაწილი. მეტიც, 1950-იან წლებამდე დნმ-ის სტრუქტურა ჯერ კიდევ უცნობი იყო.
სურათის წყარო: „ორმაგი სპირალის ხიდი", უილიამ ჩოუ, CC BY-SA 2,0
ამ სტატიაში ჩვენ გავეცნობით ჯეიმზ უოტსონის, ფრენსის კრიკის, როზალინდ ფრანკლინისა და სხვა მკვლევრების ნაშრომებს და გავიგებთ, თუ როგორ აღმოაჩინეს დნმ-ის ორმაგი სპირალის სტრუქტურა. შემდეგ განვიხილავთ უშუალოდ ორმაგი სპირალის თავისებურებებს.

დნმ-ის კომპონენტები

ბიოქიმიკოს ფიბუს ლევინისა და სხვათა ნაშრომებიდან უოტსონისა და კრიკის დროს მეცნიერებმა იცოდნენ, რომ დნმ შედგებოდა ქვეერთეულებისგან, რომლებსაც ნუკლეოტიდები ეწოდებოდათ1. ნუკლეოტიდი შედგება შაქრისგან, ფოსფატის ჯგუფისა და ოთხი აზოტოვანი ფუძიდან ერთ-ერთისგან. ეს აზოტოვანი ფუძეებია: ადენინი (ა), თიმინი (თ), გუანინი (გ) და ციტოზინი (ც).
ც და თ ფუძეებს, რომლებსაც მხოლოდ ერთი რგოლი აქვთ, ეწოდებათ პირიმიდინები, ხოლო ა და გ ფუძეებს, რომლებსაც ორი რგოლი აქვთ — პურინები.
მარცხენა პანელი: დნმ-ის ნუკლეოტიდის სტრუქტურა. შაქარი დეზოქსირიბოზა მიბმულია ფოსფატის ჯგუფსა და აზოტოვან ფუძეს. ფუძე ოთხი შესაძლო ვარიანტიდან ერთ-ერთია: ციტოზიმი (ც), თიმინი (თ), ადენინი (ა) ან გუანინი (გ). ეს ოთხი ბაზა ერთმანეთისგან სტრუქტურითა და ფუნქციური ჯგუფებით განსხვავდება. ციტოზინი და თიმინი პირიმიდინები არიან და ქიმიურ სტრუქტურაში მხოლოდ ერთი რგოლი აქვთ. ადენინი და გუანინი პურინები არიან და მათი სტრუქტურა ორი რგოლისგან შედგება.
მარჯვენა პანელი: დნმ-ის ნუკლეოტიდების ჯაჭვი. შაქრები ერთმანეთთან ფოსფოდიეთერული ბმებითაა დაკავშირებული. ფოსფოდიეთერული ბმა შედგება ფოსფატის ჯგუფისგან, რომელშიც ნახშირბადის ორი ატომი სხვა ატომებს უკავშირდება — ამ შემთხვევაში, მეზობელი დეზოქსირიბოზების ნახშირბადის ატომებს. დნმ-ის ჯაჭვი მონაცვლეობითი ფოსფატის ჯგუფებისა და დეზოქსირიბოზებისგან (შაქარ-ფოსფატის ჩონჩხი) შედგება, დეზოქსირიბოზადან კი აზოტოვანი ფუძეა გამოჩრილი.
სურათის წყაროები: მარცხენა პანელი, მოდიფიცირებული სურათის წყაროა „ნუკლეინის მჟავები: სურათი 1", ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია (CC BY 3,0). მარჯვენა პანელი, მოდიფიცირებული სურათის წყაროა „დნმ-ის ქიმიური სტრუქტურა", მადელინ პრაის ბოლი (CC0/საჯარო დომენი).
დნმ-ის ნუკლეოტიდები ეწყობა ჯაჭვებად, რომლებიც კოვალენტური ბმებითაა დაკავშირებული. ეს ბმები წარმოიქმნება ერთი ნუკლეოტიდის შაქარსა (დეზოქსირიბოზასა) და მეორის ფოსფატის ჯგუფს შორის. ეს წყობა დნმ-პოლიმერში წარმოქმნის დეზოქსირიბოზასა და ფოსფატის ჯგუფების მონაცვლეობით ჯაჭვს — სტრუქტურას, რომელსაც შაქარ-ფოსფატის ჩონჩხს ვუწოდებთ.

