ДНК: На что похожа главная молекула нашего тела

Как все порядочные популяризаторы науки, 25 апреля мы празднуем международный день ДНК. В этом году исполняется 65 лет со дня открытия удивительной спирали, которая делает нас такими, какие мы есть.

Сегодня мы попробуем с помощью простых слов и сравнений описать сложнейшую вещь. Надеемся, что после нашей статьи дезоксирибонуклеиновая кислота (стоит научиться произносить это однажды, и вы будете удивлять знакомых всю оставшуюся жизнь) станет вам ближе и понятнее.

Итак, на что же похожа ДНК?

На штопор

ДНК вовсе не простая верёвочная лестница, как можно подумать. Эта лестница завита в правую спираль. Она напоминает штопор, но штопор двойной — такие редко, но встречаются. Каждая из нитей ДНК образует правую винтовую линию, точь-в-точь как на штопоре. Азотистые основания четырёх типов, в последовательности которых и заключена генетическая информация, образуют как бы начинку этого штопорообразного кабеля. На поверхности кабеля располагается сахарофосфатный остов полимерных цепей, из которых состоит ДНК.

На оконное стекло

ДНК — это изолятор, вроде оконного стекла. Да она и прозрачна, как стекло. Водный раствор ДНК (а в воде она растворяется очень хорошо) просто прозрачная жидкость. Этим сходство со стеклом не заканчивается. Обычное стекло, в том числе и оконное, прозрачно для видимого света и очень сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. ДНК тоже их поглощает в этой части спектра. Но в отличие от стекла, которому ультрафиолетовые лучи не вредны, ДНК к ним очень чувствительна.

Ультрафиолет настолько губителен для молекулы ДНК, что клетка выработала в ходе эволюции специальную репарирующую систему, которая залечивает повреждения.

Она плавится, но не так, как лёд

Лёд представляет собой кристалл, построенный из молекул Н2О. В нём царит строгий порядок, при котором молекулы воды связаны друг с другом максимально возможным числом так называемых водородных связей (Н-связей). Некоторые из этих связей рвутся, другие деформируются при переходе воды в жидкое состояние. При нагревании молекулы воды ради полной свободы жертвуют связями друг с другом — происходит переход из жидкого в газообразное состояние. Вообще, с ростом температуры вещества проявляют готовность пожертвовать энергией связи между молекулами ради увеличения энтропии. Так же и ДНК — с ростом температуры существование двойной спирали становится невыгодным. Связи рвутся, и из одной двунитевой молекулы образуется две однонитевые цепи. ДНК это выгодно, потому что, не будучи связанной с комплементарным партнёром, каждая цепь чувствует себя гораздо свободнее и может приобретать намного больше различных конфигураций в пространстве.

Сами нити ДНК порвать нагреванием нельзя — связи, соединяющие нуклеотиды в цепочку, настолько прочны, что их можно разрушить либо сильной кислотой, либо порезать ферментами нуклеазами.

Несмотря на аналогию, плавление ДНК принципиально отличается от плавления льда. Отличие состоит в том, что ДНК плавится в широком интервале температур; этот интервал равен нескольким градусам, а лёд тает строго в одной точке на шкале температур. Это так называемый фазовый переход. При таком переходе скачкообразно изменяется фазовое состояние вещества — из твёрдого оно становится жидким, из жидкого — газообразным.

На путь человека, заблудившегося в лесу

Почему человек, который старается идти по лесу только вперёд, обязательно заблудится? Почему он вновь и вновь будет возвращаться на место, где уже побывал?

Человек старается идти прямо, но, не имея перед собой удалённых ориентиров, постоянно сбивается с прямой линии. Эта потеря памяти о первоначальном направлении происходит тем быстрее, чем гуще и однообразнее лес. Путь человека при этом носит случайный характер и вовсе не выглядит движением по кругу.

Конечно, человек лишь постепенно отклоняется от исходного направления, он не движется зигзагами, если только не пьян. Путь пьяного и впрямь очень похож на зигзагообразную ломаную. Впрочем, даже если наш путник абсолютно трезв, но не имеет удалённых ориентиров, то его путь в лесу в конечном счёте будет очень похож на ломаную линию.

Блуждают не только люди. Блуждают и молекулы — они стараются двигаться прямо, но из-за столкновений друг с другом их путь искривляется. Так возникает знаменитое броуновское движение.

Всё это имеет самое непосредственное отношение к ДНК. Подобно пути человека в лесу и частицы в среде, молекула ДНК стремится вытянуться в одну прямую линию, так как это отвечает минимуму её энергии. Но тепловое движение портит всё дело. Молекулу ДНК бомбардируют окружающие молекулы воды, и она начинает извиваться подобно червяку, скрючивается в полимерный клубок, постоянно меняющий форму. Поэтому двуспиральная ДНК, если она достаточно длинна, свёрнута чаще всего в клубок.