Генетическая информация и ДНК

В широком эволюционном смысле генетическая информация необходима клетке, чтобы обеспечивать баланс между сохранением живых систем и их адаптацией к среде. Она позволяет клетке и передавать свои признаки потомству (наследственность) и одновременно служит материалом для эволюционных изменений при возникновении случайных мутаций (изменчивость). В узком, экзаменационном смысле, генетическая информация в клетке выполняет четыре фундаментальные функции^[2]:

• Хранение: информация должна стабильно находиться в ядре в виде ДНК.
• Воспроизведение: код должен копироваться без искажений (процесс репликации).
• Передача: данные переходят от родителей к потомкам при размножении.
• Реализация: информация переводится в реальные признаки путем синтеза белков (транскрипция, трансляция).

Поскольку генетическая информация — это строго последовательный «текст», его можно расшифровать и перевести в цифровые символы. Этот процесс автоматизированной оцифровки ДНК называется секвенированием. В результате этой процедуры материальный субстрат наследственности (последовательность нуклеотидов ДНК) превращается в структурированные генетические данные — файлы, состоящие из символьных строк на сервере (например, файл со строковой последовательностью "ATTGACTATAGGC"). В биоинформатике эти данные хранятся в специальных форматах. Самые известные из них — это .FASTQ (сырые текстовые данные напрямую с прибора) и .VCF (компактный файл, который содержит не весь геном целиком, а только список мутаций и отличий конкретного человека от «нормативного» эталона). Переведённая в цифровой формат информация о порядке чередования химических соединений в молекуле ДНК называется генетическими данными.

Перенос информации в электронный вид открыл возможность кодировать, архивировать и сопоставлять полинуклеотидные цепи, переведя анализ геномов на уровень работы с компьютерными базами данных. Сегодня оцифрованные файлы занимают значительные вычислительные мощности и хранятся на защищенных серверах или в облачных специализированных генетических базах данных: как в научных (GenBank, EMBL-EBI, DDBJ, Ensembl, ГИС НБГИ, ФМБА и др.), так и в крупных биобанках и коммерческих сервисах (UK Biobank, AncestryDNA, 23andMe, MyHeritage)^[3].

История открытия ДНК началась в 1869 году, когда Фридрих Мишер выделил из ядер клеток вещество, названное нуклеином. Однако принципы, по которым этот полимер кодирует наследственную информацию, были раскрыты только в 1953 году, вместе с открытием его пространственную структуры в виде двойной спирали Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком^[4].

Полимеры — это большие молекулы, построенные из множества повторяющихся звеньев — мономеров, соединенных химическими связями. Мономером ДНК является нуклеотид. ДНК является нерегулярным, неразветвленным гетерополимером. Это значит, что мономеры в ДНК представлены не одним единственным видом, а четырьмя разными — аденином (А), гуанином (Г), цитозином (Ц) и тимином (Т) (гетерополимер), а также они не образуют боковых ответвлений от основной цепочки (неразветвлённый) и не имеют циклической повторяемости в чередовании мономеров (нерегулярный). Именно благодаря тому, что мономеры в ДНК разные и чередуются, они образуют уникальную последовательность, в которой становится возможно зашифровать генетическую информацию.

Те самые четыре буквы кода (А, Т, Г, Ц), которые компьютер считывает при секвенировании, — это не виртуальные символы, а реальные химические структуры, входящие в состав нуклеотидов. Каждый нуклеотид ДНК состоит из трёх компонентов:

1. Азотистое основание;
2. Пятиуглеродный сахар (пентоза);
3. Остаток фосфорной кислоты (PO4-).

Азотистые основания делятся на два вида: пуриновые (аденин, гуанин) и пиримидиновые (цитозин, тимин, урацил). Пурины состоят из двух колец, а пиримидины — из одного. Главной особенностью азотистых оснований является наличие атомов азота и водорода, которые способны образовывать слабые водородные связи. Именно за счёт них соединяются нуклеотиды противоположных цепей ДНК друг с другом.

⚠️ Важно для ОГЭ/ЕГЭ: пурины и пиримидины Чтобы не путать между собой пурины и пиримидины можно воспользоваться мнемоническим правилом для запоминания: у пуринов более короткое слово, но более крупный размер молекулы, а у пиримидинов — наоборот.

Сахар в нуклеиновых кислотах представляет собой пятиуглеродный моносахарид, замкнутый в кольцо (пентозу). В ДНК этот сахар представлен дезоксирибозой. Она отличается тем, что у её второго атома углерода (С2') отсутствует один атом кислорода (вместо группы -ОН там находится просто -Н). Приставка «дезокси-» буквально означает «без кислорода», что и даёт название всей молекуле — дезоксирибонуклеиновая кислота.

Фосфат (${\displaystyle {{\ce {PO4^3-}}}}$), то есть остаток фосфорной кислоты (${\displaystyle {{\ce {H3PO4}}}}$), в составе нуклеиновых кислот только один (такой нуклеотид называют монофосфатом). Однако в составе клетки встречаются и свободные нуклеотиды, выполняющие энергетическую функцию (например, АТФ или ГТФ), которые содержат не один, а три остатка фосфорной кислоты^[5].

В живой клетке молекула ДНК не существует в виде простой линейной цепи из нуклеотидов: чтобы стабильно хранить большие объёмы информации и при этом компактно помещаться внутри ядра, ДНК принимает сложную трёхмерную форму. В биологии пространственную организацию ДНК принято делить на три последовательных уровня (первичная, вторичная и третичная структура), каждый из которых выполняет свою задачу.