ჩარგაფის კანონები

დნმ-ის სტრუქტურის შესახებ ინფორმაციის კიდევ ერთი საკვანძო ნაწილი შემოგვთავაზა ავსტრიელმა ბიოქიმიკოსმა ერვინ ჩარგაფმა. ჩარგაფმა გამოიკვლია განსხვავებული სახეობების დნმ და განსაზღვრა მათი ა, თ, ც და გ ფუძეების შემადგენლობა. მან რამდენიმე საკვანძო დაკვირვება აწარმოა:
  • ა, თ, ც და გ თანაბარი რაოდენობებით არ გვხვდება (მიუხედავად იმ დროის ზოგიერთი მოდელისა, რომელთა მიხედვითაც სწორედ ასე იყო)
  • ფუძეების რაოდენობა იცვლება სახეობებს შორის, მაგრამ არა - ერთისა და იმავე სახეობის ინდივიდებს შორის.
  • ა-ს (ადენინის) რაოდენობა ყოველთვის თ-ს (თიმინის) რაოდენობის ტოლია, ხოლო ც-ს (ციტოზინის) რაოდენობა ყოველთვის გ-ს (გუანინის) რაოდენობას უტოლდება (ა = თ, გ = ც)
ეს აღმოჩენები, რომლებსაც ჩარგაფის კანონები ეწოდებათ, გადამწყვეტი აღმოჩნდა უოტსონისა და კრიკის დნმ-ის ორმაგი სპირალის მოდელისთვის.

