Дезоксирибонуклеї́нова кислота́ (ДНК) — один із двох типів природних нуклеїнових кислот, яка забезпечує зберігання, передавання від покоління до покоління та впровадження генетичної програми розвитку й діяльності живих організмів. Основне призначення ДНК в клітинах — довготривале зберігання відомостей про структуру РНК і білків.

У клітинах еукаріотів (наприклад, тварин, рослин або грибів) ДНК міститься в ядрі клітини в складі хромосом, а також в деяких клітинних органелах (мітохондріях і пластидах). У клітинах прокаріотів (бактерій і архей) кільцева або лінійна молекула ДНК, так званий нуклеоїд, міститься в цитоплазмі й прикріплена зсередини до клітинної мембрани. У них і у нижчих еукаріотів (наприклад дріжджів) трапляються також невеликі автономні кільцеві молекули ДНК, так звані плазміди. Крім того, одно- або дволанцюгові молекули ДНК можуть утворювати геном ДНК-вірусів.

З хімічної точки зору ДНК — це довга полімерна молекула, що складається з послідовності блоків — нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з азотистої основи, цукру (дезоксирибози) і фосфатної групи. Зв'язки між нуклеотидами в ланцюгу, утворюються дезоксирибозою й фосфатною групою. У переважній більшості випадків (окрім деяких вірусів, що містять одноланцюгові ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюгів, орієнтованих азотистими основами один проти одного. Ця дволанцюгова молекула утворює спіраль. У цілому структура молекули ДНК отримала назву «подвійної спіралі».

У ДНК зустрічається чотири види азотистих основ (аденін, гуанін, тимін і цитозин). Азотисті основи одного з ланцюгів сполучені з азотистими основами іншого ланцюга водневими зв'язками згідно з принципом комплементарності: аденін з'єднується тільки з тиміном, гуанін — тільки з цитозином.

Послідовність нуклеотидів дозволяє «кодувати» інформацію про різні типи РНК, найважливішими з яких є матричні (мРНК), рибосомні (рРНК) і транспортні (тРНК) та інші некодуючі РНК. Всі ці типи РНК синтезуються у процесі транскрипції на матриці ДНК, тобто шляхом копіювання послідовності ДНК у послідовність макромолекули РНК, за допомогою принципу комплементарності. Деякі види РНК, такі як мРНК, тРНК, рРНК за допомогою малих ядерних РНК беруть участь у біосинтезі білків (процесах транскрипції, сплайсингу і трансляції). Крім кодуючих послідовностей, ДНК клітини містить некодуючі послідовності, що виконують регуляторні та структурні завдання, або не виконують ніяких функцій. Ділянки кодуючих послідовностей разом із регуляторними ділянками, називаються генами. Сукупність всіх генів, регуляторних послідовностей, некодуючих послідовностей, тобто вся нуклеотидна послідовність ДНК, незалежно від її функцій, утворює геном організму.

У геномах еукаріотів містяться також довгі послідовності без очевидної функції (некодуючі послідовності). Також у складі геному досить поширені генетичні паразити — транспозони та вірусні, або схожі на них, послідовності. Проте організм може використовувати транспозони для виконання певних завдань, також транспозони можуть впливати на еволюцію генів.

Розшифровка структури ДНК, виконана в 1953 році, стала одною з поворотних віх в історії біології. За видатний внесок у це відкриття Френсісу Кріку, Джеймсу Ватсону і Морісу Вілкінсу була присуджена Нобелівська премія з фізіології або медицини 1962 року.

Хімічний склад ДНК ДНК є полімерною молекулою, що складається з великої кількості мономерів — нуклеотидів. Так в одній молекулі ДНК хромосоми 1 людини знаходиться близько 248.96 мільйонів пар нуклеотидів

Нуклеотиди

Аденін Гуанін Тимін Цитозин дАМФ

Структури гетероциклічних основ і дезоксиаденозинмонофосфату (дАМФ), як прикладу нуклеотиду. Замість залишку аденіну може бути інша азотиста основа Дезоксирибонуклеїнова кислота є біополімером (поліаніоном), мономерами якого є нуклеотиди. Кожен нуклеотид складається із залишку фосфорної кислоти, приєднаного за 5'-положенням до цукру дезоксирибози, до якого також через глікозидний зв'язок (C—N) за 1'-положенням приєднана одна з чотирьох азотистих основ. Саме наявність характерного цукру і складає одну з головних відмінностей між ДНК і РНК, зафіксовану в назвах цих нуклеїнових кислот (до складу РНК входить цукор рибоза). На малюнку показано чотири основи та один із нуклеотидів — дезоксаденозинмонофосфат, утворений приєднанням аденіну до дезоксирибози й фосфату.

