НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Нуклеиновые кислоты являются непериодическими полимерами.
Различают два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновую
(ДНК) и рибонуклеиновую (РНК). ДНК содержится главным образом в составе хромосом клеточного ядра; РНК находится и в ядре, и в цитоплазме.
ДНК
Во всех живых организмах (за исключением некоторых вирусов)
наследственная информация передается из поколения в поколение с
помощью молекул ДНК. Каждая клетка организма человека содержит
примерно 2 метра ДНК. Обычно ДНК состоит из двух комплементарных цепей, формирующих двойную правостороннюю спираль. Напомним, что каждая цепь представляет собой линейный полинуклеотид, состоящий из четырех азотистых оснований: аденина (А), гуанина (G), тимина (Т) и цитозина (С). При формировании двойной спирали ДНК А одной цепи всегда спаривается с Т другой, а G — с С. Эти основания называются комплементарными. Принцип селективности этой связи чрезвычайно прост и определяется принципом наличия свободного пространства. Дело в том, что спиральная лестница ДНК зажата с двух сторон в ограничивающие ее «перила», состоящие из сахара (дезоксирибозы) и фосфатных групп. Пары А-Т и G-С вписываются в «межперильное» пространство безукоризненно, а вот любые другие пары вписаться просто не могут— не помещаются.
Так, по своим геометрическим размерам аденин и гуанин (длиной 12
ангстрем каждый) значительно крупнее тимина и цитозина, длина
каждого из которых составляет 8 ангстрем. Расстояние же между «перилами» всюду одинаково и равно 20 ангстремам. Так что пары А-Т и G-С неслучайны: их структура определяется как размером (одно основание должно быть маленьким, а другое — большим), так и химическим строением азотистых оснований. Очевидно, что две цепи ДНК комплементарны друг другу.
Две цепи ДНК соединены друг с другом водородными связями,
объединяющими пары нуклеотидов. А спаривается с Т двойной водородной связью, a G с С — тройной. Водородные связи относительно
непрочны; под воздействием определенных химических агентов они
легко как разрушаются, так и восстанавливаются. Американский генетик Р. Левонтин, описывая природу связей в молекуле ДНК, предложил удачный образ застежки-молнии, которая многократно расстегивается и застегивается без каких-либо повреждений самой молекулы.
Особенности макромолекулярной структуры ДНК были открыты
американскими учеными Д. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Согласно
разработанной ими трехмерной модели структуры ДНК, шаг спирали
ДНК составляет примерно 34 ангстрема, а каждый ее виток содержит
10 нуклеотидов, расположенных на расстоянии 18 ангстремов друг от
друга.
ДНК обладает свойством ковариантной редупликации, т.е. ее молекулы способны копировать сами себя с сохранением возникших в них изменений. Это удвоение происходит в ходе процессов, которые
называются митозом и мейозом (см. гл. I). В процессе удвоения (репликации) ДНК, который осуществляется с участием ферментов, двойная спираль ДНК временно раскручивается, и происходит построение новой цепи ДНК (комплементарной старой).
Структура ДНК динамична: двойная спираль находится в постоянном движении. Самые быстрые из известных нам процессов, разворачивающихся в ДНК, связаны с деформацией связей в каждой из ее цепей; эти процессы занимают пикосекунды (10 -12 с). Разрушение и создание связей между комплементарными основаниями — процессы более медленные; они занимают от тысячной доли секунды до часа.
Одной из поразительных особенностей ядерной (хромосомной) ДНК является то, что она — не простой набор множества генов. В ДНК высших организмов много последовательностей, которые ничего не
кодируют. В организме человека эти последовательности составляют
примерно 80-90% всей ядерной ДНК, так что кодирующие последовательности — скорее исключение, чем правило. Некодирующие последовательности ДНК служат удобным источником так называемых полиморфных маркёров.
Малые ДНК. В клетках ядро является не единственным «местом» в организме, где можно найти ДНК. Митохондрии — органеллы, находящиеся не в ядре клетки, как хромосомы, а в цитоплазме, тоже имеют собственную ДНК, но в целом митохондриальной ДНК в клетке значительно меньше, чем ядерной. В разных организмах количество митохондриальной ДНК не одинаково, оно изменяется от организма к организму. Например, митохондриальная ДНК человека содержит 16 569 пар нуклеотидов. Несмотря на то что в каждой клетке имеется несколько тысяч митохондрий, а организм высших животных построен из миллиардов клеток, митохондриальный геном каждой конкретной особи, по-видимому, одинаков во всех ее митохондриях. Это позволяет
использовать митохондриальную ДНК в популяционных и эволюционных генетических исследованиях.
РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК) содержится как в одно-, так и в
двуцепочечных молекулах. РНК отличается от ДНК тем, что она содержит рибозу вместо дезоксирибозы и урацил (U) вместо тимина.
В соответствии с функцией и структурными особенностями различают несколько видов молекул РНК, два из которых — матричная, или информационная, РНК (мРНК, или иРНК) и транспортная РНК (тРНК). Матричная РНК принимает участие в транскрипции гена, транспортная — в его трансляции. Правильная «сборка» последовательности аминокислот в белковую цепь происходит с помощью рибосом — специальных частиц в цитоплазме клеток; они содержат третью форму РНК — рибосомную РНК.
ТРАНСКРИПЦИЯ
При самокопировании ДНК каждая из ее цепочек играет роль
образца для создания дополнительной к ней цепочки. Подобным же
образом при образовании молекулы матричной РНК одна из цепочек
ДНК служит образцом для построения дополнительной к ней цепочки, но уже не из нуклеотидов ДНК, а из нуклеотидов РНК. Иными словами, последовательность нуклеотидов строящейся цепочки РНК
определяется последовательностью нуклеотидов молекулы ДНК.
