Двониткова структура ДНК

Дві нитки, один вит

ДНК's подвійна спіраль складається з двох довгих цукрово-фосфатних каркасів, що обертаються навколо спільного осі у правий хід, з плоскими азотними базами, розташованими між ними як сходи на викрученому драбині. У найпоширенішій конформації – B-формі ДНК — формі, яку Джеймс Вотсон і Френсіс Крік змоделювали у 1953 році на основі даних рентгенівського дифракційного аналізу Розалінд Франклін та Реймонда Гослінга, спіраль повторюється кожні 3,4 нанометрів, завершуючи один повний оберт приблизно кожні 10,5 пар основ, з загальним діаметром близько 2 нанометрів.

B-DNA geometry (approximate):
  helical diameter        ≈ 2.0 nm
  rise per base pair       ≈ 0.34 nm
  base pairs per full turn ≈ 10.5
  twist per base pair       ≈ 34.3°

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Базисний зв'язок: А–Т, G–C та нічого іншого

Дві нитки проходять антипаралельно — одна читає 5' до 3', а її партнер читає 3' до 5' поряд з нею — і утримуються разом лише за рахунок патерну водневих зв’язків між відповідними базами. Аденін париться тільки з тиміном (два водневі зв’язки), а гуанін париться тільки з цитозином (три водневі зв’язки); саме тому ділянка ДНК, багата на G–C, вимірювано стабільніша за ділянку, багату на A–T — один додатковий водневий зв'язок на пару швидко накопичується тисячами пар баз. Оскільки кожна база має лише одного правильного партнера, знання послідовності однієї нитки миттєво дає вам відповідну послідовність іншої — найзначніший факт у молекулярній біології, оскільки це дозволяє клітині копіювати її геном і дозволяє працювати PCR та машинам секвенування.

Основні та малі бороздки

Згинання двох ниток навколо осі замість їх рівномірного укладання створює дві бороздки нерівної ширини, що проходять вздовж спіралі – широку основну бороздку (близько 2,2 нм) та вузьку меншу бороздку (приблизно 1,2 нм). Ця асиметрія виникає через те, що дві точки кріплення основи на кожному парному зв’язку не лежать діаметрально протилежно. Це має значення для біології, оскільки більша частина хімічно відмінної поверхні пари основ – той візерунок, який дозволяє білкові молекули розрізняти пару А-Т від пари Г-С без розкручування спіралі – відкрита в основній бороздці, тому переважна більшість білків, що зв’язуються з ДНК та мають специфічну послідовність, включаючи транскрипційні фактори, читають геном, вставляючи розпізнавальну спіраль у основну бороздку.

Чому вона звивається

Звиття є безпосереднім наслідком геометрії цукрово-фосфатного ланцюга – дезоксирибоза, як цукор, має фіксовану вигнуту конформацію, а фосфодіестерова звязок між двома цукерами має переважний кут поворотів. Тому прямий, незв’язаний ланцюг зі стовпчастих парів основ – це не найнижча енергетична форма; ланцюг природно скручується.

Пряме розміщення плоских, приблизно плоских основ один на одному також забезпечує стабілізуючиму взаємодію між парами основ (сукупність ван-дер-ваальських контактів і гідрофобного ефекту, який захоплює плоскі ароматичні кільця подалі від води), що сприяє тісному зкрученню, паралельному розтаваленню парів основ, а не розрідженому, розкинутому. Водоподібні зв’язки утримують обидві ланцюги разом; саме геометрія ланцюга та взаємодія між парами основ роблять збірку звитою замість того, щоб лежати плоско.

Випадкове рандомізація послідовності

Оскільки кожна з чотирьох основ (A, T, G, C) визначально спарюється лише з одним партнером, рендерер повинен лише вибрати послідовність однієї нитки випадково, а її партнерська нитка автоматично слідує – кожен A генерує T на протилежному плечі в тій же точці висоти, кожен G - C.

Колірне кодування двох типів пар різними кольорами робить так, щоб ланцюги пірамід були візуально помітні під час обертання симуляції, а перегенерація випадкової послідовності полягає у просто повторному малюванні цього стовпця виборів та його відображенні.

Frequently asked questions

Чому аденін лише утворює пару з тиміном, а гуанін – лише з цитозином?

Це чисто геометрична та хімічна відповідність: А і Т вирівнюються, щоб сформувати торіччя двох водневих зв’язків, а G і C вирівнюються, щоб сформувати три водневих зв’язки, і лише ці пари відповідають фіксованій ширині спіралі без напруження скелетної структури. Незбіглені пари не відповідають тій самій геометрії, що й теж є тим, як DNA-полімерази та ферменти репарації виявляють помилки копіювання.

Чому ДНК утворює спіраль замість плоскої драбини?

Плоска, незгорнута драбина – це не найнижча енергетично стабільна форма: кути повороту цукрово-фосфатного скелетної структури мають переважний поворот, а розміщення плоских основ одна над одною (замість розкинутих) забезпечує додаткову стабілізацію завдяки взаємодіям з накладанням, тому вся конструкція природним чином скручується в спіраль.

Яка різниця між великою та малою канавками?

Це дві канавки нерівної ширини, створені через те, що точки кріплення скелетної структури на кожному парному основному азоту не є діаметрально протилежними. Велику канавку видно більше відмітних хімічних поверхонь кожної пари основ, тому більшість білків, що зв’язуються з ДНК, читають генетичну послідовність через велику канавку, а не через вузьку малу.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте DNA Double Helix і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію DNA Double Helix

Двониткова структура ДНК: спарювання баз, пазухи та чому вона звивається