Структура ДНК

Структура ДНК — это пространственная организация молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), обеспечивающая хранение, передачу и реализацию генетической информации в живых организмах. ДНК представляет собой биополимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, закрученных друг относительно друга в правовинтовую спираль. Эта вторичная структура, известная как двойная спираль, была открыта в 1953 году Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком на основе рентгенографических данных Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса, за что все трое (кроме Франклин) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1962 году.

Первичная структура

Первичная структура ДНК — это последовательность нуклеотидов, соединённых ковалентными связями в одну полинуклеотидную цепь. Каждый нуклеотид состоит из трёх компонентов:

Азотистое основание: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) или тимин (Т). В РНК тимин заменён на урацил (У).
Пентозный сахар: дезоксирибоза (в отличие от рибозы в РНК, у дезоксирибозы отсутствует гидроксильная группа у второго атома углерода).
Фосфатная группа: остаток ортофосфорной кислоты, присоединённый к 5'-углероду сахара.

Нуклеотиды соединяются в цепь через фосфодиэфирные связи, образующиеся между 3'-гидроксильной группой одного сахара и 5'-фосфатной группой следующего. Это придаёт цепи направленность: один конец называется 5'-концом (свободная фосфатная группа), другой — 3'-концом (свободная гидроксильная группа). Последовательность оснований определяет генетический код.

Вторичная структура: двойная спираль

Вторичная структура ДНК — это двойная спираль, в которой две антипараллельные полинуклеотидные цепи удерживаются вместе водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями. Основные характеристики:

Комплементарность: аденин всегда образует две водородные связи с тимином (А=Т), а гуанин — три связи с цитозином (Г≡Ц). Это правило, сформулированное Эрвином Чаргаффом, обеспечивает точное копирование ДНК при репликации.
Антипараллельность: цепи ориентированы в противоположных направлениях: одна цепь идёт от 5' к 3', другая — от 3' к 5'.
Правозакрученная спираль: в стандартной B-форме ДНК один виток содержит 10 пар оснований и имеет шаг 3,4 нм, диаметр около 2 нм. Между цепями образуются два желоба: большой (ширина 2,2 нм) и малый (ширина 1,2 нм), которые служат местами связывания белков.
Стабилизация: помимо водородных связей, спираль стабилизируется гидрофобными взаимодействиями между стопками оснований (π-стэкинг) и электростатическими взаимодействиями с ионами магния.

Формы двойной спирали

ДНК может существовать в нескольких конформациях, различающихся параметрами спирали:

B-форма: наиболее распространённая в клетках при нормальных условиях. Правая спираль, 10 пар оснований на виток.
A-форма: образуется при низкой влажности или в гибридах ДНК-РНК. Более короткая и широкая, 11 пар оснований на виток.
Z-форма: левая спираль, 12 пар оснований на виток. Возникает в участках с чередованием пуринов и пиримидинов (например, ЦГЦГЦГ). Связана с регуляцией транскрипции.

Третичная структура

Третичная структура ДНК — это пространственная укладка двойной спирали в более компактные формы, характерные для хромосом. В прокариотических клетках (например, у бактерий) ДНК обычно представляет собой кольцевую молекулу, которая дополнительно суперскручена (сверхспирализована) с помощью ферментов топоизомераз. У эукариот линейная ДНК организована в хромосомы, где она наматывается на гистоны, образуя нуклеосомы — структурные единицы хроматина.

Уровни компактизации у эукариот

Нуклеосомный уровень: ДНК (146 пар оснований) оборачивается вокруг октамера гистонов (H2A, H2B, H3, H4), образуя «бусины на нити». Диаметр нуклеосомы — 11 нм.
Хроматиновая фибрилла: нуклеосомы упаковываются в спираль диаметром 30 нм с помощью гистона H1.
Петлевые домены: фибрилла образует петли, прикреплённые к ядерному матриксу.
Хромосома: в метафазе хромосомы достигают максимальной конденсации, диаметр около 700 нм.

Кватернирная структура

Кватернирная структура описывает взаимодействие ДНК с другими молекулами, такими как белки, РНК или ионы. Примеры:

Хроматин: комплекс ДНК с гистонами и негистоновыми белками.
Теломеры: концевые участки хромосом, состоящие из повторяющихся последовательностей (у человека — TTAGGG) и связанные с белковым комплексом шелтерином.
Плазмиды: кольцевые молекулы ДНК у бактерий, несущие дополнительные гены (например, устойчивости к антибиотикам).

Функциональные особенности структуры

Структура ДНК напрямую связана с её функциями:

Репликация: двойная спираль раскручивается с помощью хеликазы, и каждая цепь служит матрицей для синтеза новой цепи ДНК-полимеразой. Комплементарность обеспечивает точность копирования.
Транскрипция: РНК-полимераза связывается с промотором, расплетает спираль и синтезирует РНК на матрице одной из цепей.
Репарация: повреждённые участки (например, тиминовые димеры, вызванные ультрафиолетом) распознаются и заменяются ферментами.
Регуляция экспрессии: структура хроматина (эухроматин — активный, гетерохроматин — неактивный) и связывание транскрипционных факторов с большим и малым желобами контролируют доступ к генам.

Методы исследования структуры

Для изучения структуры ДНК используются различные методы:

Рентгеноструктурный анализ: позволил определить двойную спираль (данные Розалинд Франклин).
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР): применяется для изучения структуры коротких фрагментов ДНК в растворе.
Криоэлектронная микроскопия: визуализирует крупные комплексы ДНК с белками (например, нуклеосомы).
Секвенирование: определяет первичную последовательность нуклеотидов (методы Сэнгера, Illumina, Oxford Nanopore).
Гель-электрофорез: разделяет фрагменты ДНК по размеру.

Интересные факты

Длина всей ДНК в одной клетке человека составляет около 2 метров, а в организме — примерно 10^13 километров (расстояние до Солнца и обратно более 60 раз).
Если бы двойная спираль была раскручена, её толщина составляла бы всего 2 нм, что в 50 000 раз тоньше человеческого волоса.
В 1953 году Уотсон и Крик построили первую модель ДНК из металлических пластин и стержней, что стало прорывом в молекулярной биологии.
В 2022 году учёные впервые визуализировали структуру ДНК в живых клетках с помощью технологии CRISPR-Cas9 и флуоресцентной микроскопии.

Источники

Watson J.D., Crick F.H.C. "Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid" // Nature, 1953, vol. 171, pp. 737–738.
Alberts B., Johnson A., Lewis J. et al. "Molecular Biology of the Cell" (6th ed.), Garland Science, 2014.
Nelson D.L., Cox M.M. "Lehninger Principles of Biochemistry" (7th ed.), W.H. Freeman, 2017.
Кольман Я., Рём К.-Г. "Наглядная биохимия" (пер. с нем.), Мир, 2004.
Спирин А.С. "Молекулярная биология: Структура и функции белков и нуклеиновых кислот", Высшая школа, 2003.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →