Строение ДНК: двойная спираль и комплементарность
Урок про самую знаменитую молекулу биологии и правило, по которому её две цепи держатся вместе.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — двухцепочечный полимер из нуклеотидов, хранящий генетическую информацию в виде последовательности четырёх оснований: A, T, G, C.
Из чего состоит ДНК
Мономер ДНК — нуклеотид — состоит из трёх частей: сахара (дезоксирибозы), остатка фосфорной кислоты и одного из четырёх азотистых оснований: аденин (A), тимин (T), гуанин (G), цитозин (C). Сахар и фосфат образуют «перила» молекулы, а основания — «ступеньки».
Правило комплементарности
Две цепи ДНК соединяются строго по правилу: A всегда напротив T, G всегда напротив C. Это и есть комплементарность. A и T держатся двумя водородными связями, G и C — тремя. Поэтому пары G-C прочнее.
Из правила вытекает правило Чаргаффа: в любой ДНК количество A равно количеству T, а G равно C. Отсюда доля A плюс G равна доле T плюс C, и в сумме всё даёт единицу:
$$ [A] + [T] + [G] + [C] = 1 $$
Зная одну цепь, мы однозначно знаем вторую. Построим комплементарную цепь.
pair = {"A": "T", "T": "A", "G": "C", "C": "G"}
template = "ATGCGGCTAA"
complement = "".join(pair[b] for b in template)
print("Цепь 1:", template)
print("Цепь 2:", complement)
# проверим правило Чаргаффа на двуцепочечной молекуле
both = template + complement
print("A:", both.count("A"), " T:", both.count("T"))
print("G:", both.count("G"), " C:", both.count("C"))Вывод:
Цепь 1: ATGCGGCTAA Цепь 2: TACGCCGATT A: 5 T: 5 G: 3 C: 3
В двуцепочечной молекуле A равно T, а G равно C — правило Чаргаффа выполнено автоматически.
Антипараллельность
Цепи направлены навстречу друг другу. У каждой цепи есть концы $5'$ и $3'$ (читается «пять-штрих» и «три-штрих»). Одна цепь идёт $5' \to 3'$, вторая — наоборот. Это важно для репликации, о которой речь в отдельном уроке.
Как работает под капотом
Прочность пары $G$-$C$ против $A$-$T$ — не мелочь. Поскольку $G$-$C$ держится тремя водородными связями против двух у $A$-$T$, участки ДНК, богатые $G$ и $C$, труднее «расплести». Это влияет на то, при какой температуре ДНК «плавится» (расходится на две цепи), и используется в лабораторных методах вроде ПЦР. Чем выше доля $G$ и $C$, тем выше температура плавления.
Частые ошибки
- Пишут пару A-G или T-C. Правильно: A-T и G-C, и только так.
- Забывают, что цепи антипараллельны, и копируют вторую цепь «в ту же сторону».
- Считают, что правило Чаргаффа выполняется для одной цепи. Оно про всю двуцепочечную молекулу.
Итог
- Нуклеотид ДНК = сахар + фосфат + основание (A, T, G или C).
- Комплементарность: A-T (две связи), G-C (три связи).
- Правило Чаргаффа: в двуцепочечной ДНК [A]=[T], [G]=[C].
- Цепи антипараллельны: одна $5' \to 3'$, другая наоборот.