Двойная спираль ДНК

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) представляет собой молекулу нуклеиновой кислоты, образованную двумя полинуклеотидными цепями, свернутыми в правозакрученную спираль. Каждая цепь состоит из чередующихся остатков дезоксирибозы и фосфатных групп, к которым ковалентно присоединены азотистые основания. Цепи ориентированы антипараллельно: одна направлена от 5′ к 3′ концу, другая — от 3′ к 5′.

Азотистые основания и комплементарность

В состав ДНК входят четыре типа азотистых оснований: аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (C). Основной принцип структурной организации — правило комплементарности Чаргаффа, согласно которому:

• Аденин формирует две водородные связи с тимином (A=T).
• Гуанин формирует три водородные связи с цитозином (G≡C).

Эти водородные связи обеспечивают стабильность спирали и точность репликации. Комплементарное взаимодействие оснований является ключевым фактором сохранения генетической информации.

Геометрия и параметры спирали

Двойная спираль ДНК имеет правозакрученную форму типа B, характерную для физиологических условий. Основные параметры спирали:

• Диаметр спирали: около 2 нм.
• Шаг спирали: приблизительно 3,4 нм на полный виток (~10,5 пар оснований на виток).
• Расстояние между соседними основаниями: около 0,34 нм.
• Угол наклона оснований: около 36° относительно оси спирали.

Существует также форма А и форма Z ДНК, отличающиеся величиной шага спирали, наклоном оснований и направлением закручивания. Форма А наблюдается в сухих условиях или при комплексах с РНК, а форма Z — при специфических последовательностях, богатых GC.

Укрепление спирали: водородные и гидрофобные взаимодействия

Внутреннее пространство спирали занято азотистыми основаниями, тогда как фосфато-дезоксирибозный скелет формирует наружную поверхность, контактирующую с водным раствором. Основные силы стабилизации:

• Водородные связи между комплементарными основаниями.
• Стерические и гидрофобные взаимодействия между плоскими основаниями, создающие эффект «стекла».
• Ионные взаимодействия между отрицательно заряженными фосфатами и катионами в растворе, обеспечивающие уменьшение электростатического отталкивания.

Основные элементы структуры

1. Почтовые бороздки (major groove и minor groove):

   • Major groove (широкая бороздка) обеспечивает доступ белков к специфическим последовательностям ДНК для связывания и регуляции.
   • Minor groove (узкая бороздка) играет вспомогательную роль в стабилизации и взаимодействии с низкомолекулярными лигандами.

2. Антипараллельность цепей:

   • Обеспечивает возможность репликации с использованием комплементарного матричного механизма.
   • Направление цепей 5′→3′ и 3′→5′ критично для ферментативной активности ДНК-полимераз.

3. Топологические свойства:

   • Суперспирализация и перекручивание влияют на упаковку ДНК в хроматине.
   • Топоизомеразы регулируют степень перекручиваний, облегчая процессы транскрипции и репликации.

Функциональная значимость

Двойная спираль ДНК обеспечивает:

• Хранение и передачу генетической информации через точное комплементарное воспроизведение.
• Стабильность генома благодаря совокупности водородных и гидрофобных взаимодействий.
• Доступность для регуляторных белков, что критично для транскрипции, репарации и модификации.
• Гибкость и динамичность, позволяющие адаптироваться к структурным и функциональным потребностям клетки.

Структура двойной спирали является центральной концепцией молекулярной биологии и служит основой для понимания механизмов репликации, мутаций и регуляции генов. Ее уникальные физико-химические свойства формируют основу для всех процессов, связанных с наследственностью и экспрессией генетической информации.