Lenindzher Основы биохимии т.3 (1128697), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Митохондриальные ДНК (мДНК)-это двухцепочечные кольцевые молекулы очень малого по сравнению с молекулами ДНК ядерной хромосомы размера. В животных клетках мДНК имеет мол. массу всего 1О. 1Оа. Молекулы хлоропластной ДНК значительно больше ДНК митохондрий. ДНК обеих этих органелл не связана с гнстонамн. 0,5 мкм Рис. 2Ь2а Деяанияся митояонириа ия иироео- го тата насекомого. О происхождении митохондриальной н хлоропластной ДНК было высказано множеспю предположений. Одно из них состоит в том, что они представляют собой остатки хромосом древних бактерий, которые попали в цитоплазму клетки-хозяина и стали предшественниками этих органелл.
Митохоцдриальная ДНК кодирует митохоидриальные тРНК и рРНК, а также несколько митохондриальных белков. Поскольку свыше 95;г,' митохондриальных белков кодируется ядерной ДНК, причина существования митохондриальной и хлоропластной ДНК является одной из загадок генетики клетки. В процессе деления клетки-хозяина митохондрии и хлоропласты также делятся (рис. 27-24). До н во время деления митохондрий их ДНК реплицируются и дочерние мДНК переходят в дочерние митохондрии. 27.2К Гены — это участки ДНК, которые кодируют пол~паттндные цепи н РНК Рассмотрим теперь наиболее важные в функциональном отношении части молекул ДНК вЂ” гены.
В классическом биологическом смысле ген определяли как часть хромосомьх которая обусловли- ГЛ. 27. ДНК: СТРУКТУРА ХРОМОСОМ И ГЕНОВ 877 лает какой-нибудь один отличительный признак организма, или фенотин, например цвет глаз. (Слово «фенотип» означает «внешний вид».) В дальнейшем появилось и молекулярное определение гена, впервые предложенное Джорджем Бидлом и Эдварцом Татумом в 1940 г. Они воздействовали на споры гриба )чеип>яра»2 с>аяза рентгеновскими лучами и другимн агентами, которые повреждают ДНК и таким образом вызывают мутации.
Некоторые из полученных ими мутантов оказались лишенными того или иного фермента, в результате чеп> их метаболизм бь>л нарушен (равд. 13.14). Это наблюдение привело авторов к заключению, что ген-это такой фрагмент генетического материала, который определяет, или кодирует, какой-то один фермент (гипотеза «один ген — один фермент»). Позже зто определение гена приобрело более общий вид: «один генодин белок», поскольку некоторые гены кодируют белки, не являющиеся ферментами. Однако теперь можно дать еще более точное биохимическое определение гена. Вспомним, что многие белки состоят из нескольких полипептидных цепей (разд. 8.8).
В некоторых иэ таких белков все полипептидные цепи одинаковы; в этом случае все они могут кодироваться одним и тем же геном. Однако другие белки содержат два или большее число полипептццных цепей разнь>х типов, различающихся по аминокислотной последовательности. Молекула гемоглобина, к примеру, состоит из полипепт>шных цепей двух типов — и и (3, которые различаются длиной и аминокислотной последовательностью. Сегодня мы знаем, что и- и ))-цепи кодируются двумя разными генами.
Поэтому взаимосвязь между геном и белком более точно может быть выражена определением: «один ген — один »олин«пти>Ъ>. Но не все гены экспрессируются в конечном счете с образованием полипептидных цепей. Часть генов кодирует, например, разные вилы тРНК, другие гены отвечают за синтез различных рРНК.
Гены, кодирующие полипептиды и РНК. называют струк>»урными генами, ибо они определяют структуру некоего конечного продукта гена — фермента или стабильной РНК. В ДНК содержатся и другие участки или последовательности, которые выполняют исключительно регуляторную функции>. Некоторые из этих регуляторных участков представляют собой сигналы, обозначающие начало и конец структурных генов; другие принимают участие в запуске или прекращении,транскрипции структурных генов.
Таким образом, наряду со структурными генами хромосома содержит также рггу. лн»юрные последов«»>ельности 27.22. В одной хромосоме сосредоточено большое число ~снов Сколько генов содержится в оцной хромосоме? На этот вопрос мы можем дать приблизительный ответ в случае Е. сой. Предполагают, что в единственной хромосоме Е. сой содержится более 3000 генов, возможно даже 5000.
Была сделана попытка непосредственно подсчитать все полипептццы, присутствующие в Е. сой после разделения их методом двумерного элекгрофореза. На электрофореграммах было обнаружено около 1100 пятен, соответствующих отдельным полипептццным цепям (рис. 27-25). Однако зто число является минимальным, по>жольку данный метод не позволяет разделить все полипептицы и не обладает достаточной чувствительностью, чтобы уловить присутствие белков, представленных в клетке всего лишь несколькими молекулами. С помощью различных генетических подходов была установлена последовательность расположения многих генов в хромосомах вирусов и бактерий.
Частичная генетическая карта Е. сой, приведенная на рис. 27-26, показывает относительное расположение некоторых ее генов в кольцевой молекуле ДНК. 27.23. Каковы размеры генов? Можно теоретически рассчитать примерные размеры генов. Мы уже видели, что двухцепочечная молекула ДНК Е. Разделение по заряду— и с- с с гу .с руг О руг С р ° В та! гр аг о с Р с О а с ГЛ. 27. ДНК: СТРУКТУРА ХРОМОСОМ И ГЕНОВ 879 Рис. 27-25. Фракционировыше белков Е. соя.
На фотогра$ии предспюлеиа хроматограмма лвумсрного разделенна полвпептидньщ пелся, прнсутствуюшик в экстракте Е. соа На хроматограмме можно обнаружить свыше 1100 разлнчньщ полипсптидов. Вероятно, а экстракте их значительно больше, однако шш не все выявляютсв. В настожцее время делаютса попьпки раздщппь и лосчитать все полипептиды, присутствующие в различных клепах человека сой состоит приблизительно из 4. 10в нуклеотнаных пар. Если считать, что в этой бактерии содержится 300 генов, то средний размер каждого из них составит (4 10 ):30(5)ге(300 ну 1 д р. Это, вероятно, завышенная оценка, поскольку в ней не учтено наличие в ДНК сигналов, промежупюв между генами (спейсеров) и других участков ДНК с еше неизвестной функцией.
Размеры генов можно приблизительно оценить н более прямым способом. Сегодня уже изнеспю„что каждая аминокислота полипептидной цепи кодируется короткой последовательностью, состояшсй из трех расположенных друг за другом нуклеотидов в одной из цепей прокариотической ДНК (рис. 27-27). Пос]гольку в генетическом коде нет «запятых», кодируюшне трнплеты ДНК расположены последовательно в соответствии с последовательностью аминокислот в кодируемом полипептиде. На рис. 27-27 показан принцип, определяуоШий структурное соотношение на основе кода между ДНК, РНК н белком.
й связи с тем что одна полипептцлная цепь может содержать от 50 до 2000 (и даже больше) аминокислотных остатков (разд. 6.5), ген, кодирующий такую полипептидную цепь, должен состоять со- Рис 27-25. Кольцевая карта хромосомы Е. соа К12. На внешней стороне окружносгл указаны условные названия 52 генов, относитсльнос положение которых на кромосомс точно известно; они служат ориентираью прн вартированаи хрупы гспов.
Числа внутри окружности щютаетствуют времени (в минутах], необходимому ллн переноса мужскоа кромосомы в женскую клетку в коде половой коиьюга.- цин Е. соа. За нулевую точху выбран ген гбг. Стрсскамп указано направление проникновения в клетку мужской хромосомы. Из ЗООО генов Е. сох к настолшему времени квртнровано около 1000. Полипептяд увхонце вал часть 5' 3' 5' С о с С С С А Т А Т Л Б А,~в А С П" С т А Т А С Т А С С С С С С с ь с С С С т А и Т А П Т А (] с о с А Б З 5 З Налип рин С-ко|пювая часть Компла- Кодирующая ментарная Рель Рис. хг-27.
