Hetvenéves James D. Watson – negyvenöt éves a kettôs spirál

... és harminc éve, 1968 elején jelent meg – gyors egymásutánban – a DNS szerkezetének felfedezésérôl írt híres-hirhedt személyes beszámoló, A kettôs spirál elsô három kiadása. Talán érdemes feleleveníteni Francis Crick és James Watson bejelentését a felfedezésrôl (Nature, 1953. április 25.) és egy-két részletet újraolvasni a beszámolóból.

Nukleinsavak molekulaszerkezete
Szerkezet a dezoxiribonukleinsavra


Az ábra csak
a szemléltetést
szolgálja. A két 
szalag a két 
foszfát–cukor
láncot, a középsô
rudak a láncokat 
összekötô 
bázispárokat
jelképezik.A 
függôleges vonal
a szál tengelyét jelzi.

"... Mi jelentôsen eltérô szerkezetet szeretnénk javasolni a dezoxiribonukleinsav sójára. Ez a szerkezet két spirális láncból áll, amelyek azonos tengely körül futnak (lásd a vázlatot). A szokásos kémiai feltevésekkel éltünk, nevezetesen azzal, hogy mindkét lánc foszfát-diészter csoportokat tartalmaz, és ezek a b-D-dezoxi-ribofuranóz egységeket 3',5' helyzetben kötik össze. A két láncot  a szál tengelyére merôleges párok kapcsolják össze. Mindkét lánc jobbsodrású, de a bázispárok miatt a láncokban a szekvencia fordított. A láncok némiképp emlékeztetnek Furberg 1. sz. modelljére2, tehát a bázisok a spirál belsejében, a foszfátok a külsején vannak. A cukor és a hozzá közeli atomok konfigurációja hasonlít Furberg 'standard konfigurációjához': a cukor nagyjából merôleges a hozzá kapcsolódó bázisra. A láncokon z irányban 3,4 Å-önként van egy egység. Az azonos láncon levô, szomszédos egységek között 36o-os szöget tételeztünk fel, így a szerkezet minden tizedik egység után, tehát 34 Å-önként ismétlôdik az egyes láncokon. A foszforatom a lánc tengelyétôl 10 Å-re van. Mivel a foszfátok kívülre kerülnek, a kationok számára könnyen elérhetôk.

A szerkezet nyitott, víztartalma igen nagy. Azt várjuk, hogy kis víztartalomnál a bázisok megdôlnek és a szerkezet kompaktabbá válik.

A szerkezet újdonsága a láncokat összetartó purin és pirimidin bázisok kapcsolódásában rejlik. A bázisok párokat alkotnak, az egyik lánc egyik bázisa hidrogénkötéssel kapcsolódik a másik lánc egyik bázisához úgy, hogy mindketten egymás mellett fekszenek azonos z koordináta mentén. A kötés kialakulásához a pár egyik tagjának purinnak, a másiknak pirimidinnek kell lennie. A hidrogénkötések a purin 1-es és a pirimidin 1-es, illetve a purin 6-os és a pirimidin 6-os helyzete között jönnek létre.

Ha feltesszük, hogy a bázisok csak a legvalószínûbb tautomer formájukban fordulnak elô a szerkezetben (vagyis nem enol, hanem keto konfigurációban), az adódik, hogy csak bizonyos párok alakulhatnak ki, mégpedig az adenin (purin) a timinnel (pirimidin), a guanin (purin) a citozinnal (pirimidin) képezhet párt. Úgy tûnik, hogy a bázisok sorrendjét az egyes láncokon semmi sem korlátozza. Ha azonban csak bizonyos bázispárok képzôdhetnek, és az egyik lánc bázissorendje adott, ez automatikusan meghatározza a másik láncon kialakuló sorrendet.

A kíséreletek szerint3,4 az adenin és a timin, illetve a guanin és a citozin mennyiségének aránya a dezoxiribonukleinsav esetében mindig igen közel van egyhez.

Ez a szerkezet valószínûleg nem épülhet fel a dezoxiribóz cukor helyett ribóz cukorral, mert az újabb oxigénatomra túl közeli van der Waals-távolság adódna.

A dezoxiribonukleinsavra korábban közölt röntgendiffrakciós adatok5,6 nem elegendôk szerkezetünk szigorú ellenôrzéséhez. Egyelôre annyit mondhatunk, hogy a szerkezet nagyjából megfelel a kísérleti adatoknak, de addig nem tekinthetô bizonyítottnak, amíg nem vetjük össze pontosabb eredményekkel. Ezek egy részét következô közleményeinkben ismertetjük. Az ott megadott eredményeket a szerkezet meghatározásakor nem ismertük pontosan; a szerkezet – elsôsorban, de nem egészen – korábban közölt kísérleti adatokon és sztereokémiai meggondolásokon alapszik.

