Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 16
Текст из файла (страница 16)
1 А:.,и. т..'~ Старая Новая Новая Старая цепь 1 цепь 2 цепь 1 цепь 2 Рис. 1-30. Комплементариость двух цепей ДНК. ДНК вЂ” линейный полимер из соединенных ковалентной связью дезоксирибонуклеотидов четырех типов: дезоксиаденилзта (А), дезоксигуанилата (О), дезоксицитидилата (С) и дезоксктимидилата (Т). Каждый нуклеотид имеет специфическую трехмерную структуру и способен специфически (некаеалентно) связываться с одним нуклеотидом в комплементарной цепи: А всегда образует пару с Т, а О образует пару с С Таким образом, в двухцепочечной молекуле ДНК полная последовательность нуклеотидов одной цепи комплементар. на последовательности другой цепи.
Две цепи (или нити) удерживаются вместе водородными связями (показаны вертикальными светло-синими черточками), образованными между всеми парами нуклеотидов. Кроме того, две цепи ДНК обвивают одна другую, образуя двойную спираль. Нрк репликации (удвоении) ДНК две нити (синие) расхадятгл и синтезируются две новые (красные), каждая из которьп комплементарна одной из исходных нитей. В результате образуются две двуспиральные молекулы ДНК идентичные исходной молекуле. 1.4 Генетические основы биохимии 1531 двух дочерних клеток. Если одна пить повреждена, неизменность генетической информации обеспечивается наличием второй нити, служащей матрицей для репарации (восстановления) повреждения.
Линейная последовательность ДНК кодирует белки с трехмерной структурой Информация в ДНК закодирована в виде линейной (одномерной) последовательности дезоксирибонуклеотцдных звеньев, однако экспрессия этой информации приводит к образовапито трехмерных клеточных структур. Этот нерехол от одного к трем измерениям происходит в два этапа. Линейная последовательность дезоксирибонуклеотидов в ДНК кодирует (через промежуточную стадию образования РНК) белок с соответствующей линейной последовательностью аминокислот (рис. 1-31). Белок принимает опрелеленную трехмерную форид которая определяется его аминокислотной последовательностью и стабилизируется в первую очередь нековалентными взаимодействиями.
Хотя окончательная форма свернутого белка диктуется его аминокнслотной последовательностью, для процесса сборки (фолдинга) необходима помощь «молекулярных шаперонов» (см. рис.4-29). Точная трехмерная структура белка,т.е.его нативнвя конформация, является необходимым условием нормального функшюнирования. Белок в нативной конформации может образовывать нековалентные комплексы с другими иакролюлскуламн (другими белками, нуклсиновыми кислотами или липидами), в результате чего возникают такие надмолекулярные структуры, как хромосомы, рибосомы и мембраны. Молекулы, входящие в состав этих комплексов, имеют специфические высокоаффинные участки для связывания других молекул этого комплекса, так что внутри клетки они могут спонтанно собираться в целыс рабочие комплексы. Хотя сама белковая последовательность несет необходимую информацию для правильного свертывания и принятии нативной конформации, тем не менее успешное выполнение этой процедуры зависит от внутриклеточных условий — рН, ионной силы, концентрации ионов металлов и т.д.
Таким образом, самой по себе последовательности ДНК недостаточно для образования клеточных структур. Ген гекспкннззы ДНК Транскрипция ДНК в коыплементзрную РН К Матричнзя РНК~Ь~~Ь~~ ф ~~ | Трансляция РНК в полипептндную цепь на рнбпсоые Неупакге ванная гексокипаза Укладка пплнпептнлной цепи в гекспкнпззу е нативной конформации АТР «глкжозз ',. ДНР + глюкпзо- 6-фосфзт Кзтзлнтнчески активная тек«окинава Рис. 1-31. От ДНК к РНК, от РНК н белку и далее к ферменту (на примере гвксокиназы). Линейная последовательность дезоксирибонунлеотидов в ДНК нодируюшая фермент гексониназу, сначала траиснрибируется в номплементарную последовательность рибоиунлеотидов (РНК). Далее последовательность РНК (матричная, или информационная, РНК) транслируется в линейную белковую цепь, которая принимает строго определенную пространственную структуру, вероятно, при участии молекулярных шаперонов.
Принявшая иативную конформацию молекула гексониназы обладает наталитичесной активностью: она катализирует фосфорилирование глюкозы, используя АТР в качестве донора фосфорильной группы. Краткое содержание раздела 1.4 ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОХИМИИ ° Генетическая информация закодирована в линейной последовательности четырех типов дезоксирибонуклеотидов в составе ДН К.
° Двойная спираль ДНК служит матрицей для собственной репликации и репарации. ° Линейная последовательность аминокислот в белке, закодированная в гене данного белка, определяет уникальную трехмерную сгрук- ]54] 1. Основы биохимии туру белка, которая также зависит от внутри- клеточных условий.
° Некоторыс макромолекулы с высоким сродством к другим макромолекулам способны самостоятельно образовывать надмолекулярные комплексы. 1.5. ЭВ«>ЛН)й]И«>ИИЫЕ (>СИ()ВЫ бИОммм1ИИ Биологические явления обретают смысл, если их рассматривать через призму эволюции. Феодосий Доб>ланский, преподаватель биологии, март 1973 Огромный прогресс в биохимии и молекулярной биологии, произошедший в последние десятилетия, лишь подтвердил замечательное обобщение Добжанского. Уливительное сходство метаболических процессов и последовательностей генон у самых разных организмов строго доказывает, что все существующие сегодня организмы имеют общего эволюционного предшественника и произошли от пего в результате ряда небольших изменений (мутаций), каждое из которых обеспечивало определенному организму преимущество в конкретной экологической нише.
