Lenindzher Основы биохимии т.3 (1128697), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Гипотеза Уотсона-.Крика не только объяснила структуру молекулы ДНК. но и показала. каким образом эта молекула может точно реплицироваться. Это вскоре привело к формулированию цеигярильной догмы молекулярной генетики (см. рисунок), которая определяет трн главных этапа в обработке генетической информации. Первый этап — реляякацня, т.е. копирование родительской ДНК с образованием дочерних молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых комплементарна нуклеотидной последовательности родительской ДНК и однозначно определяется ею. Второй этап — транскрипция, процесс, в ходе которого часть генетической информации переписывается в форме рибонуклеиновой кислоты (РНК).
И,наконец, третий этап †трансляция, в процессе которой генетическая информация, записанная при помощи четырехбуквенного кола в РНК, переводится в рибосомах на двадцатнбуквенный код белковом структуры. В последукицнх главах мы рассмотрим, как реализуются все зги этапы. Мы встретимся с новым понятием — с концепцией хранения и передачи молекулярной информации, которой в цредыдущнх разделах данной книги мы касались лишь вскользь. Сначала мы изучим природу, размеры и конформацию функцио- ЧАСТЬ 1Ч.
МЕХАНИЭМЫ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 851 Реплнкацнн ЛНК рвнскрнпгщя РНК рансляцня Белок Центрвлыыя логмв молекулярной пжетнкж покезывмощвя перемещенле генетнческой ннформвцнн в ходе трех фунпамептвльных процессов: реплнкецнн, трвнсхрнпцнл н трвнсляпнн. Позже мы увидим. что пентрвльную догму прншлось несколько влдонэменнть, нальных единиц генетического материала клеток и вирусов-хромосом и генов. Затем рассмотрим пути и механизмы функционирования чрезвычайно сложных ферментных систем, ответственных за репликацию и транскрипцию ДНК. При этом мы увидим, что биосинтез высокоинформативных молекул ДНК Нуклеотнднвл последоввтельность ДНК мелкого бяктернофвгх фХ174, усгвновленнея в 1977 г. Фредериком Сэнгером н его коллсгемн в Кембрцц:ке (Апглия1.
Это доспскенне энвменоеело собой начало новой эры в бнохнмнческой генетике н прннесло Сэнгеру вторую Нобелевскую премию. Эв двццгжть пкзь лет до этого Сзнгер опять же первым определил полную вмнноклслотную последоввтельность белквинсулина. После опубликования нуклеотялной последоветельностн ДНК фага фХ174 выяснклссь, что онв нецолнея Было нвйдено олнннел. цать дополннтельных нуклеотядов; твкнм обрезом, окончвтельнмй рхтмер ДНК этого фага ревел 538б нуклеотндным сствтхвм. ймкным побочным реэультвтом рвботы Сзнгерв было обнвружевне в хромосоме фага фХ174 перекрываюппжся генов н «генов внутрн генов»; этот факт был установлен в результате ты»тельного срввнення нуклеотллной псслеловвтельностн ДНК с вмннокнслотной последоветельностью колнруемых ею белков ДНК фага фХ174 содержнт девять генов, обознеченньж А-1.
Их енечельные» н «в»печные» кодоны обвелены рамкой. Обратите внимание, что ген Е лепят внутри гена О. Эзкрвпжннымн прямоугольнлкемн уквзвны месте. уэнввеемые рябосомой. и РНК требует десятков различных ферментов и специализированных белков, в то время как для создания не несущей информации макромолекулы, например гликогена, достаточно всего лишь нескольких ферментов. Далее мы рассмотрим механизм биосинтеза белка, самого сложного из известных биосинтетических процессов, в котором принимает участие больше 200 различных ферментов и других специализированных макромслекул. необходимых для ращпифровки и перевода символов генетического кода в трехмерную структуру белков.
В заключительной главе мы увидим, что хромосомы и гены — зто не эаспывшие, инертные структуры. Они могут подвергаться мутациям, иногла вызыванвцим серьезные нарушения в биологической функции белка, а иноь да приводящим к появлению лучшего по своим функциональным качествам белка. Гены или наборы генов часто претерпевают обмен и рекомбинацию, образуя у потомства новые сочетания свойств. Более того, обмениваются и рекомбинируют части генов, что позволило природе создать удивительно эффективную иммунную систему, которая защищает позвоночных от микробов и помогает сохранить специфические особенности видов. Эта область биохимии развивается с головокружительной скоростью.
Редко проходит месяц без того, чтобы в биохимии не цоявилось сообщения о каком- нибудь крупном достижении или открытии. За расшифровкой генетического кола в начале 60-х годов последовала нескончаемая вереница захватывающих открытий и обобщений крупного масштаба. Среди них определение нуклеотидных последовательностей многих генов, искусственный синтез генов, соединение генов в новых сочетаниях, встраивание генов одних видов в клетки других видов и получение с помощью таких измененных клеток «продуцентов» многих новых белков, полезных для тех или иных целей.
