Тайный язык жизни. Диалог с ученым о генах, геномах и наследственности: читать начало книги онлайн

Рис. 7. Структура двуцепочечной молекулы ДНК – сахарофосфатный остов и 4 нуклеотидных основания, образующие комплементарные пары

Материальная природа наследственной информации была раскрыта совсем недавно, в 1953 году, Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком на основе данных, полученных Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом. В полном соответствии с нашими предположениями носителем генетической информации оказалась полимерная молекула – дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно – ДНК. Атомы, из которых состоит молекула ДНК, самые обычные: кислород, водород, углерод, фосфор и азот. То, как эти атомы соединены друг с другом, объясняет, как записывается генетическая информация и как она передается из поколения в поколение.

Молекула ДНК – цепочка, состоящая из четырех различных элементов (нуклеотидных оснований), сочлененных друг с другом через остатки фосфорной кислоты и дезоксирибозы – вещества, которое с химической точки зрения является сахаром. Нуклеотидные основания: аденин (А), гуанин (G), тимин (Т), цитозин (C) – расположены на монотонном сахарофосфатном остове, как ступеньки на лестнице (рис. 7). Длина сахарофосфатного остова в молекуле ДНК фактически неограниченна: известны непрерывные цепочки длиной в сотни миллионов оснований. Именно порядок оснований вдоль цепочки является генетической информацией, текстовой инструкцией, согласно которой клетка приобретает те или иные свойства.

Рис. 8. Алфавиты – английский, русский и «генетический»

В русском алфавите 33 буквы, в английском – 26 (рис. 8). Это не означает, что один из этих языков беднее другого. Более того, любую мысль на обоих языках можно выразить комбинациями всего лишь двух символов, точек и тире в азбуке Морзе или единиц и нулей в компьютерном коде. Так же и с ДНК: в достаточно длинной последовательности, составленной лишь из четырех «букв» ДНК – A, G, C и T, можно закодировать «текстовое сообщение» любой сложности.

Замечательно, что способ передачи из поколения в поколение информации, закодированной в виде линейной последовательности нуклеотидных оснований, тоже записан в структуре «самой главной молекулы» жизни. В клетках ДНК находится в двуцепочечном состоянии. Две цепочки связаны друг с другом по тому же принципу, как элементы пазла. Если фрагменты пазла плоские и имеют в определенных местах выступы или, наоборот, выемки, то два подходящих друг другу элемента могут быть довольно прочно соединены друг с другом. Атомы в нуклеотидных основаниях связаны друг с другом таким образом, что образуются жесткие плоские структуры определенной формы (рис. 8). На внешнем периметре этих структур фиксированы атомы, имеющие положительный или отрицательный заряд. Подобно подходящим друг другу фрагментам пазла, положительно и отрицательно заряженные атомы одних оснований способны притягиваться к, соответственно, отрицательно и положительно заряженным атомам других. Ученые называют такие взаимодействия «комплементарными», то есть «подходящими» друг другу. Правила комплементарного взаимодействия оснований ДНК очень простые: аденин (А) в одной цепочке ДНК лучше всего подходит к тимидину (Т) и поэтому способен образовывать устойчивую пару с этим основанием в другой цепи, а гуанин (G) способен образовывать пару с цитозином (C) (рис. 7). Пары А-G, А-C, G-Т или T-C гораздо менее прочные, потому что элементы генетического пазла не подходят друг другу или даже отталкиваются, если друг напротив друга оказываются одинаково заряженные атомы. Таким образом, знаменитая двойная спираль образуется в результате комплементарного взаимодействия оснований в отдельных цепочках ДНК.

То, что молекула ДНК имеет спиралевидную форму, связано со свойствами атомов, из которых состоят обе цепочки, и совершенно неважно для осуществления ее биологической функции. Но то, что молекула ДНК «двойная», принципиально важно для понимания того, как наследственная информация передается из поколения в поколение. В двуцепочечной молекуле ДНК порядок оснований в одной цепочке однозначно определяет их порядок в другой цепочке согласно правилу комплементарности. Две цепочки ДНК связаны друг с другом как две половинки застежки молнии. Взаимодействия между отдельными крючочками и петельками молнии или в нашем случае комплементарными основаниями ДНК слабые, но так как таких взаимодействий много, молния остается закрытой, а ДНК в нормальных физиологических условиях – двуцепочечной. Однако молния может быть, при необходимости, раскрыта, а цепочки ДНК – разделены. Например, цепочки ДНК можно легко разделить, подняв температуру до 80–90 ºС. При понижении температуры комплементарные цепочки снова «найдут» друг друга и двуцепочечная молекула восстановится. Эти свойства ДНК используются при проведении цепной полимеразной реакции для диагностики инфекционных заболеваний.

Рис. 9. Репликация ДНК: разделение цепей родительской двуцепочечной молекулы ДНК и синтез новых цепей на матрицах разделенных цепочек