Том 1 (Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (PDF)), страница 5

Последовательностьнуклеотидов новой цепи комплементарна последовательности старой, родительской, цепи, а направленность сахаро-фосфатного остова вновь синтезированной цепи ДНК противоположна родительской:например, последовательности GTAA… в исходной нити соответствует последовательность …TTAC в новой. г) В норме молекула ДНК состоит из двух таких комплементарных цепей. Нуклеотиды в пределахкаждой цепи связаны между собой прочными (ковалентными) химическими связями; комплементарныенуклеотиды противоположных цепей удерживаются вместе слабыми водородными связями.

д) Обе цепизакручены одна вокруг другой таким образом, что образуют двойную спираль — устойчивую структуру,которая может вместить в себя любую последовательность нуклеотидов, не изменяя при этом своегоосновного строения.Глава 1. Клетки и геномы 39матрице, то есть новой копии наследственной информации (рис. 1.3). В клеткахразных типов этот процесс – репликации ДНК – происходит с разной скоростью,с использованием разных средств управления, необходимых для его запуска и остановки, и с привлечением разных вспомогательных молекул, способствующих егопротеканию. Но основы процесса универсальны: ДНК — хранилище информации,а матричная полимеризация — способ, которым эта информация копируетсяво всем живом мире.1.1.3.  Все клетки преобразуют часть своей наследственнойинформации в одинаковую промежуточную форму (РНК)Чтобы выполнять возложенную на нее функцию хранения информации, ДНКдолжна делать нечто большее, чем просто копировать себя перед каждым делениемклетки сообразно только что описанному механизму.

Помимо этого, она должнавыразить, или, говоря научным языком, экспрессировать, свою информацию, чтобы направлять синтез других молекул в клетке. Этот процесс также происходитза счет действия механизма, общего для всех живых организмов, который преждевсего обеспечивает производство полимеров двух других ключевых классов: РНКи белков. Процесс начинается с матричной полимеризации, называемой транскрипция, в ходе которой сегменты последовательности ДНК используются в качествематриц, направляющих синтез более коротких полимерных молекул, близких поприроде к ДНК, — рибонуклеиновой кислоты, или РНК. Позже, в более сложномпроцессе, трансляции, многие из этих молекул РНК будут использованы для того,чтобы направлять синтез полимеров совершенно иного химического класса — белков (рис.

1.4).В РНК основная цепь сформирована из сахара, немного отличающегося от такового в ДНК — рибоза вместо дезоксирибозы, — и одно из четырех основанийнемного отличается по своей природе — урацил (U) вместо тимина (T); но другиетри основания: A, C и G — те же самые, и все четыре основания спариваютсяс комплементарными им «парами» в ДНК: A, U, C и G РНК соответственно с T,A, G и C ДНК. В процессе транскрипции мономеры РНК выстраиваются в очередьи отбираются для полимеризации на матричной нити ДНК по тому же принципу,что и мономеры ДНК во время репликации.

Поэтому в итоге образуется полимерная молекула, последовательность нуклеотидов которой в точности воспроизводитРис. 1.3. Дублирование генетической информации путем репликации ДНК. В ходе этого процесса двецепи двойной спирали ДНК расходятся, и каждая служит матрицей для синтеза новой комплементарнойцепи.40Часть 1. Введение в мир клеткиРис.

1.4. От ДНК к белку. Генетическая информация считывается и вводится в использование посредством двухступенчатогопроцесса. Сначала, на этапе транскрипции, сегменты последовательности ДНК используются для того, чтобы направлятьсинтез молекул РНК. Затем, во время трансляции, молекулыРНК используются для того, чтобы направлять синтез молекулбелка.часть генетической информации клетки, правда,записанной немного иным алфавитом, состоящимиз мономеров РНК вместо мономеров ДНК.Один и тот же сегмент ДНК может использоваться неоднократно и направлять синтез множества идентичных друг другу РНК-транскриптов.Таким образом, если архив генетической информации клетки в форме ДНК является неизменными неприкосновенным, то РНК-транскрипты выпускаются серийно, в  большомколичестве и предназначены для одноразового использования (рис.

1.5). Как мыувидим, главная роль большинства этих транскриптов — служить промежуточнымзвеном в передаче генетической информации: они представляют собой информационные, или матричные, РНК (мРНК), которым предписано направлять синтезбелков согласно генетическим инструкциям, хранящимся в ДНК.Молекулам РНК присущи характерные структуры, которые могут обусловливать индивидуальные химические свойства молекулы.

Поскольку молекулыРНК одноцепочечные, их остов довольно гибкий, так что полимерная цепь можетзагибаться на себя, что позволяет разным участкам одной и той же молекулы образовывать между собой слабые связи. Это происходит, когда сегменты последовательности локально комплементарны: например, сегмент …GGGG… будет стремитьсяпримкнуть к сегменту …CCCC…. Внутренние объединения такого типа могутРис. 1.5. Как реализуется генетическая информация клетки. Каждая клетка содержит постоянный набор молекул ДНК — ее архив генетической информации.