Nem kerülte el figyelmünket, hogy a párok képzôdésének általunk feltételezett módjából közvetlenül adódik egy lehetséges genetikai másolási mechanizmus.

A részletes szerkezetet, a felépítésekor alkalmazott feltevéseket és az atomok koordinátáit máshol közöjük."


2Furberg, S., Acta Chem. Scand., 6, 634 (1952)
3Chargaff, E., for references see Zamenhof, S., Brawerman, G., and Chargaff, E., Biochim. et Biophys. Acta, 9, 402 (1952)
4Wyatt, G. R., J. Gen. Physiol. 36, 201 (1952)
5Astbury, W. T., Symp. Soc. Exp. Biol. 1, Nucleic Acid, 66 (Camb. Univ. Press, 1947)
6Wilkins, M. H. F., and Randall, J. T., Biochim. et Biophys. Acta, 10, 192 (1953)


James D. Watson

A kettôs spirál
(Gondolat, Budapest, 1970)

" ...Hamarosan rájöttem, hogy Pauling teljesítménye nem bonyolult matematikai meggondolás eredménye volt, hanem a józan észé. Egyenletek becsúsztak ugyan olykor az érvelésébe, legtöbbször azonban elegendôknek bizonyultak a szavak. Linus felfedezésének a kulcsa a szerkezeti kémia egyszerû törvényei iránt érzett bizodalma volt. Az a-spirált nem fedezhette fel, ha csak a röntgendiffrakciós képeket bámulja. A lényeg az volt: mely atomok "szeretnek" elhelyezkedni egymás mellett. Papír és ceruza helyett a legfôbb szerszám itt az a molekuláris modellkészlet volt, amely elsô pillantásra az óvodás gyerekek játékszereire emlékeztetett. Semmi akadályát nem láttuk tehát, hogy ne oldhattuk volna meg a DNS-problémát is ugyanilyen módon. Csak egy molekulamodell-készletet kellett öszszeállítanunk, s elkezdeni a játékot. Ha szerencsénk van: kijön a spirál. Minden más alakzat sokkal bonyolultabb lett volna. Átkozott ostobaság lett volna a bonyolultakkal veszôdni, ha még nem zártuk ki az egyszerû megoldás lehetôségét. Pauling az életben nem jutott volna semmire, ha a zûrzavart keresi."

"... A következô hét közepéig egy fia ötletem sem támadt. Aztán egyszerre megvolt! Éppen összekapcsolt adeningyûrûket rajzoltam egy papírra. Hirtelen megéreztem a lehetséges DNS-szerkezet várhatóan mély vonatkozásait. Ebben a szerkezetben az adenincsoport képezte a hidrogénkötéseket, hasonlóan ahhoz, ami a tiszta adeninkristályokban van. Ha a DNS ilyen, akkor minden adenincsoport két hidrogénkötést alkothat azzal az adenincsoporttal, amely hozzá képest 180 foknyira fordul el. A legfontosabb, hogy két szimmetrikus hidrogénkötés összetarthat egy-egy pár guanint, citozint vagy timint is. Most kezdtem tûnôdni azon, hogy vajon valamennyi DNS-molekula két láncból áll-e, azonos bázissorrenddel, amit az azonos bázispárok közötti hidrogénkötések tartanak össze. A dolgot az bonyolította, hogy az ilyen szerkezetnek nem lehet szabályos gerince, mert a purinok (adenin és guanin) meg a pirimidinek (timin és citozin) különbözô alakúak. A keletkezô gerinc kisebb ki-be görbüléseket mutat, attól függôen, hogy melyik purin- vagy pirimidinpár van a közepén.

Noha a gerinc elég "rendetlen" volt, mégis szaporábban vert a szívem. Ha ez a DNS, akkor a felfedezés bejelentése bombarobbanás lesz. A két összetekeredett, azonos bázissorrendû lánc létezése nem lehetett véletlen dolog. Inkább határozottan arra mutatott, hogy minden molekulában egy lánc egy korábbi fokon a másik lánc szintézisének a templátjául szolgált. Eszerint a replikáció a gén két azonos láncának a szétválásával kezdôdik. Aztán két új leány-fonal alakul a két szülôi templáton, s ezáltal két, az eredeti molekulával azonos DNS-molekula képzôdik. A génreplikáció lényegi trükkje tehát abból a követelménybôl származhat., hogy az újonnan szintetizált lánc minden bázisának mindig hidrogénkötésben kell lennie egy azonos bázissal. Ezen az estén azonban még nem értettem: miért nem kötôdik hidrogénnel az adeninhoz a guanin közönséges tautomer formája. Hasonlóképp más párosodási hiba is elôfordul. De mert semmi okom nem volt rá, hogy kizárjam a specifikus enzimek részvételét, azt gondoltam: nem kell alaptalanul izgatnom magamat. Lehet például, hogy van egy adeninra specifikus enzim, amelynek a hatására mindig adenin kerül szembe az adenincsoporttal a templát szálon."
 