უოტსონი, კრიკი და როზალინდ ფრანკლინი

ადრეულ 1950-იან წლებში ამერიკელმა ბიოლოგმა ჯეიმზ უოტსონმა და ბრიტანელმა ფიზიკოსმა ფრენსის კრიკმა შემოგვთავაზეს თავიანთი ცნობილი მოდელი დნმ-ის ორმაგი სპირალისა. ისინი პირველები იყვნენ, ვინც გადაკვეთეს სამეცნიერო „რბოლის“ ფინიშის ხაზი: სწორი მოდელის პოვნას კიდევ ბევრი მეცნიერი ცდილობდა, მათ შორის ლაინუს პოლინგი (რომელმაც აღმოაჩინა ცილების მეორეული სტრუქტურა).
ლაბორატორიაში ახალი ექსპერიმენტების ჩატარების ნაცვლად უოტსონმა და კრიკმა დიდწილად შეაგროვეს და გააანალიზეს არსებული მონაცემები და ისინი ახალი და ჭკვიანური გზებით დააკავშირეს2. დნმ-ის სტრუქტურის ამოხსნის ერთ-ერთი მთავარი გასაღები აღმოჩნდა როზალინდ ფრანკლინის დაკვირვებები — ქიმიკოსისა, რომელიც ფიზიკოს მორის უილკინსის ლაბორატორიაში მუშაობდა.
ფრანკლინი იყო ექსპერტი მოლეკულების სტრუქტურის განსაზღვრის მძლავრი ტექნიკისა, რომელსაც რენტგენული კრისტალოგრაფია ეწოდება. როდესაც მოლეკულის, მაგალითად, დნმ-ის, კრისტალურ ფორმას რენტგენულ სხივებს მივასხივებთ, ზოგიერთი სხვისი გარდაიტეხება კრისტალში არსებული ატომების მიერ და წარმოიქმნება დიფრაქციული სურათი, რომელიც წარმოდგენას გვიქმნის მოლეკულის სტრუქტურის შესახებ.
დნმ-ის რენტგენული დიფრაქციული სურათი. დიფრაქციულ სურათზე წარმოდგენილია X-ის ფორმის გამოსახულება, რაც დნმ-ის ორჯაჭვიან, სპირალოვან სტრუქტურას ასახავს.
სახეცვლილი სურათის წყაროა „დნმ-ის სტრუქტურა და სეკვენირება: სურათი 2", ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია (CC BY 3,0)
ფრანკლინის კრისტალოგრაფიამ უოტსონსა და კრიკს მნიშვნელოვანი წარმოდგენები შეუქმნა დნმ-ის სტრუქტურის შესახებ. ამ წარმოდგენათაგან ზოგიერთი მოდიოდა ცნობილი „სურათი 52-დან“ — ფრანკლინისა და მისი კურსდამთავრებული სტუდენტის მიერ გაკეთებული დნმ-ის საოცრად სუფთა და შთამბეჭდავი რენტგენული დიფრაქციული სურათიდან (ზემოთ ნაჩვენებია დნმ-ის მიერ წარმოქმნილი თანამედროვე დიფრაქციული სურათი). ფრანკლინის X-ის ფორმის დიფრაქციულ სურათში უოტსონმა მომენტალურად დაინახა დნმ-ის სპირალური, ორჯაჭვიანი სტრუქტურა3.
უოტსონმა და კრიკმა მრავალი მეცნიერის მონაცემები შეაგროვეს (მათ შორის ფრანკლინის, უილკინსის, ჩარგაფისა და სხვების), რათა შეედგინათ დნმ-ის სამგანზომილებიანი სტრუქტურის თავიანთი სახელგანთქმული მოდელი. 1962 წელს ჯეიმზ უოტსონი, ფრენსის კრიკი და მორის უილკინსი ნობელის პრემიით დაჯილდოვდნენ მედიცინაში. სამწუხაროდ, იმ დროისთვის ფრანკლინი უკვე გარდაცვლილი იყო, ნობელის პრემია კი სიკვდილის შემდეგ არ გაიცემა.

უოტსონისა და კრიკის დნმ-ის მოდელი

დნმ-ის სტრუქტურა, როგორც ეს უოტსონისა და კრიკის მოდელშია ასახული, ორჯაჭვიანი, ანტიპარალელური, მარჯვნივ მიმართული სპირალია. დნმ-ის ჯაჭვების შაქარ-ფოსფატის ჩონჩხები ქმნიან სპირალის გარე ნაწილს, აზოტოვანი ფუძეები კი სპირალის შიგნითაა და წარმოქმნის წყალბადური ბმების წყვილებს, რომლებიც დნმ-ის ჯაჭვებს ერთმანეთთან აკავებენ.
ქვემოთ მოცემულ მოდელში ნარინჯისფერი და წითელი ატომები შაქარ-ფოსფატის ჩონჩხის ფოსფატებს ქმნიან, ხოლო სპირალის შიგნით მოცემული ლურჯი ატომები აზოტოვან ფუძეებს ეკუთვნის.
დნმ-ს ორმაგი სპირალის სამგანზომილებიანი მოლეკულური სტრუქტურის ანიმაცია.
სურათის წყარო: „Bdna cropped", Jahobr, საჯარო დომენი