Синтез молекулы мРНК по матрице ДНК называется процессом
транскрипции.
Молекула мРНК имеет одноцепочечную структуру. Механизм ее
образования подобен тому, который используется при репликации
(самокопировании) ДНК. После окончания транскрипции мРНК покидает ядро и выходит в цитоплазму клетки, перемещаясь к
рибосомам — «фабрикам» по производству белков. На рибосомах и
осуществляется синтез белков.
ТРАНСЛЯЦИЯ
Молекула белка представляет собой цепочку аминокислот. Аминокислотами называются органические (карбоновые) кислоты, содержащие, как правило, одну или две аминогруппы (-NH2) и кислотную группу СООН (отсюда и название — аминокислоты). Друг от
друга аминокислоты отличаются химической группой, называемой
радикалом (R).
Белки синтезируются с помощью ферментов путем соединения
аминокислот так называемой пептидной связью: СООН-группа одной
молекулы аминокислоты присоединяется к NH2-группе другой (при
этом выделяется молекула воды). Данный процесс чрезвычайно сложен, но его скорость удивительна — аминокислоты строятся в цепочки полипептидов (белков) со скоростью примерно 100 аминокислот в секунду. В среднем белки содержат 100-1000 аминокислот, и от того, какова последовательность аминокислот в этих длинных цепях, зависят структура и функция данного белка. Любая аминокислота одинаково хорошо соединяется с любой другой (в том числе и с такой же); при этом взаимодействуют между собой одинаковые у всех аминокислот группы атомов NH2 и СООН. Благодаря этой способности аминокислот могут образовываться длиннейшие цепи.
Как же осуществляется синтез белков? Оказывается, что для описания строения конкретного белка достаточно указать последовательность аминокислот: какая из них занимает первое место, какая — второе, третье и т.д. Например, строение белка инсулина таково:
аланин — лизин — пролин — … — лейцин — аланин …
Последовательность нуклеотидов в ДНК, а затем и в мРНК определяет, какой должна быть последовательность аминокислот, т.е. каким будет строение данного белка. Одна цепь ДНК содержит информацию о химическом строении значительного числа различных белков. Таким образом, последовательность оснований мРНК кодирует последовательность аминокислот. Сведения о строении белков — это
«зерно» информации, передаваемой потомкам из поколения в поколение; кодирование аминокислот нуклеотидами и называется кодированием наследственной информации.
Всего существует 64 возможных тройки нуклеотидов (43= 64), кодирующих 20 аминокислот. Некоторые из нуклеотидных комбинаций
играют роль «дорожных знаков», регулирующих синтез белка (например, кодируя стоп-сигнал — сигнал окончания транскрибированной последовательности). При этом излишние комбинации нуклеотидов могут либо вообще не использоваться при кодировании наследственной информации, либо служить дополнительными (синонимическими) способами записи тех же самых аминокислот.
«Сборка» молекулы белка из аминокислот обеспечивается весьма
сложным механизмом, главным образом в рибосомах — особых органеллах клетки, находящихся в цитоплазме. Рибосомы примерно наполовину состоят из рибонуклеиновой кислоты (отсюда и их название).
Напомним, что в процессе транскрипции формируется мРНК,
которая комплементарна определенному участку ДНК. В ходе трансляции нуклеотидная последовательность мРНК выступает как основа, матрица для синтеза белка. «Считывание» последовательности мРНК происходит группами по 3 нуклеотида. Каждая аминокислота соответствует определенному сочетанию трех оснований — так называемому триплету (отсюда — триплетный код), или кодону.
«Сырье» (аминокислоты), необходимое для синтеза белка, находится в цитоплазме. Доставка аминокислот к рибосомам производится с помощью сравнительно небольших специальных молекул транспортной РНК (тРНК). Небольшими эти молекулы, состоящие
примерно из сотни нуклеотидов, можно считать только по сравнению
с матричной РНК, состоящей из тысяч нуклеотидов.
Для каждой из двадцати аминокислот имеется свой тип молекулы
тРНК, которая обеспечивает доставку данной аминокислоты в рибосому. Синтез белка происходит при движении рибосомы вдоль цепочки мРНК. При этом молекулы тРНК, несущие аминокислоты, выстраиваются, согласно коду молекул мРНК, в цепочку, параллельную
матричной РНК. Кодон мРНК, представляющий собой триплет GUA, соединяется с молекулой тРНК, несущей аминокислоту валин. Молекула тРНК доставляет эту аминокислоту к концу растущей белковой цепочки и присоединяет валин к лейцину. Следующий
кодон мРНК, UAC, привлекает молекулу тРНК, несущую аминокислоту тирозин.
Процессы транскрипции и трансляции можно описать, использовав метафору французского ученого проф. К. Элена. На «фабрике» (в клетке) чертежи хранятся в «библиотеке» (в ядре), а для «выпуска
продукции» (белков) используются не сами «чертежи» (ДНК), а их
«фотокопии» (мРНК). «Копировальная машина» (РНК — полимераза) выпускает или по одной «страничке фотокопии» (ген), или сразу
целую «главу» (набор генов с близкими функциями). Изготовленные
«копии» выдаются через специальные «окошки» (поры ядерной мембраны). Затем их используют на «монтажных линиях» (рибосомы) с
«дешифратором» (генетический код) для получения из «заготовок»
(аминокислот) окончательной «продукции» (белка).