Ha a jobb oldalon nem jelenik meg
a térbeli DNS-modell, töltse le
Chime-segédprogramot. 
(A molekulát az egér bal oldali 
gombjával forgathatja, ha 
az egérmutató a modellen van.)

"... Az ebéd után nem siettem vissza a munkához. Attól féltem, hogyha megpróbálom a keto formákat az új sémába illeszteni, akkor fejjel megyek a falnak, s tudomásul kell vennem, hogy a szabályos hidrogénkötésû séma nem felel meg a röntgenbizonyításnak. Amíg a virágokat bámulom – reméltem –, csak megkerül valami takaros báziselrendezôdés. Amint felfelé sétáltunk, szerencsére ürügyet találhattam, hogy legalább néhány órára elodázzuk a modellépítés döntô lépését. A fémbôl készült purin- és pirimidinmodellekre azért volt szükség, hogy minden valószínû hidrogénkötôdési lehetôséget rendszeresen vizsgáljunk. Csakhogy a modellek nem készültek el idôre. Legalább két nap kellett még hozzá, hogy megkapjuk ôket. Ez még nekem is sok volt a pokolból. A délután hátralevô részét azzal töltöttem, hogy kemény kartonlemezbôl pontos bázismodelleket vágtam ki. De mire elkészültek, rájöttem, hogy a kipróbálás másnapra marad. Vacsora után egy Pop-féle csoporttal színházba mentem.

Másnap reggel, amikor a még üres dolgozóba léptem, gyorsan lesöpörtem a papírokat az asztalról, nagy, sima helyet csináltam, ahol összerakhattam a hidrogénkötésekkel összetartott bázispárokat. Elôbb ugyan visszatértem "hasonló hasonlóval" elméletemhez, de világosan láttam, hogy az semerre sem vezet. Csak Jerry [Donohue] beléptekor pillantottam fel, de amikor láttam, hogy nem Francis [Crick] jött meg, tologatni kezdtem a bázisokat különbözô más párosítási lehetôségek szerint. Hirtelen rádöbbentem, hogy az adenin-timin pár, amelyet két hidrogénkötés tart össze, azonos formájú, mint a legalább két hidrogénkötés által összetartott guanin-citozin pár. Valamennyi hidrogénkötés természetesnek tetszett; semmi szépítgetésre nem volt szükség ahhoz, hogy a két bázispár típus azonos alakú legyen. Gyorsan odahívtam Jerryt, s megkérdeztem, van-e valami ellenvetése az új bázispárjaimmal kapcsolatban.

Hangulatom ugyancsak emelkedetté vált, amikor nemmel válaszolt. Gyanítottam, hogy most megtaláltuk a rejtélyt: miért egyezik meg a purincsoportok száma pontosan a pirimidincsoportokéval. Két szabálytalan bázissorrend szabályosan elhelyezhetô egy spirál közepén, ha a purin mindig hidrogénnel kötôdik a pirimidinhez. A hidrogénkötéses feltételezés továbbá azt jelentette, hogy az adenin mindig a timinnel lép párba, míg a guanin csak citozinnal. Chargaff szabályai most hirtelen a DNS kettôs spirálszerkezetének a következményei lettek. S ami még izgalmasabb volt, ez a kettôs spiráltípus sokkal megfelelôbb replikációs sémát sugallt, mint az én kurtán végiggondolt "hasonló hasonlóval" párosodási sémám. Ha az adenin mindig a timinnel, a guanin pedig mindig a citozinnal alkot párt, akkor a két egymásba fonódó lánc bázissorrendje egymásnak a kiegészítôje. Tehát, ha az egyik lánc sorrendje adott volt, akkor ez automatikusan meghatározta a másikét. Fogalmilag így nagyon könnyen elképzelhettem, hogy miként lehet egy szóló lánc egy komplementer bázissorrendû lánc szintézisekor templát."


A 3D modell forrása: http://www.dcu.ie/~chemist/pratt/pdb/gallery.htm


Lásd még:
Arcképek a Britannicából: James Dewey Watson
http://clio.cshl.org/public/SCIENCE/Watson.html
Az 1962. évi élettani-orvosi Nobel-díjasok


Vissza a kémiatörténeti rovathoz http://www.kfki.hu/chemonet/