ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота

Дезоксирибонуклеиновая кислота, широко известная как ДНК, используется всеми формами жизни в качестве носителя генетической информации. ДНК содержит фундаментальные чертежи для развития и поддержания любого организма. Хотя ДНК химически очень похожа на РНК, она отличается от нее в некоторых ключевых аспектах.

В этом разделе будет дан обзор ее химической структуры, которая неразрывно связана с ее функцией.

Дезоксирибонуклеотиды

Мономерными единицами ДНК являются дезоксирибонуклеотиды, состоящие из дезоксирибозы, фосфатной группы и одного из четырёх азотистых оснований. Фосфатная группа присоединена к 5' атому углерода дезоксирибозы, а соответствующее основание — к 1' атому углерода. В отличие от РНК, содержащей рибозу, дезоксирибоза в ДНК не имеет гидроксильной группы (OH) при 2' атоме углерода. Это важно для общей структуры ДНК, к которой мы сейчас перейдём.

Нуклеобазы

Подобно РНК, четыре стандартных основания ДНК можно разделить на два типа - пурины и пиримидины. Цитозин (Ц) и тимин (Т) - пиримидины с типичной однокольцевой структурой, содержащей два атома азота. Тимин соответствует урацилу в РНК. Фактически, тимин можно также назвать 5-метилурацилом, поскольку он содержит метильную группу на 5' атоме пиримидинового кольца. Соединение с дезоксирибозой образуется у нижнего азота на этом рисунке.

Пуриновые основания аденин (A) и гуанин (G) состоят из двух азотсодержащих колец. Вместе с пиримидином цитозином эти основания идентичны как в ДНК, так и в РНК. На этом рисунке левый нижний азот каждого пурина присоединен к дезоксирибозе.

Полимеризация ДНК

Полимеризация ДНК происходит между 3' гидроксильной группой (OH) дезоксирибозы существующего терминала ДНК или одного дезоксирибонуклеотида и фосфатной группой, присоединенной к 5' углероду входящего дезоксирибонуклеозидтрифосфата. Во время образования связи две фосфатные группы высвобождаются в виде дифосфата (PPᵢ), который одновременно обеспечивает энергию для самой реакции.

Структура ДНК

Образующаяся полимерная ДНК непрерывно соединена сахарофосфатным остовом, а азотистые основания выступают в сторону от цепи. Один конец молекулы ДНК заканчивается фосфатной группой, присоединённой к 5' атому углерода дезоксирибозы, поэтому он называется 5'-концом цепи ДНК. Противоположный конец имеет свободную 3'-OH-группу и называется 3'-концом. Дополнительные нуклеотиды могут присоединяться только к 3'-концу цепи ДНК.

ДНК обычно двухцепочечная по всей длине, в отличие от РНК. Две нити ДНК соединяются посредством специфического сопряжения оснований, где А сопрягается только с Т, а G - только с С, соединяясь двумя и тремя водородными связями, соответственно. Две нити идут в противоположном направлении, которое обычно определяется как движение от 5' конца к 3' концу. Таким образом, две нити ДНК антипараллельны друг другу и обратно комплементарны по последовательности оснований, так как каждое основание имеет свою пару.

ДНК имеет спиральную структуру. Две её цепи образуют двойную спираль: сахарофосфатные остовы (показаны серым) расположены снаружи, а пары оснований — внутри и соединены водородными связями. В двойной спирали ДНК есть большая бороздка, где сахарофосфатные остовы расположены дальше друг от друга, и малая бороздка, где они ближе.

Структура ДНК особенно подходит для ее копирования и выполнения ее основной функции - хранения генетической информации. Эта информация, которая используется в качестве чертежа для создания и поддержания организмов, содержится в определенной последовательности оснований ДНК с ее четырьмя "буквами" A, G, C и T.

Подробнее о копировании, считывании и переводе генетической информации вы узнаете в следующем модуле по генетике.

Модификации ДНК

ДНК может быть модифицирована различными способами, но наиболее важной модификацией является метилирование ДНК. В частности, это метилирование цитозина на 5' атоме пиримидинового кольца. Получившееся основание называется 5-метилцитозин и по-прежнему образует пару с гуанином, хотя это небольшое химическое изменение оказывает глубокое влияние на регуляцию генетического материала. Это пример эпигенетической модификации, которая будет рассмотрена позже более подробно.