Структура ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер, основная функция которого заключается в хранении и передаче генетической информации. Молекула ДНК состоит из последовательности нуклеотидов, каждый из которых включает три структурных компонента: азотистое основание, пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза) и фосфатную группу.

Нуклеотиды и их классификация

Нуклеотиды делятся на пуриновые и пиримидиновые основания:

• Пурины: аденин (А) и гуанин (G). Обладают двукольцевой структурой, включающей шести- и пятичленные кольца.
• Пиримидины: тимин (T) и цитозин (C). Состоят из одного шестиуглеродного кольца.

Каждое основание присоединяется к 1’-углероду дезоксирибозы через N-гликозидную связь. Фосфатная группа соединяется с 5’-углеродом сахара, образуя нуклеотид.

Полинуклеотидная цепь и направление

Нуклеотиды соединяются между собой фосфодиэфирными связями, которые образуются между 3’-гидроксильной группой одного нуклеотида и 5’-фосфатом следующего. В результате формируется полинуклеотидная цепь, имеющая полярность: одна конечность называется 5’-конец, другая — 3’-конец. Эта полярность критически важна для процессов репликации и транскрипции.

Двойная спираль

Молекула ДНК представлена двойной спиралью, открытой Уотсоном и Криком. Основные особенности:

• Цепи антипараллельны: одна идёт 5’→3’, другая — 3’→5’.
• Основания взаимодействуют между цепями посредством водородных связей: аденин формирует две связи с тимином, гуанин — три связи с цитозином.
• Спираль имеет характерный правозакрученный B-формат, с шагом спирали около 34 Å и 10 пар оснований на виток.

Пространственная организация

• Мажорная и минорная борозды образуются за счет несимметричного расположения сахаро-фосфатного остова. Мажорная борозда является ключевым участком для связывания белков-регуляторов.
• Стабильность структуры обеспечивается не только водородными связями, но и гидрофобными взаимодействиями между основаниями (stacking interactions), что предотвращает спонтанное расплетение цепей.

Химическая модификация и вариабельность

Природная ДНК подвергается различным метилированиям и гидроксилированиям, которые регулируют активность генов. Например, метилирование цитозина в CpG-динуклеотидах участвует в эпигенетической регуляции.

Взаимодействие с белками

ДНК формирует нуклеопротеиновые комплексы, такие как хроматин, где нуклеосомы (около 147 пар оснований, обернутых вокруг гистонов) обеспечивают компактное упаковывание и регулирование доступности генетической информации.

Особые формы ДНК

Помимо классической B-формы, ДНК может принимать:

• A-форма: более плотная спираль, наблюдается при низкой гидратации.
• Z-форма: левозакрученная спираль, встречается в участках с чередованием пурин-пиримидиновых последовательностей, играя роль в регуляции транскрипции и структурных механизмах.

Химическая устойчивость

Дезоксирибоза делает ДНК более устойчивой к гидролизу по сравнению с РНК, благодаря отсутствию 2’-гидроксильной группы. Фосфодиэфирная связь обладает высокой стойкостью к разрыву при физиологических условиях, что обеспечивает долговременное хранение генетической информации.

Генетический код и информационная емкость

Последовательность оснований в ДНК определяет кодонную организацию генов, где три нуклеотида кодируют одну аминокислоту. Такая структура позволяет хранить огромные объемы информации в компактной молекуле, обеспечивая точную передачу наследственных признаков при делении клеток.

Структура ДНК сочетает химическую устойчивость, пространственную организованность и функциональную гибкость, что делает её центральным молекулярным носителем жизни в биосфере.