Дезоксирибоза, що входить до складу молекули ДНК, знаходиться переважно в С2'-ендо конформації, на відміну від С3'-ендо конформації рибози в молекулах РНК: відсутність OH-групи у 2 положенні дезоксирибози робить С2'-ендо конформацію можливою. Це надає ДНК структурної міцності й ригідності, на відміну від молекули РНК.

За структурою молекул азотисті основи, що входять до складу нуклеотидів, розділяють на дві групи: пуринові (аденін [A] і гуанін [G]), утворені сполученими п'яти- і шестичленним гетероциклами та піримідинові (цитозин [C] і тимін [T]) — утворені одним шестичленним гетероциклом.

Як виняток, наприклад, у бактеріофага PBS1, в ДНК зустрічається п'ятий тип основ — урацил (U), піримідинова основа, що зазвичай входить до складу РНК замість тиміну і відрізняється від тиміну відсутністю метильної групи на кільці. Слід зазначити, що тимін і урацил не так строго пов'язані з ДНК і РНК відповідно, як це вважалося раніше. Так, після синтезу деяких молекул РНК значне число урацилів у цих молекулах метилюєтся за допомогою спеціальних ферментів, перетворюючись на тимін. Це відбувається в транспортних і рибосомних РНК.

Цукрофосфатний остов

Нуклеотиди поєднанні між собою фосфатними групами. Фосфатні групи формують фосфодіестерні зв'язки між третім і п'ятим атомами вуглецю сусідніх молекул дезоксирибози, в результаті взаємодії між 3-гідроксильною групою (3-ОН) однієї молекули дезоксирибози та 5-фосфатною групою (5-РО3) іншої. Фосфатна група разом з залишком дезоксирибози формує так званий цукрофосфатний остов молекули. Від цього остову відходять залишки азотистих основ убік.

Асиметричні кінці ланцюга ДНК називаються 3' (читається три-штрих) і 5' (п'ять-штрих). Полярність ланцюга грає важливу роль при синтезі ДНК (подовження ланцюга можливе тільки шляхом приєднання нових нуклеотидів до вільного 3'-кінцю).

Хімічні модифікації ДНК

Метилювання ДНК

Цитозин5-метилцитозинтимін Структура цитозину без 5-метильної групи та з нею. Після дезамінування 5-метилцитозин має таку ж саме структуру, як і тимін

За певних умов основи ДНК піддаються хімічним модифікаціям, які можуть бути успадковані без заміни послідовності ДНК, і, таким чином, є частиною епігенетичного коду. Найпоширенішим і найкраще описаним механізмом хімічних модифікацій є метилювання основ ДНК, цитозину в еукаріотів і цитозину та аденіну у бактерій.

Метилювання ДНК виявлене у всіх клітинах еукаріотів, проте середній рівень метилювання відрізняється у різних організмів, так у нематоди Caenorhabditis elegans метилювання цитозину майже не спостерігається, а у хребетних виявлений високий рівень метилювання — до 1%. Відомо, що рівень метилювання цитозину впливає на експресію генів: ділянки гетерохроматину (що характеризуються відсутністю або низьким рівнем транскрипції) корелюють із рівнем метилювання. Наприклад, метилювання цитозину з утворенням 5-Метилцитозину важливе для інактивації X-хромосоми. Попри біологічну роль, 5-метилцитозин може спонтанно дезамінуватися, перетворюючись на тимін, тому метильований цитозин є джерелом підвищеного числа мутацій.

Крім контролю експресії генів та, в результаті, контролю клітинного циклу, бактерії використовують метилювання аденіну і цитозину для захисту проти патогенів у складі рестрикційно-модифікаційної системи.

Іншим добре описаним типом модифікацій основ є глікозилювання урацилу з утворенням «J-основи» в кінетопластидах.

Топологічна структура ДНК

Подвійна спіраль

Полімер ДНК має досить складну структуру. Нуклеотиди ковалентно сполучені між собою в довгі полінуклеотидні ланцюги. Ці ланцюги в переважній більшості випадків (окрім деяких вірусів, що мають одноланцюговий ДНК-геном), у свою чергу, попарно об'єднуються за допомогою водневих зв'язків у структуру, що отримала назву подвійної спіралі.

