Химическое строение молекулы ДНК в виде двойной спирали предугадано Джеймсом Уотсоном, Френсисом Криком и Моррисом Уилкинсом и впервые продемонстрировано на рентгенограмме Розалиндой Франклин в 1953 г. (рис. 1).
Рис. 1. Схема структуры молекулы ДНК
Как видно из приведенной на рис. 1 схемы, молекула ДНК представляет собой линейный полимер, сформированный из двух полинуклеотидных цепей (нитей) или ДНК-полинуклеотидов, закрученных между собой в правую спираль.
Каждая линейная цепь состоит из нуклеотидов или мономеров, которые можно представить как фосфат (P) — сахар — основание, т.е. данная последовательность нуклеотидов — первичная структура
ДНК.
В ДНК четыре базовых азотистых основания: аденин — А, гуанин — Г, тимин — Т и цитозин — Ц. Из них первые два — пурины, последние два — пиримидины.
Связь нуклеотидов внутри каждой цепи ДНК обеспечивается чередованием фосфатных групп и пятиуглеродного сахара — дезоксирибозы. Между ними существует прочная фосфодиэфирная связь.
Обе линейные цепи закручены в правую спираль таким образом, что внутри спирали расположены основания, а снаружи — сахарофосфатные комплексы. Спираль — вторичная структура ДНК.
Каждая линейная цепь имеет два конца: начало- 5′-конец и З’-конец.
Связь двух цепей в молекуле ДНК обеспечивается комплементарностью пар оснований. Это означает, что, когда основания А и Т противоположных цепей молекулы расположены друг против друга, между ними спонтанно образуются две слабые водородные связи, тем самым создается АТ-пара (аденин и тимин). В свою очередь, ГЦ-пара (гуанин и цитозин) также представляет собой комплементарную пару, но между гуанином и цитозином возникают три слабые водородные связи.
Спонтанный процесс образования пар оснований (т.е. нуклеотидных пар — н.п.) называется гибридизацией ДНК. Другие комбинации пар оснований не комплементарны.
Цепи ДНК между собой антипараллельны (имеют противоположную направленность), т.е. определяющее направление в одной цепи от (5′-конца до З’-конца) будет противоположно таковому в другой цепи (от З’-конца до 5′-конца).
Простую полинуклеотидную структуру принято обозначать как последовательность первых букв названий азотистых оснований. Фрагмент двухцепочечной молекулы ДНК с противоположной направленностью цепей изображается так:
5′ Ц А Г T 3′ 3′ Г T Ц A 5′
Молекула ДНК — своего рода «винтовая лестница», условные «перила» которой (слева и справа) — сахарофосфатные комплексы, а условные «ступени» — АТ- и ГЦ-пары оснований. Каждая «ступень» состоит как бы из двух половинок: слева — пурин, справа — пиримидин.
Процесс разделения цепей ДНК (или их фрагментов) под действием температуры (около 95 °С) приводит к разрыву водородных связей между комплементарными парами оснований и называется плавлением ДНК.
При последующем охлаждении водородные связи между комплементарными парами восстанавливаются. Такая техника гибридизации называется отжигом ДНК. Она послужила основой для изучения молекулярной структуры гена.