Определенный сегмент этой ДНК направляетсинтез большого числа идентичных РНК-транскриптов, которые служат рабочими копиями информации,хранящейся в этом архиве. Благодаря тому что транскрипция может проходить избирательно, на отдельных участках длинной последовательности ДНК может быть получено множество различных наборовмолекул РНК; на клеточном уровне это означает: каждая клетка может использовать одинаковое для всеххранилище информации по-своему и, кроме того, по-разному при различных обстоятельствах.Глава 1. Клетки и геномы 41вынуждать цепь РНК принимать определенную форму (конформацию), котораяпредписана ее нуклеотидной последовательностью (рис. 1.6).

А присущая молекулеРНК конформация, в свою очередь, позволяет ей узнавать другие молекулы и избирательно с ними связываться — а в некоторых случаях даже катализироватьхимические процессы в молекулах, с которыми она связывается. Как мы увидимв дальнейшем, несколько химических реакций, катализируемых молекулами РНК,являются ключевыми в некоторых самых древних и фундаментальных процессах,происходящих в живых клетках, на основании чего высказано предположение, чтоосуществляемый РНК всесторонний катализ играл центральную роль на раннихэтапах эволюции (обсуждается в главе 6).1.1.4.  Все клетки используют белки в качестве катализаторовМолекулы белка, подобно молекулам ДНК и РНК, представляют собойдлинные неразветвленные полимерные цепи, образованные за счет связываниямономерных звеньев, отобранных из стандартного ассортимента, общего для всехживых клеток. Как и ДНК и РНК, они несут в себе информацию в форме линейнойпоследовательности символов — таким же образом, как сообщение человека, записанное с помощью букв.

В каждой клетке находится много различных белковыхмолекул, и, без учета воды, они составляют бóльшую часть массы клетки.Мономеры белка, аминокислоты, сильно отличаются от мономеров ДНКи РНК и представлены 20-ю типами вместо 4-х. Любая аминокислота построенана  основе одной и той же постоянной для всех них структуры, которая и обеспечивает единообразный способ соединения любых аминокислот друг с другом;к этому ядру прикреплена боковая группа, которая и придает каждой аминокислотеРис. 1.6. Конформация молекулы РНК.

а) Образование пар между нуклеотидами, находящимисяв различных областях одной и той же полимерной цепи РНК, придает молекуле своеобразную форму.б) Трехмерная структура молекулы РНК вируса гепатита-дельта, которая катализирует расщепление цепи.Голубая лента – это сахарофосфатный остов РНК, а планки – спаренные основания. (Рисунок б выполненна основании иллюстрации из статьи A. R. Ferré D'Amaré, K. Zhou и J. A. Doudna, Nature 395: 567–574, 1998.С разрешения издательства Macmillan Publishers Magazines Ltd.)42Часть 1.

Введение в мир клеткиотличительные химические свойства. Все белковые молекулы, или полипептиды,создаются за счет соединения аминокислот в специфическую последовательность,которая сворачивается в точно предписанную трехмерную форму с реакционноспособными участками на поверхности (рис. 1.7, а). Устроенные таким образом,эти аминокислотные полимеры с высокой специфичностью связываются с другимимолекулами и, выступая в роли ферментов, катализируют реакции, в ходе которых образуются и разрываются ковалентные связи.

Тем самым они направляютподавляющее большинство химических процессов в клетке (см. рис. 1.7, б). Белкивыполняют также массу других функций: поддерживают структуру, обеспечиваютдвижение, передают сигнал и так далее; при этом каждая молекула белка выполняетопределенную функцию согласно собственной, генетически заданной аминокислотной последовательности. Но прежде всего белки — это молекулы, которые вводятв действие генетическую информацию клетки.Итак, полинуклеотиды определяют последовательность аминокислот в соответствующих белках. Белки, в свою очередь, катализируют множество химическихреакций, включая и  те, в ходе которых синтезируются новые молекулы ДНК,Рис.

1.7. Принцип действия молекулы белка как катализатора химической реакции. а) Полимернаяцепь белковой молекулы сворачивается в специфическую форму, которая «предписана» ее аминокислотной последовательностью. Бороздка на поверхности представленной на этом рисунке свернутоймолекулы, фермента лизоцима, формирует каталитический участок. б) Молекула полисахарида (красная) — полимерная цепь из мономеров сахаридов — связывается с каталитическим участком лизоцимаи расщепляется в результате разрыва ковалентных связей, катализируемого аминокислотами, выстилающими бороздку.Глава 1. Клетки и геномы 43а генетическая информация, записанная в ДНК, используется для синтеза РНКи белков. Такая петля обратной связи лежит в основе процессов автокатализа и самовоспроизводства, что присуще всем живым организмам (рис. 1.8).Рис.