Структура и организация ДНК

Структура и организация ДНК описывают, как дезоксирибонуклеиновая кислота построена в виде антипараллельной двойной спирали из двух комплементарных, спаренных по основаниям цепей, и как химия этой молекулы кодирует наследственную информацию. Это структурная основа, от которой зависят репликация, транскрипция и упаковка генома.

Definition

ДНК — это полимер дезоксирибонуклеотидов, в котором две антипараллельные цепи скручиваются в двойную спираль, удерживаемую вместе водородными связями между комплементарными основаниями (аденин-тимин и гуанин-цитозин), при этом последовательность оснований кодирует генетическую информацию.

Scope

Статья охватывает строительные блоки ДНК (нуклеотиды, сахарофосфатный остов и четыре основания), правила комплементарного спаривания оснований, антипараллельную геометрию двойной спирали и то, как первичная последовательность связана с биологической ролью молекулы. Она рассматривает структуру как тему молекулярной биологии и не дает клинических рекомендаций.

Key concepts

• Нуклеотид (основание, дезоксирибоза, фосфат)
• Сахарофосфатный остов
• Комплементарное спаривание оснований (А-Т, Г-Ц)
• Антипараллельные цепи и полярность от 5' к 3'
• Большая и малая бороздки
• В-форма ДНК
• Правила Чаргаффа о составе оснований

Mechanisms

Каждая цепь ДНК представляет собой цепочку нуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями между 3'-углеродом одного сахара и 5'-фосфатом следующего, что придает каждой цепи определенную полярность от 5' к 3'. Две цепи противоположной полярности спариваются посредством водородных связей между комплементарными основаниями и укладываются в правозакрученную двойную спираль, с основаниями внутри и сахарофосфатными остовами снаружи, образующими большую и малую бороздки. Модель Уотсона и Крика показала, что специфическое спаривание аденина с тимином и гуанина с цитозином делает две цепи комплементарными, так что последовательность одной цепи определяет другую, и структура изначально предполагает, как молекула может быть скопирована. Работа по рентгеновской дифракции, включая изображения Франклин и Гослинга, обеспечила экспериментальную основу для спиральной, регулярной структуры.

Clinical relevance

Структурные правила ДНК лежат в основе того, как генетические последовательности считываются, сравниваются и анализируются в молекулярной медицине, а также как описываются изменения последовательности. Это справочная биология, а не основа для индивидуальных клинических решений.

History

К началу 1950-х годов были накоплены данные о закономерностях состава оснований (правила Чаргаффа) и данные рентгеновской дифракции волокон ДНК. В 1953 году Уотсон и Крик предложили антипараллельную модель двойной спирали, опубликованную наряду с дифракционными исследованиями Франклин и Гослинга, а также Уилкинса и его коллег. Модель объединила химию и генетику ДНК и стала структурной основой молекулярной биологии.

Key figures

• James Watson
• Francis Crick
• Rosalind Franklin
• Maurice Wilkins
• Erwin Chargaff

Seminal works

• watson-crick-1953
• franklin-gosling-1953

Frequently asked questions

Почему две цепи ДНК описываются как антипараллельные?

Две цепи идут в противоположных направлениях: одна ориентирована от 5' к 3', а ее партнер — от 3' к 5'. Эта противоположная полярность необходима для комплементарного спаривания оснований и для копирования цепей.

Что удерживает две цепи вместе?

Водородные связи между комплементарными основаниями (аденин спаривается с тимином, гуанин спаривается с цитозином), усиленные стэкингом оснований, удерживают цепи в двойной спирали, при этом позволяя им разделяться для копирования.