Первичная структура ДНК — это линейная цепочка последовательно связанных нуклеотидов. Она образуется за счёт прочных ковалентных 3',5'-фосфодиэфирных связей. Каждая такая связь возникает между остатком фосфорной кислоты одного нуклеотида и дезоксирибозой соседнего. Полинуклеотидная цепь имеет строгую направленность (полярность), поэтому её концы различаются:

• 5'-конец заканчивается свободной фосфатной группой.
• 3'-конец заканчивается свободной ОН-группой сахара дезоксирибозы^[6].

⚠️ Важно для ОГЭ/ЕГЭ: запись направления цепи ДНК В биологии последовательность нуклеотидов первичной структуры ДНК принято всегда записывать в направлении от 5'- к 3'-концу с помощью однобуквенного кода азотистых оснований (например: 5'-А-Г-Ц-Т-Т-А-Ц-А-3').

Вторичная структура ДНК представляет собой две полинуклеотидные цепи, которые удерживаются вместе за счёт слабых водородных связей между азотистыми основаниями и спирально закручены друг вокруг друга в форме двойной спирали. Все основания цепей ДНК расположены внутри двойной спирали, а пентозофосфатный остов — снаружи. Цепи в ДНК антипараллельны, т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3'→5', то вторая — в направлении 5'→3', поэтому на каждом из концов молекулы ДНК расположены 5'-конец одной цепи и 3'-конец другой цепи^[6].

⚠️ Важно для ОГЭ/ЕГЭ: денатурация ДНК При денатурации (например, нагревании) ДНК разрушаются только слабые водородные связи (вторичная структура). Первичная структура при этом сохраняется.

Азотистые основания в двойной спирали ДНК соединяются друг с другом не случайно, а подчиняясь строгому химическому правилу — принципу комплементарности или, правилу взаимного пространственного соответствия. Из-за пространственных особенностей молекул пурин всегда встает в пару только с пиримидином. Это позволяет удерживать одинаковое расстояние между цепями по всей длине ДНК.

1. Аденин соединяется только с Тимином (A=T), две водородные связи.
2. Гуанин соединяется только с Цитозином (G=C), три водородные связи.

⚠️ Важно для ЕГЭ/ОГЭ: ДНК вирусов — исключение из правила В классической ДНК количество Аденина всегда равно Тимину (A = T), но у вирусов ДНК может быть одноцепочечной. Если в условии задачи ДНК содержит разное количество А и Т, это главный маркер того, что перед вами одноцепочечной ДНК вируса.

Математически принцип комплементарности выражается в правиле Чаргаффа, которое лежит в основе многих генетических задач:

1. ${\displaystyle A=T}$ и ${\displaystyle G=C}$ (содержание аденина равно тимину, а гуанина — цитозину).
2. ${\displaystyle A+G=T+C}$ (сумма пуриновых оснований всегда равна сумме пиримидиновых).

⚠️ Важно для ОГЭ/ЕГЭ: Г-Ц состав Поскольку пара (Г-Ц) удерживается тремя связями, она прочнее, чем пара (А-Т). Чем больше (Г-Ц) пар в молекуле ДНК, тем она устойчивее к нагреванию.

Третичная структура ДНК — это трёхмерная пространственная укладка её двойной спирали внутри клетки, обеспечивающая компактное хранение огромного объёма генетической информации. Процесс укладки молекулы ДНК называется компактизацией (или спирализацией) и происходит с участием специальных ядерных белков — гистонов. Они имеют положительный заряд, благодаря чему прочно связываются с отрицательно заряженной нитью ДНК (за счёт остатков фосфорной кислоты). Комплекс ДНК с белками-гистонами называют хроматином.

Выделяют 4 основных уровня упаковки: нуклеосомный, нуклеомерный, хромономерный, хромосомный. Степень этой упаковки напрямую зависит от того, что сейчас происходит с клеткой. В период интерфазы (между делениями) хроматин деспирализован (раскручен) и отдельные хромосомы в микроскоп не видны. Та часть хроматина с которой осуществляется транскрипция в световой микроскоп выглядит как рыхлые и светлые участки (эухроматин), а та часть, которая генетически неактивна (заблокирована для ферментов) выглядит как плотное и тёмные области (гетерохроматин). В период деления клетки ДНК максимально спирализуется (скручивается) до состояния хромосом. Из-за сверхплотной упаковки транскрипция полностью прекращается. Пика компактности хромосомы достигают в метафазе — в этот момент их подсчитывают и изучают^[7].

⚠️ Важно для ОГЭ/ЕГЭ: типы связей в ДНК

Фосфодиэфирная связь соединяет нуклеотиды внутри одной полинуклеотидной цепи, а водородная связь соединяет две комплементарные цепи ДНК между собой

Все уровни пространственной организации ДНК — от линейной последовательности нуклеотидов до сверхплотных метафазных хромосом — существуют не абстрактно, а внутри живой клетки. То, в какую именно трёхмерную форму свернётся ДНК и с какими белками она свяжется, напрямую зависит от её местоположения в клетке.

В клетках прокариот (бактерий и архей) ДНК представлена одной крупной кольцевой хромосомой, не связанной с гистонами, которая расположена в специальной зоне цитоплазмы — нуклеоиде. Также в клетке могут находиться плазмиды — маленькие дополнительные кольцевые молекулы ДНК.

В отличие от прокариот, у эукариот большая часть ДНК находится в ядре (ядерная ДНК). Там она представляет собой линейные молекулы, упакованные с помощью белков-гистонов в хромосомы. Однако небольшая часть ДНК расположена вне ядра (внеядерная ДНК) — в полуавтономных органоидах (митохондриях и пластидах). Там она имеет кольцевую форму и не связана с белками.