Як вже було сказано вище, у переважної більшості живих організмів ДНК складається не з одного, а з двох полінуклеотидних ланцюгів. Ці два довгі ланцюги закручені один навколо іншого у вигляді подвійної спіралі, що стабілізується водневими зв'язками, які утворюються між повернутими один до одного азотистими основами ланцюгів, що входять до неї. У природі ця спіраль зазвичай правозакручена. Напрями від 3'-кінця до 5'-кінця у двох ланцюгах, з яких складається молекула ДНК, протилежні (ланцюги «антипаралельні» один одному).

Ширина подвійної спіралі в її найпоширенішій B-формі становить від 22 до 24 Å, або 2,2 — 2,4 нм, а довжина кожного нуклеотиду 3,3 Å (0,33 нм). Довжина всієї молекули залежить від виду організму, та може складати від десятків мікрон у деяких вірусів до кількох метрів (в одній хромосомі) у деяких рослин. Подібно до того, як у гвинтових сходах збоку можна побачити сходинки, на подвійній спіралі ДНК в проміжках між фосфатним остовом молекули можна бачити ребра основ, кільця яких розташовані в площині, перпендикулярній до подовжньої осі макромолекули.

Подвійна спіраль ДНК має декілька параметрів конформації, які можна характеризувати: шифт (, Dx), слайд (, Dy), райз (, Dz) — характеризують зсув однієї пари основ відносно іншої без зміни куту площини пар основ, так, що вони залишаються паралельними; твіст (, Ω), ролл (, ρ), тилт (, τ) — характеризують повороти площин однієї пари основ відносно іншої;

Жолобки

У подвійній спіралі розрізняють малий (12 Å) і великий (22 Å) жолобки (борозенки). Білки, наприклад, фактори транскрипції, які приєднуються до певних послідовностей у дволанцюговій ДНК, зазвичай взаємодіють з краями основ у великому жолобку, де вони доступніші.

ДНК може мати при утворенні зв'язків з третім ланцюгом ДНК (або РНК) у великому жолобку через формування окрім канонічних ватсон-кріківських пар, третю .

Утворення зв'язків між основами

Нуклеотиди протилежних ланцюгів ДНК формують зв'язки між собою. В основному це відбувається завдяки водневим зв'язкам протилежних залишків азотистих основ, звідси назва, пара основ (, скорочено bp). Основним і найрозповсюдженішим типом пар основ є Ватсон-Кріківські (назва походить від імен учених Френсіса Кріка та Джеймса Ватсона, див. п. Історія дослідження ДНК)

Ватсон-Кріківські пари основ Ватсон-Кріківські пари основ є найбільш поширеним типом формування пар основ між ланцюгами ДНК (та РНК) у природі.

При традиційному Ватсон-Кріківському формуванні водневих зв'язків між нуклеотидами, кожна основа на одному з ланцюгів зв'язується з однією певною основою іншого ланцюгу. Таке специфічне зв'язування називається комплементарним. Пуринові основи комплементарні піримідиновим (тобто, здатні до утворення водневих зв'язків з ними): аденін утворює зв'язки тільки з тиміном, а цитозин — з гуаніном. У подвійній спіралі ланцюги також зв'язані за допомогою гідрофобної взаємодії та стекінгу, які не залежать від послідовності основ ДНК.

Комплементарність подвійної спіралі означає, що інформація, яка міститься в одному ланцюгу, міститься і в іншому ланцюгу. Оборотність і специфічність взаємодій між комплементарними парами основ важлива для реплікації ДНК і решти всіх функцій ДНК в живих організмах.

Оскільки водневі зв'язки нековалентні, вони легко розриваються і відновлюються. Ланцюги подвійної спіралі можуть розходитися як замок-змійка під дією ферментів (гелікази) або при високій температурі.

Різні пари основ утворюють різну кількість водневих зв'язків. Пари A-T зв'язані двома, G-C — трьома водневими зв'язками, тому на розрив пар GC потрібно більше енергії. Відсоток GC-пар і довжина молекули ДНК визначають кількість енергії, необхідної для дисоціації ланцюгів: довгі молекули ДНК з великим вмістом GC більш «тугоплавкі».

Хугстинові пари основ