Комплемента́рность (от лат. complementum – дополнение), 1. Взаимное пространственное соответствие структур двух молекул или их частей, позволяющее формировать функционально целостный комплекс за счёт водородных связей. Иногда комплементарностью называют также взаимное соответствие противоположных электростатических зарядов на молекулах и энергий сопряжённых реакций. 2. Взаимное дополнение действия нескольких генов на развитие одного признака; тип взаимодействия разных генов, проявляющийся только при наличии в генотипе доминантных аллелей всех участвующих в процессе генов.

Комплементарность в молекулярной биологии

Принцип структурной комплементарности широко распространён в живой природе – на его основе в клетках и организмах образуются макромолекулярные и надмолекулярные структуры и осуществляются важнейшие биохимические процессы.

Комплементарность ответственна за формирование стабильных белковых комплексов, состоящих из нескольких полипептидных цепей. Протомеры белков, обладающих четвертичной структурой, взаимодействуют друг с другом не только в соответствии с геометрическими характеристиками, но также по функциональным группам аминокислот, образующих ионные и водородные связи.

Комплементарные связи по принципу «ключ – замок» формируются при взаимодействиях антиген-антитело, гормон-рецептор, субстрат-фермент.

В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик представили свою модель ДНК, построенную с учётом комплементарности азотистых оснований, входящих в её состав, а в 1962 г. вместе с М. Уилкинсом стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие структуры ДНК. В соответствии с этой моделью двойные спиральные молекулы ДНК образуются за счёт водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов (аденин – тимин и гуанин – цитозин). Благодаря комплементарности более крупные пурины (аденин и гуанин) дополняют пиримидины (тимин и цитозин), имеющие меньший размер, формируя скрученную двойную спираль ДНК без риска пространственных искажений. По тому же принципу формируется структура одноцепочечных молекул РНК (пары аденин-урацил и гуанин-цитозин).

Комплементарность позволяет использовать одну из нитей ДНК в качестве матрицы для сборки другой. Этот механизм лежит в основе репликации ДНК и наследственности – способности живых организмов передавать генетическую информацию потомкам.

Использование закодированной в ДНК информации осуществляется при помощи транскрипции ДНК – формирования цепочки РНК на основе матрицы ДНК с учётом принципа комплементарности оснований. Внутренняя комплементарность отдельных участков РНК приводит к образованию шпилек – двухцепочечных структур, участвующих в регуляции транскрипции.

Обратный процесс (образование комплементарной ДНК на основе матричной РНК) протекает при помощи фермента РНК-зависимой ДНК-полимеразы (обратной транскриптазы). Метод получения комплементарной ДНК (кДНК) сегодня используют в генной инженерии, в частности для получения конкретного гена, который потом можно вставить в плазмиду (вектор). В природе кДНК образуют ретровирусы (вирус иммунодефицита человека и др.), что позволяет им создавать провирус, встраивая кДНК в геном клетки хозяина.

Комплементарность лежит в основе процессов репарации (восстановления) ДНК и исправления ошибок, возникающих в процессе репликации, а также метода полимеразной цепной реакции. Благодаря комплементарности осуществляется эпигенетический процесс регуляции генов путём подавления их экспрессии (сайленсинг генов).

Комплементарность в генетике

Явление комплементарности в генетике открыл Э. Чермак (1903), изначально назвавший его криптомерией (Tschermak. 1904). Это форма взаимодействия неаллельных генов, при котором присутствие нескольких доминантных генов приводит к формированию нового признака. Такие гены называются комплементарными, или взаимодополняющими.

На уровне развития признака комплементарность выражается в разных формах в зависимости от индивидуального проявления каждого из взаимодействующих генов. Пример комплементарности генов – наследование формы плода у тыквы, за что отвечают два гена, А и В. У рецессивных гомозигот по обоим генам (aabb) образуются удлиненные плоды. Если один из генов представлен хотя бы одной доминантной аллелью (Ааbb, ааВВ), то форма тыквины будет сферической. Если же в генотипе присутствуют доминантные аллели обоих генов (A-B-), форма плодов будет дисковидной.