Без преувеличения можно сказать, что в биохимической генетике началась новая эра, которая несомненно окажет в будущем существенное влияние на здоровье и жизнедеятельность человека ГЛАВА 27 ДНК: СТРУКТУРА ХРОМОСОМ И ГЕНОВ Прежле чем приступить к изучению ДНК как хранилища генетической информации, полезно еще раз рассмотреть вопрос о природе информации. Мы уже видели, чта информация характеризует степень упорядоченности системы и что в этом смысле она противоположна энтропии, которая характеризует степень беспорядка системы (см.
дополнение 14-1); информацию иногда называют поэтому катрицательной энтропиейж Таким образом, информация имеет отношение к энергии. Действительно, информацию можно измерить, т.е. оценить количественно, и связать ее с величинами энтропии и свободной энергии, однако это требует довольно сложного анализа с привлечением понятий нероятносги и статистики. Сегодня, в век электронных калькуляторов и компьютеров, всем известно, насколько они облегчают работу па хранению, переработке и поиску информации. На языке цифровых компьютеров елннипа информации называется битом (Ь|1, сокращение от англ. слав Ь(лагу гйр1— двоичный разряд). Один бнт -это количество информации, необходимое для того, чтобы сделать правильный выбор между двумя альтернативными возможностями. Количество информации, требуемой для того, чтобы сделать два следующих друг за другом выбора между двумя альтернативными возможностями, равно двум битам.
Аналогичным образом, для того, чтобы найти одну определенную карту среди 16 карт путем последовательных альтернативных (двоичных) выборов, необходимо четыре бига. Именно таким путем цифровой компыатер может преобразовывать информацию в виде длинного ряда двоичных выборов и как следствие этого составлять различного рода списки, готовить платсжные ведомости и даже записывать симфонии. Оливка количество информации, заключенной в одной-единственной клетке человека, все еще намного превышает возможности доступных в настоящее время цифровых компьютеров: человек пока еще не способен выразить в цифрах все многообразие биохимических фактов и взаимосвязей. Двадцать аминокислот, из которых построены все белки, это не просто двадцать кодируклцих единиц, ибо значение любой данной аминокислаты в белке может быть различным. Например, значение серина может быть обусловлено тем, что в молекуле этой аминокислоты содержится полярная гидроксильная группа, способная образовывать водородную связь.
Оно может быть также связано с тем, что серии входит в качестве важного структурного элемента в состав активного центра фермента (в случае трипсина) или регуляторного центра (в случае гликоген-фосфорилазы) или же быть носителем фосфатных групп (в казеине — белке молока). Перевести четырехбуквенный язык ДНК и двадцатибуквенный язык белков на язык цифр в том случае, когда эти буквы имеют множество значений, пока еще не представляется возможным.
Огромное количество информации, заложенной в ДНК, проще всего, пожалуй, проиллюстрировать, если вернуться на с в50 к нуклеотидной последовательности ДНК маленького вируса фХ174, со- ГЛ. Зт. ДИК: СТРУКТУРА ХРОМОСОМ И ГЕНОВ 853 держащей 5386 пар оснований, перечень которых занимает одну страницу очень мелкого текста. Чтобы напечатать нуклеотидную последовательность ДНК хромосомы Е. со(й содержащей 4млн. пар оснований, потребовалось бы около 740 страниц этой книги.
Полная же нуклеотидная последовательность ДНК 4б хромосом клетки человека заняла бы свыше 820 000 ст)жни, что соответствует 820 томам, каждый размером с весь наш трехтомный учебник. Но этот текст был бы бесполезен без полного знания принципов кодирования и программирования. лежащих в основе процессов транскриппии, трансляции и регуляции экспрессии генов; а это потребовало бы множесзва дополнительных томов информации. Перейдем теперь к структуре ДНК, рассмотрим доказательства того, что именно в ДНК хранится генетическая информация, и постараемся понять природу основных функциональных единиц генетического материала -хромосом и генов.
27.1. ДНК и РНК выполняют разные функции Для начала, чюбы легче было ориентироваться, ознакомимся бегло с природой, функцией и местами локализации основных классов нуклеиновых кислот внутри клеток. ДНК -это чрезвычайно длинные полимерные цепи, состоящие из многих тысяч соединенных друг с другом мономерных елиннц-дезоксирибонуклеотидов четырех разных типов, образующих характерные для каждого организма специфические последовательности. Молекулы ДНК обычно состоят из двух цепей.
Хромосома прокариотических клеток представляет собой одну очень длинную двухцепочечную молекулу ДНК, собранную в компактное ядерное абразованае- нунлеанд. Напомним, что у прокариот генетический материал не окружен мембраной (разд. 2.4). Эукариотические клетки содержат большое число молекул ДНК, каждая из которых, как правило, гораздо длиннее единстненной молекулы ДН К п рок ариот. Молекулы ДНК у зукариот связаны с белками и организованы в хроматнновые волокна внутри ядра. окруженного сложной двухмембранной системой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
