Размножение молекул ДНК

Гипотеза Крика и Уотсона просто объясняла и то, как может произойти удвоение одной молекулы ДНК.

Чтобы рассказать об этом, надо хотя бы вкратце описать химические связи, определяющие устойчивость ДНК. Нарисуем снова развернутую структуру ДНК.

Теперь обратите внимание, что сахара и фосфаты и сахара и основания соединены на рисунке, а вот между соседними основаниями, входящими в пару, оставлен пробел.

Это не случайно. Связи между молекулами сахар — основание и сахар — фосфат гораздо прочнее, чем связи между молекулами основание — основание. Поэтому разобрать цепь ДНК на участке сахар — фосфат и сахар — основание в сотни раз труднее, чем в месте соединения двух оснований. Вам, наверное, понятен эффект, вытекающий из такого неравноправия. Расщепить молекулу ДНК по ее длине довольно легко, во всяком случае, проще, чем порвать ее поперек.

А теперь представьте себе, что двунитчатая молекула ДНК разорвалась на две половины, и обе нити стали свободными. Нельзя ли на каждой половине достроить еще по одной нити? Как раз это и предположили Крик и Уотсон.

Перед началом удвоения молекул ДНК обе нити соединены водородными связями. В клетках к этому моменту уже готовы предшественники ДНК — нуклеотиды, которые могут использоваться при синтезе новых копий наследственных молекул.

Они знали, что нужных для достройки двойной нити строительных блоков — свободных фосфатов, дезоксирибоз, любых оснований — в клетке сколько угодно. Следовательно, нет ничего удивительного, если против аденина окажется тимин, уже соединенный с сахаром илц фосфатом (помните, такой блок мы называли нуклеотидом), а напротив гуанина очутится цитозиновый нуклеотид. Останется только сцепиться сахару одного нуклеотида и фосфату соседнего нуклеотида, и образуется блок из двух нуклеотидов. К нему может присоединиться третий, четвертый, пятый нуклеотид, и с помощью химических связей все эти выстроившиеся партнеры «сошьются» в единую цепь, подобно тому, как застежка-«молния» сшивает две расположенные рядом половинки. Стоит такому процессу осуществиться, как удвоение произойдет. Вместо одной двойной нити получатся две точно такие же двойные нити. Образовавшиеся молекулы ДНК будут абсолютно идентичны их предшественнице.

Удвоение молекул ДНК. Нити ДНК расходятся, и тогда на них начинается строительство дочерних нитей ДНК.

В этом месте обычно задают один и тот же вопрос: почему, собственно, вторая нить будет зеркальным отражением первой нити? Ведь вокруг имеющейся нити в клетке находятся в большом числе все четыре сорта нуклеотидов. Так почему обязательно напротив тимина встанет аденин, а напротив гуанина — цитозин? Разве не может произойти ошибки? Но в том-то и дело, что не может. Когда я рассказывал о постоянной толщине молекулы ДНК, я говорил, что она способна существовать только в том случае, если А соединится с Т, а Г с Ц. Теперь представьте, что напротив аденина встал цитозин, а напротив гуанина примостился тимин. И к цитозину и к гуанину присоединены сахара, а к ним фосфаты. Надо, чтобы между соседними сахаром и фосфатом возникла связь. Но при таком расположении оснований это невозможно. Длинный цитозин поднял свои сахар и фосфат так далеко, что коротышке тимину ни за что не подсадить свой сахар на такую высоту. А чтобы возникла химическая связь между сахаром и фосфатом, расстояние между ними должно быть строго определенным, как раз таким, когда все партнеры стоят на своих местах. Поэтому чужак, по ошибке сцепившийся не со своим партнером, повисит-ловисит да и отвалится (ведь водородная связь, удерживающая его, очень слаба), зато как только нужный партнер встанет на свое место, цепь по сахару и фосфату замкнется прочной химической связью.

Попарное соединение аденина с тимином и гуанина с цитозином при синтезе новых копий ДНК.

Чем больше нуклеотидов сцепится в единую нить, тем прочнее будет становиться двунитчатая структура. Одна водородная связь слаба, но когда их тысячи, то и сила, удерживающая обе нити вместе, велика. Когда-то Н. К. Кольцов пытался представить себе наследственные молекулы, которые обладали бы способностью удваиваться. В его гипотезе также фигурировали боковые отростки, которыми соединялись две длинные нити парных цепочек, но никакой реальной структуры, обеспечивающей такое соединение, он предложить не мог. Лишь спустя двадцать лет гипотеза Кольцова воплотилась в точный язык формул и знаков. Молекула ДНК, давно известная научному миру, вдруг предстала перед Криком и Уотсоном в своей изумительной красоте и изяществе. Трем основным требованиям она вполне удовлетворяла. Теперь надлежало объяснить четвертое — как могут возникнуть изменения в генетической записи ДНК.

Продолжение синтеза ДНК. На разошедшихся нитях начался синтез дочерних молекул ДНК.

Вся молекула ДНК разорвалась по водородным связям, и синтез новых копий ДНК подходит к концу.