Двойная спираль ДНК содержит информацию двух разных типов, которые кодируются и считываются по-разному. Собственно генетическая информация, т. е. информация, определяющая структуру белков, записана привычным триплетным кодом. Этот код линеен, а расшифровка его происходит вне ДНК. Последовательность триплетов (триплет — это тройка оснований) в одной из цепей двойной спирали ДНК кодирует последовательность аминокислот в полипептидной цепи молекулы белка.
Однако прямого структурного соответствия между определенным триплетом оснований и той аминокислотой, которую он кодирует, по-видимому, не существует, и реализация информации этого типа осуществляется не самой ДНК, а с помощью целого набора «устройств»: матричных РНК, рибосом, транспортных РНК и необходимых ферментов. В ДНК записана не только наследственная информация, но и «инструкции» для избирательного чтения того или иного фрагмента записи. Все то немногое, что известно об этом аспекте кодирования, получено при изучении генетической регуляции в бактериях.
Оказалось, что сразу несколько генов, сгруппированных на бактериальной хромосоме, могут выключаться при связывании белка-репрессора с оператором — особым участком ДНК, содержащим последовательность оснований, узнаваемых репрессором. Гены снова становятся активными, когда определенные небольшие молекулы вступают во взаимодействие с репрессором и отсоединяют его от оператора. Хотя о генетическом контроле у более сложных организмов известно пока немного, большинство молекулярных биологов считают, что основные принципы генетической регуляции у них такие же, как и у бактерий.
Узнавание оператора репрессором происходит непосредственно, вероятно, благодаря образованию водородных связей между атомами азота и кислорода аминокислотных остатков репрессора, с одной стороны, и парами комплементарных оснований двойной спирали оператора — с другой. При этом структура ДНК в операторном участке должна быть точно подогнана к специфической конформации белка-репрессора.
Еще четыре года назад о деталях строения ДНК мы знали так мало, что было бы некорректно даже ставить вопрос, играет ли ДНК только пассивную роль в процессе узнавания (т.е. боковые цепи аминокислот белка проникают в статичную двойную спираль, узнавая определенный ее участок) или же последовательность оснований влияет на геометрию спирали так, что обеспечивает связывание регуляторного белка с нужным участком ДНК. Модель ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком на основании анализа полученных Р. Франклин и М. Уилкинсом картин рентгеновской дифракции волокон ДНК.
Дальнейшие исследования показали, что ДНК может существовать в двух формах: В (при высокой влажности) и А (при низкой). Для обеих форм были построены молекулярные модели. Однако, изучая дифракционные картины волокон ДНК, можно получить лишь ограниченный объем информации о ее структуре, так как цепи ДНК расположены вдоль оси волокна беспорядочно. Самое большее, что удалось понять — это что ДНК в целом имеет спиральную структуру.
Никаких локальных вариаций конформации спирали, зависящих, возможно, от последовательности оснований, заметить было нельзя. В настоящее время тонкие особенности структуры ДНК могут быть выявлены и точно измерены. Исследователи научились синтезировать в необходимом количестве и получать в достаточно чистом виде короткие участки ДНК заданной последовательности, что в свою очередь дало возможность закристаллизовать фрагменты ДНК длиной от 4 до 24 пар оснований и исследовать такие кристаллы с помощью методов рентгеноструктурного анализа.
В этой статье пойдет речь о некоторых неожиданных результатах, которые были получены при изучении кристаллов коротких двуспиральных молекул ДНК. При исследовании рентгенограмм вытянутых волокон и тонких пленок природных ДНК были выявлены основные параметры двух главных типов структуры двойной спирали: В-формы, которая устойчива при относи- тельной влажности выше 92%, и А-формы, которую принимает большинство нуклеотидных последовательностей, когда влажность падает ниже 75%. Обе формы похожи на гибкую лестницу, спирально закрученную вокруг центральной оси.
В состав ДНК входят нуклеотиды четырех типов: A, G, С и Т; аденин (А) и гуанин (G) являются пуринами, в структуру молекулы у них входят два конденсированных кольца, а тимин (Т) и цитозин (С) являются пиримидинами — у них одно кольцо. Основания соединены в пары водородными связями: аденин обычно образует две связи с тимином, а гуанин — три связи с цитозином. Точки присоединения оснований к сахарным остаткам в разных цепях ДНК расположены не строго друг против друга по отношению к оси спирали