Первичная возможность для сбережения и копирования генетической информации заключена уже в пространственной структуре этого необычного полимера, который в клетке никогда не бывает представлен одиночной нитью, но всегда имеет форму спирали из двух разнонаправленных молекул, подходящих, или, как говорят ученые, «комплементарных», друг другу так, чтобы образовывать красивую симметричную и стабильную структуру. За ее предсказание и описание в свое время ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик получили Нобелевскую премию.
Симметрия пространственной структуры ДНК достигается за счет того, что напротив остатков большего размера аденина (А) и гуанина (G) всегда стоит остаток меньшего объема тимина (Т) и цитозина (С).
Стабильность достигается за счет того, что напротив одного остатка, способного образовывать две или три водородные связи, всегда стоит второй с аналогичными свойствами (А — Т, G — C), чтобы ни одна возможность для образования связи не оказалась утраченной. Кроме того, уложив аккуратными стопочками внутри спирали массивные и гидрофобные (жирные, буквально — «боящиеся воды») нуклеотиды и выставив наружу полярные, «дружащие с водой», остатки фосфорной кислоты молекул, ДНК также увеличивает свою стабильность.
Принцип комплементарности приводит к тому, что, зная последовательность одной (любой) нити ДНК, вы всегда можете достроить вторую, комплементарную ей, нить. Именно это происходит при делении клетки, когда генетическая информация удваивается.
Но для нас сейчас важнее то, как спиральная структура ДНК помогает сохранению генетической информации. С одной стороны, она изолирует нуклеотиды (последовательность которых, собственно, и является значимой, «кодирующей» частью полимера) внутри спирали, защищая их от химических воздействий и модификаций. С другой — любая «неправильность» в спаривании «неподходящих остатков», например А — С или С — С, тут же приведет к нарушению регулярной структуры спирали и с легкостью может быть обнаружена и исправлена.
Благодаря большому количеству остатков фосфорной кислоты молекула ДНК в воде имеет отрицательный «кислотный» заряд, и, чтобы скомпенсировать его и привести молекулу в более «нейтральное», а значит, менее активное в химическом смысле состояние, клетка использует специальные белки гистоны, богатые положительно заряженными «щелочными» аминокислотными остатками, которые образуют белковый комплекс нуклеосому. Спираль ДНК наматывается на шарик нуклеосомы, образуя структуру, названную наблюдательными биологами «бусины на нитке». Потом эти бусины упаковываются в более плотную структуру — фибриллу, фибрилла, в свою очередь, сворачивается и перекручивается и т. д. В результате образуется хроматин — комплекс из ДНК и белков, который позволяет упаковать наследственную информацию одновременно и плотно, и упорядоченно, а молекулы белков хроматина еще и надежно защищают хрупкую молекулу ДНК от воздействия повреждающих факторов. При этом разные части клеточного хроматина могут быть упакованы с разной плотностью. Гены, активные в данном типе клеток, будут находиться в участках рыхлого хроматина, где они доступны для взаимодействия с белками, а вот «спящие гены» окажутся уложены более плотно.
