Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – материальный носитель генетической информации. Это высокомолекулярное природное соединение, содержащееся в ядрах клеток живых организмов. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом. Гистоны входят в состав ядер клеток и участвуют в поддержании и изменении структуры хромосом на разных стадиях клеточного цикла, в регуляции активности генов. Отдельные участки молекул ДНК соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль (рис. 7.1). Цепи  построены из большого числа мономеров четырех типов – нуклеотидов, специфичность которых определяется одним из четырех азотистых оснований:аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). Сочетатание трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК образуют генетический код. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме – мутациям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

Рис. 7.1. Структура молекулы ДНК.

Структурная модель ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком (р. 1916). Модель Уотсона–Крика позволила объяснить многие свойства и биологические функции молекулы ДНК. За расшифровку генетического кода Дж. Уотсон, Ф. Крик и английский биофизик М. Уилкинс (р. 1916), впервые получивший высококачественную рентгенограмму молекулы ДНК, удостоены Нобелевской премии 1962 г.

ДНК – это удивительное природное образование со спиральной симметрией. Длинные переплетенные нити цепочечной структуры ДНК состоят из молекул сахара и фосфатов. К молекулам сахара присоединяются азотистые основания, образуя поперечные связи между двумя спиральными нитями. Вытянутая молекула ДНК напоминает деформированную винтообразную лестницу. Это действительно макромолекула: ее молекулярная масса может достигать 10⁹. Несмотря на сложное строение, молекула ДНК содержит лишь четыре азотистых основания: A,T,C,G. Между аденином и тимином образуются водородные связи. Они настолько структурно соответствуют друг другу, что аденин распознает тимин и связывается с ним, и наоборот. Цитозин и гуанин – еще одна пара аналогичного типа. В данных нуклеотидных парах таким образом А всегда связывается с Т, а С с G (рис. 7.2). Такая связь соответствует принципу комплиментарности. Число базовых пар: аденин–тимин и цитозин–гуанин, например, у человека грандиозно: одни исследователи считают, что их 3 млрд., а другие – более 3,5 млрд.

Способность азотистых оснований к распознаванию своего партнера приводит к свертыванию сахарофосфатных цепей в виде двойной спирали, структура которой экспериментально определена в результате рентгеновских наблюдений. Взаимодействия между азотистыми основаниями в высшей степени специфичны, поэтому спираль может сформироваться лишь в том случае, если последовательности оснований в обеих цепях полностью идентичны.

Сахарофосфатную группу вместе с одним из азотистых оснований А, Т, С или G, образующую нуклеотид (рис.7.3), можно представить в виде своеобразного строительного блока. Из таких блоков и состоит молекула ДНК. С помощью последовательности нуклеотидов кодируется информация в молекуле ДНК. В ней содержится информация, необходимая, например, для производства белков, нужных живому организму.

Молекула ДНК может копироваться в процессе катализируемой ферментами репликации, заключающейся в ее удвоении. При репликации происходит разрыв водородных связей с образованием одинарных цепей, служащих в качестве матрицы при ферментативном синтезе таких же последовательностей строительных блоков. Процесс репликации включает, таким образом, разрыв старых и формирование новых водородных связей. В начале репликации две противоположные цепи начинают раскручиваться и отделяться одна от другой (рис.7.4). В точке раскручивания фермент пристраивает новые цепи к двум старым по принципу комплиментарности: Т в новой цепи располагается против А в старой и т. д., в результате образуются две идентичные двойные спирали. Вследствие относительной непрочности таких связей репликация происходит без нарушения более сильных ковалентных связей в сахарофосфатных цепях. Кодирование генетической информации и репликация молекулы ДНК – взаимосвязанные важнейшие процессы, необходимые для развития живого организма.

Генетическая информация кодируется последовательностью нуклеотидов ДНК. Основополагающие работы по расшифровке генетического кода провели американские биохимики М. Ниренберг (р. 1927), X. Корана (р. 1922) и Р. Холли (р. 1922); лауреаты Нобелевской премии 1968 г. Три последовательных нуклеотида составляют единицу генетического кода, называемую кодоном. Каждый кодон кодирует ту или иную аминокислоту, общее число которых равно 20. Молекулу ДНК можно представить в виде последовательности букв-нуклеотидов, образующих текст из большого их числа, например, АСАТ-TGGAG... В таком тексте и содержится информация, определяющая специфику каждого организма: человека, дельфина и т. д. Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Например, кодон GGU во всех организмах кодирует аминокислоту глицин. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.