Коллнпсарносп нухлмпилных по- следоватслъпостса ДНК н мРНК и амвнокнс- лотиоя последовательности полипепгцшцш це- пей. Триплсты иуклеотядов ДНК определяют послсловательность аминокислот в белке; по- средником в этом процессе выступает мРНК, нуклеотплные триплстм которой (кодоиы] комплементарны трипсетам кодируюшся цепи ДНК. ответственно нз 150-6000 (и больше) нуклеотидных остатков. Если принять, что полипептидная цепь белка содержит в среднем 350 остатков, то ей соответствует средний ген, включающий 1050 нуклеотидных пар, т.е.
содержащихся в ДНК Е. со!1 четырех миллионов иуклеотидных пар достаточно для кодирования (4 1Ос):1050 3800 генов. Тот факт, что пары оснований в двойной спирали ДНК расположены на, расстоянии 0,34 нм друг от друга (разд. 27.6), позволяет нам рассчитать длину гена средне п] повинен гида: 0,34 1050= 357 нм 0,36 мкм. Посколь- 880 чАсть Ги мехАнизмы пеРедАчи ГенетическОй инФОРМАции ку мол.масса одной нуклеотидной пары составляет в среднем 650, мол масса среднего гена Е, сой равна — 6%. 1050 = = 680 000. Гены, кодирующие тРНК, значительно меньше, чем гены, кодирующие полипептиды, поскольку один нуклеотид тРНК кодируется одним нуклеотидом ДНК. 27.24. Бянтернадьнаи ДНК щщищена с помощью систем рестрикции-модифинации Уже давно было известно, что в бактериальной ДНК среди миллионов обычных оснований (А, Т, С и С) встречаются основания, несущие дополнительные метильные группы. Биологическое значение этих метилированных оснований стало понятным в результате ряда важных открытий, которые оказали большое влияние на развитие генетики и, в частности, биохимической генетики.
Для каждого вида бактерий характерна своя особая картина распределения метилированных оснований по ДНК, отличающая ее от ДНК других видов. Если ДНК какого- либо другого вида каким-то образам проникнет в живую бактериальную клетку, то она будет признана там кчужероднойюл именна по отсутствию в ней специфической для данного вида картины распределения метилированных оснований, присущей ДНК клеток этого нида, В такай ситуации чужеродная ДНК будет разрушена специфической нуклеазой, которая расщепляет обе цепи ДНК непосредственно в том месте, где отсутствуют характерные для ДНК клетки-хозяина метилированные основания, или вблизи этого места.
Таким образом чужеродные ДНК подвергаются рестрикции: они разрушаются с помощью специфических нуклеаз, вырабатываемых каждым видом бактерий. ДНК бактерий данного вида защищена двумя близкими по сваей специфичности ферментами: 1) модифицирующей метилаюй и 2) рестриюлирующей эндонуклеаюй. Модифицирующая метилаза отвечает за образование специфической для данного вида картины метилирования в определенных коротких последова- тельностях собственной ДНК клетки. Метильные группы в этих последовательностях остаются без изменений в течение всей жизни клетки.
Соответствующая ресгриктируюшая эндонуклеаза в свою очередь расщепляет обе цепи любой другой ДНК, в которой эти специфические последовательности оснований не метилированы. Примером может служить рестриктирующая зндаиуклеаза НЬ е(11 бактерии Наетарййиз ЬЯиеягае (каждая рестриктируюшля эндонуклеаза имеет свое обозначение). Этот фермент расщепляет обе цепи любой ДНК, содержащей определенную последовательность оснований в местах, указанных стрелками: Свят рестрикяки 5' -С-Т вЂ” Ру — Рп-А-С3' — С вЂ” А — Ри-Ру-Т-С- но не расщепляет зту же последовательность, если основания, отмеченные красной звездочкой, метилированы: 3' -С-Т-Ру-Рн-А — С- 3' 3' -С-А-Рп-Ру-Т-С- 8' Интересно, что этот короткий участок ДНК, метилированный или неметилированный, обладает внутренней симметрией относительно центральной точки, показанной красным цветом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