Изменения наследственной информации создают возможность для эволюции Несмотря на практически безукоризненную точность репликации, иногда в этом процессе случаются ошибки, приводящие к изменениям нуклеотидной последовательности ДНК, т. е. генетическим мутациям (рис. (-32), изменяющим генетическую программу того или иного компонента клетки.
Неверно исправленное повреждение одной из цепей ДНК приводит к такому же неправильному результату. Передаваемые по наследству мутации ДНК, т. е. мутации в репродуктивных клетках, могут оказаться для нового организма или клетки опасными или лаже лстачьными. Например, мутация может привести к синтезу аномального фермента, который пе способен катализировать важную метаболичегкук> реакцию. Однако иногда возникают мутации, помогающие организмам или клеткам выживать в определенных условиях.
Мутантный фермент, например, может иметь несколько иную специфичность, позволяю>цую ему использовать субстрат, который клетка ранее не могла метаболизировать. Если популяция мутаптных клеток окажется в условиях, когда этот субстрат является единственным или преобладакпцим, она получит преимушество перед остальными немутировавшими клетками (клетками дикого типа). Мутантная клетка и ее потомство выживут и Г>удут процветать в таких новых условиях, а клетки дикого типа будут голодать и постепенно исчезнут.
Этот феномен Дарвин назвал «выживанием наиболее приспособленного организма в условиях отбора», по сути это процесс природной селекции. В результате ошибки при репликации хромосомы в нее может встраиваться вторая полная копия гена. Вторая копия является избыточной, я такие мутации не очень опасны. Это один из способов, позволяющий клеткам эволюционировать: возникает новый геп с новыми функциямп пря сохранении исходного гена с прежними (обычными) функциями. С этой точки зрения молекулы ДНК современных организмов являются историческими документами, запечатлевшими долгий путь от самых первых клеток к сегодняшним видам.
Однако исторический «отчет» ДНК нелеп ныи: в ходе эволюции многие мутации должны были исчезнуть. Но тем нс менее молекулы ДНК являются лучшим документом истории биологии, имеющимся в нашем распоряжении. Чапота ошибок при репликации ДНК ие может быль слишком высокой, поскольку это привело бы к нежизнеспособности следующего поколения клеток, но не ъюжет быть и слишком низкой, по- скольку тогда исключается возможность генетической изменчивости, позволяющей выживших мутантам приспосабливаться к новым условная обитания. Несколько миллиардов лет адаптивного отбора научили клетки извлекать максимум выгоды из химических и физических свойств молекуз потребляемых веществ. Удачные генетические изменения в отдельных организмах популяции я сочетании с естественным отбором (выживанпсм и воспроизведением ор>анизмов, наилучшим образом приспособившихся к изменившимся условиям обитания) привели к возникновению огромного разнообразия современных организмов, каждый из которых адаптирован к существованию в опрелелеппой экологической нише.
1.5 Эволюционные основы биохимии [55] Гси гексокипазы ДИК Исхолный ген Редкая ошибка, возиик1г~ая во вре- мя Репликацни ДНК, приводит к копированию гена гсксокиназм Копия гена Омъ('.у[,')я~у~р[ Вторая редкая ошибка приводит к мутации я копии гена гексокиназы Мутация экспрессия мутантной копии гена зкспрсссжя игходпого гена АТР+ глюкоза ,:, Агу Р +. глюкозо 6-фас фат АТР ч гзлзктозз ., АГЭР + гзлзкгозо- 6-фосфзт Исходная гексокиназа (ыс мстаболизируст пшахтозу) Ыугантцая гсксокиназз с некоторой субстратпой специфичностью к гзлзкз озс Рис. 1-32.
Репликация ДНК и мутации: возможный пусь появления новой фермеитативиой активнопи. В данном примере рассматривается возможность случайного события, когда ген гексокинаэы в гипотетическом организме при реплииэции ДНК копируется дважды. В результате такой организм несет в себе две полные копии гена гексокиназы, одна из которых не нужна. В ходе множества клеточных делений ДНК двух генов гексокиназы продолжает реплицироваться, причем в этом процессе возможны случайные редкие ошибки, приводящие к изменениям последовательности одной копии и кодируемого ею белка.
Очень редкое, но возможное событие: измененный белок получает способность связываться с новым субстратом (гадактоэа в нашем гипотетическом сяучае). Несущая такой мутантный ген клетка теперь обладает способностью метаболиэировать галахтозу, что позволит ей выжить в тех условиях, когда глюкозы в среде нет, но есть галактоэа. Если бы репликация гена не предшествовала его мутации, была бы утеряна исходная функция данного белка (метаболиэм глюкозы). Биомолекулы возникли в процессе химической эволюции Итак, мы познакомились с первой главой истории эволюции — возникновением первых живых клеток. Органические вещества, в том числе основные биомолекулы типа аминокислот и углеводов, кз которых состоят живые оргаиизмьг, обнаруживаются и земной коре, океанах и в атмосфере лишь в следовых количествах.
Каким же образом у первых живых организмов возникли столь характерные органические соединения, используемые в качестве строительных блоков? В соответствии с одной из гшютез зти соединения возникли в результате мощных атмосферных воздействий (ультрафиолетового излучения, вспышек молнии нли вулканических извержений) на газы и прсбиотической атмосфере Земли и на неорганические вещества в горячих источниках в глубинах океана. Классический опыт, иллюстрирующий абиотическое (небиологическое) происхождение органических биомолекул, был осуществлен в 1953 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