ანტიპარალელური ორიენტაცია

ორჯაჭვიანი დნმ ანტიპარალელური მოლეკულელაა, რაც ნიშნავს, რომ იგი შედგება ორი ჯაჭვისგან, რომლებიც ერთმანეთის მიუყვებიან, თუმცა საპირისპიროდ არიან მიმართულნი. დნმ-ის ორჯაჭვიან მოლეკულაში ერთი ჯაჭვის 5' ბოლო (ფოსფატის მატარებელი ბოლო) უკავშირდება მისი მეწყვილის 3' ბოლოს (ჰიდროქსილის მატარებელ ბოლოს) და პირიქით.
მარცხენა ნაწილი: დნმ-ს ანტიპარალელური სტრუქტურის ილუსტრაცია. ნაჩვენებია დნმ-ის ორმაგი სპირალის მოკლე ნაწილები, რომლებიც დნმ-ის ორი ჯაჭვისგან შედგება. დნმ-ის ჯაჭვები დაკავშირებულია ფუძეებს შორის არსებული წყალბადური ბმებით. მარცხნივ მყოფ ჯაჭვს ფოსფატის ჯგუფი აქვს ზემოთ (5' ბოლოზე) და ჰიდროქსილი ქვემოთ (3' ბოლოზე). მარჯვენა ჯაჭვს საპირისპირო მიმართულება აქვს — ფოსფატის ჯგუფი აქვს ქვემოთ (5' ბოლოზე) და ჰიდროქსილის ჯგუფი ზემოთ (3' ბოლოზე). ერთი ჯაჭვის 5' ბოლო უკავშირდება მეორე ჯაჭვის 3' ბოლოს და პირიქით.
მარჯვენა პანელი: ნუკლეოტიდის სტრუქტურა, რომელშიც ნაჩვენებია 5' ფოსფატის ჯგუფი და 3' ჰიდროქსილის ჯგუფი. ამ ჯგუფებმა სახელწოდებები მიიღეს დეზოქსირიბოზას რგოლში თავიანთი პოზიციების მიხედვით. შაქრის რგოლის ნახშირბადები 1'-დან (აზოტოვანი ფუძის მატარებელი ნახშირბადი) 5'-მდეა (ფოსფატის ჯგუფის მატარებელი ნახშირბადი) გადანომრილი. შუაში მყოფი 3' ნახშირბადი ჰიდროქსილის ჯგუფს ატარებს.
_სახეცვლილი სურათის წყაროა „დნმ-ის ქიმიური სტრუქტურა", მადელინ პრაის ბელი (CC0/საჯარო დომენი)._

მარჯვნივ მიმართული სპირალი

უოტსონისა და კრიკის მოდელში დნმ-ის ორი ჯაჭვი ერთმანეთსაა მოხვეული და ქმნის მარჯვნივ მიმართულ სპირალს. ყველა სპირალს აქვს თავისი მიმართულება, რომელიც განსაზღვრავს, თუ როგორი ფორმა აქვს მათ ღარებს სივრცეში.
დნმ-ის ორმაგი სპირალის სურათი, რომელზეც ნაჩვენებია მისი მარჯვნივ მიმართული სტრუქტურა. დიდი ღარი უფრო ფართო ნაპრალია, რომელიც სპირალურად მიუყვება მოლეკულის მთელ სიგრძეს, მცირე ღარი კი უფრო პატარა ნაპრალია, რომელიც პარალელურად მიუყვება დიდ ღარს. ფუძეთა წყვილები სპირალის ცენტრშია, შაქარ-ფოსფატის ჩონჩხი კი მათზე გარედანაა შემოხვეული.
_სურათის წყარო: „დნმ-ის სტრუქტურა და სეკვენირება: სურათი 3", ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია (CC BY 3,0)._
დნმ-ის ორმაგი სპირალის დახვევა და ფუძეების გეომეტრია ქმნის უფრო ვრცელ ნაპრალს (დიდ ღარს) და უფრო ვიწრო ნაპრალს (მცირე ღარს), რომლებიც მთელ სიგრძეზე მიუყვება მოლეკულას, როგორც ეს ქვემოთ მოცემულ სურათზეა ნაჩვენები. ეს ღარები ცილების მიბმის მნიშვნელოვანი საიტებია, ცილები კი საჭიროა დნმ-ის საზრდოობისთვის და გენთა აქტივობის რეგულაციისთვის.

