Архитектура молекулы и параметры спирали
Основа молекулы ДНК — это две полинуклеотидные цепи, закрученные в классическую правостороннюю спираль. Каркас молекулы (сахарофосфатный остов) образован молекулами дезоксирибозы и остатками фосфорной кислоты, соединенными прочными ковалентными связями. Этот остов располагается снаружи спирали.
Внутри конструкции находятся азотистые основания. Они имеют плоскую форму и лежат строго перпендикулярно оси макромолекулы. Трехмерная модель, предложенная на основе рентгеноструктурного анализа (В-форма), имеет строгие геометрические параметры:
- Полный оборот или шаг спирали (360°) составляет 3,4 нм.
- На один виток приходится 10 пар азотистых оснований.
- Расстояние между соседними «ступеньками» — 0,34 нм, а угол поворота каждой последующей пары равен 36°.
- На поверхности спирали формируются две выраженные бороздки: малая (шириной около 1,62 нм) и большая (около 2,2 нм).
Полинуклеотидные цепи антипараллельны: они ориентированы в противоположных направлениях. Там, где у одной цепи находится 5'-конец (несет остаток фосфорной кислоты), у комплементарной ей цепи располагается 3'-конец (имеет свободную ОН-группу). Термодинамическая стабильность всей этой структуры обеспечивается свободной энергией множества водородных связей.
Фундаментальные принципы строения
Организация цепей ДНК подчиняется строгим молекулярным законам, которые делают возможным копирование генетической информации.
- Комплементарность. Азотистые основания двух цепей пространственно соответствуют друг другу, образуя водородные связи. Аденин (А) всегда связывается с тимином (Т) двумя связями, а гуанин (Г) соединяется с цитозином (Ц) тремя. Благодаря этому последовательность одной цепи строго предопределяет состав другой.
- Правила Чаргаффа (открыты в 1949 году). В любой молекуле ДНК количество пуринов (А + Г) всегда равно количеству пиримидинов (Т + Ц). Соответственно, количество аденина равно количеству тимина, а гуанина — цитозину. При этом соотношение (А + Т) / (Ц + Г) обладает видовой специфичностью и меняется у разных организмов.
Современная наука рассматривает ДНК не как единственную жесткую структуру, а как семейство структур (полиморфизм ДНК). Альтернативные формы отличаются числом нуклеотидов на виток и расстоянием между повторяющимися элементами.
Локализация в клетке
Расположение и форма молекулы зависят от типа клетки и стадии её жизненного цикла.
В эукариотических клетках основная масса ДНК надежно спрятана в ядре. Там она связывается со специальными белками, образуя сложную пространственную конформацию (conformatio). В период деления ядра эти комплексы максимально спирализуются в линейные хромосомы. В период покоя (интерфазе) они деспирализуются и наблюдаются в микроскоп как прокрашенные тельца — хроматин. Вне ядра кольцевые формы ДНК присутствуют в митохондриях и пластидах.
У прокариот оформленного ядра нет. Их генетический материал представлен единственной гигантской кольцевой молекулой в зоне нуклеоида, а также небольшими плазмидами, находящимися непосредственно в цитоплазме.
Ключевые свойства и биологическая роль
ДНК — динамичная макромолекула, обладающая тремя важнейшими свойствами, обеспечивающими жизнь клетки:
- Репликация (самоудвоение). Происходит полуконсервативным способом в синтетическом периоде клеточного цикла. Ферменты создают точную копию молекулы для передачи дочерним клеткам.
- Репарация (самовосстановление). Уникальная способность ДНК «чинить» повреждения в своих цепях, восстанавливая правильную исходную последовательность нуклеотидов.
- Мутации. Процесс изменения числа или порядка следования нуклеотидов под воздействием внешних факторов при репликации.
Главная биологическая функция ДНК заключается в надежном хранении генетической информации, ее безошибочной передаче следующим поколениям клеток и реализации в процессе онтогенеза.
Чтобы запомнить принцип комплементарности, используйте простую ассоциацию: «Апельсин — в Тарелку, Гусь — в Цилиндр» (Аденин соединяется с Тимином, а Гуанин — с Цитозином).
Вопросы с занятий и экзамена
В чем разница между 5'- и 3'-концами молекулы?
Цепи ДНК полярны и антипараллельны. На 5'-конце (пять-штрих) полинуклеотидной цепи располагается остаток фосфорной кислоты, а на 3'-конце (три-штрих) находится свободная гидроксильная (ОН) группа.
Какие связи удерживают структуру ДНК?
Сахарофосфатный каркас (остов) молекулы удерживается прочными ковалентными связями. А две параллельные цепи соединяются между собой водородными связями, возникающими внутри спирали между парами комплементарных азотистых оснований.
Что такое полиморфизм ДНК?
Это современная концепция, согласно которой ДНК может существовать в виде множества различных конформаций (семейство структур), а не только в классической В-форме. Они различаются шагом спирали и количеством нуклеотидов на один виток.
Что ещё разобрать по теме
- Механизмы и ферменты полуконсервативной репликации ДНК
- Виды повреждений молекулы и молекулярные системы репарации
- Уровни компактизации хроматина в эукариотической клетке
- Особенности строения и наследования митохондриальной ДНК
- Молекулярные механизмы возникновения мутаций при репликации
Разберите тему целиком в курсе «Биология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «ДНК» и ещё 3 793 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 124 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Химический состав клетки»
Бесплатные видеоуроки: биологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.