აზოტოვან ფუძეთა შეწყვილება

უოტსონისა და კრიკის მოდელში დნმ-ის ორმაგი სპირალის ორ ჯაჭვს ერთმანეთთან აკავშირებს საპირისპირო ჯაჭვებზე არსებული აზოტოვანი ფუძეების წყალბადური ბმები. ფუძეთა ყოველი წყვილი ბრტყლად ლაგდება და წარმოქმნის დნმ-ის მოლეკულის „კიბის საფეხურებს“.
ფუძეთა წყვილები ფუძეთა ნებისმეირი კომბინაციით არ იქმნება. ნაცვლად ამისა, თუკი ჯაჭვის ერთ მხარეს მოცემული გვაქვს ა (ადენინი), იგი უნდა დაუწყვილდეს მეორე ჯაჭვირს თ-ს (თიმინს) და პირიქით. ანალოგიურად, ჯაჭვის ერთი მხარის გ (გუანინი) ყოველთვის უწყვილდება საპირისპირო ჯაჭვის ც-ს (ციტოზინს). ამ ა-თ და გ-ც კავშირებს ფუძეთა კომპლემენტარულ წვილებს ვუწოდებთ.
დიაგრამა გვიჩვენებს ფუძეთა შეყვილებას ა-თ და გ-ც ფუძეებს შორის. ა და თ სპირალის ორი ჯაჭვის საპირისპირო მხარეებზე არიან, მათი ფუნქციური ჯგუფები კი ქმნიან წყალბადურ ბმებს, რომლებიც ჯაჭვებს ერთმანეთთან აკავებს. ანალოგიურად, გ და ც საპირისპირო ჯაჭვებზე არიან და მათი ფუნქციური ჯგუფები ქმნიან ჯაჭვების ერთმანეთთან შემაკავშირებელ სამ წყალბადურ ბმას.
_სურათის წყარო: „დნმ-ის სტრუქტურა და სეკვენირება: სურათი 3", ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია (CC BY 3,0)._
ფუძეთა შეწყვილება ხსნის ჩარგაფის კანონებს, ანუ იმას, თუ რატომაა ა-ს რაოდენობა ყოველთვის თ-ს რაოდენობის ტოლი, ც-ს რაოდენობა კი — გ-სი11. როდესაც ერთ ჯაჭვში გვაქვს ა, მეორე ჯაჭვში აუცილებლად თ უნდა იყოს. ანალოგიურად გ-სა და ც-ს შემთხვევაშიც. ვინაიდან დიდი პურინი (ა ან გ) ყოველთვის უწყვილდება პატარა პირიმიდინს (თ-ს ან ც-ს), სპირალის დიამეტრი ერთგვაროვანია და ყოველთვის დაახლოებით 2 ნანომეტრს შეადგენს.
მართალია, უოტსონისა და კრიკის ორიგინალი მოდელი გვეუბნებოდა, რომ თითოეული წყვილის ფუძეებს შორის ორი წყალბადური ბმა იყო, მაგრამ დღეს ვიცით, რომ გ და ც დამატებით ბმას წარმოქმნიან (ანუ, ა-თ წყვილი ჯამში ორ ბმას წარმოქმნის, გ-ც წყვილი კი — სამს)12.

ორმაგი სპირალის გავლენა

დნმ-ის სტრუქტურამ გზა გაგვიხსნა იმისკენ, რომ გაგვეგო დნმ-ის ფუნქციის მრავალი ასპექტი, მაგალითად, როგორ კოპირდება იგი და როგორ იყენებენ უჯრედები მასში არსებულ ინფორმაციას ცილების წარმოსაქმნელად.
როგორც შემდგომ სტატიებსა და ვიდეოებში ვნახავთ, უოტსონისა და კრიკის მოდელმა მიგვიყვანა აღმოჩენების ახალ ეპოქამდე მოლეკულურ ბიოლოგიაში. ეს მოდელი და ის აღმოჩენები, რომლებიც მან შესაძლო გახადა, ქმნიან ფუნდამენტს თანამედროვე მოწინავე კვლევების უმეტესობისთვის ბიოლოგიასა და ბიომედიცინაში.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

პოსტები ჯერ არ არის.
გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.