Том 1 (1129743), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Если мысленно перемахнуть через пласты научныхоткрытий, вздымающиеся между прошлым и настоящим, то трудно будет вообра-Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 335зить еще какие-либо инструкции сверх этих, могущие содержаться в генетическойинформации.Усердные наблюдения над клетками и эмбрионами в конце XIX-го столетияпривели к пониманию того, что наследственную информацию несут на себе хромосомы — нитевидные структуры в ядре эукариотической клетки, которые становятся видимыми с помощью световой микроскопии, когда клетка начинает делиться(рис. 4.1). Позже, когда стал возможен биохимический анализ, было установлено,что хромосомы состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белка. В течение многих десятилетий считалось, что ДНК попросту является структурнымэлементом.
Однако следующей вехой научного прогресса, поставленной в 1940-е гг.,было признание ДНК в качестве вероятного носителя генетической информации.Этот скачок в нашем понимании клеток был совершен благодаря исследованияммеханизмов наследования у бактерий (рис.
4.2). Но в начале 1950-х гг. все ещеказалось полной загадкой и то, каким образом белки могли определяться инструкциями, заложенными в ДНК, и то, как эта информация могла бы копироваться дляпередачи от клетки к клетке. Эта загадка была неожиданно разгадана в 1953 г.,когда структура ДНК была верно предсказана Джеймсом Уотсоном и ФрэнсисомКриком. Как было упомянуто в главе 1, двухцепочечная структура ДНК тотчасже решила задачу о том, как информация в этой молекуле могла бы копироваться,или реплицироваться. Она также дала первые ключи к решению вопроса о том,как молекула ДНК может использовать последовательность своих субъединиц длякодирования инструкций по изготовлению белков.
Сегодня тот факт, что генетическим материалом является ДНК, настолько фундаментален для биологическоймысли, что трудно оценить тот огромный пробел в наших представлениях о наследственности, который был заполнен благодаря этому открытию.Эту главу мы начинаем с описания структуры ДНК. Мы увидим, как, несмотря на химическую простоту, структура и химические свойства ДНК делают ееидеально подходящей в качестве исходного материала для генов. После этого мыпознакомимся с тем, как многочисленные белки в хромосомах приводят в порядоки упаковывают эту ДНК.
Упаковка должна быть упорядоченной – такой, чтобыхромосомы могли реплицироваться и правильно распределяться между двумя дочерними клетками при каждом делении материнской клетки. Она должна такжеобеспечивать доступ к хромосомной ДНК тем ферментам, которые восстанавливаютее, когда она повреждена, и тем специализированным белкам, которые направляютэкспрессию всего множества ее генов. Нам предстоит увидеть и то, как упаковкаДНК изменяется по всей длине каждой хромосомы у эукариот, и как в особенностяхукладки ДНК может сохраняться ценная летопись истории развития клетки.За последние два десятилетия произошли кардинальные изменения в нашейспособности определять точную последовательность субъединиц в молекулах ДНК.В результате этого мы теперь знаем порядка 3 миллиардов субъединиц ДНК, в которых заложена информация о формировании взрослого человека из оплодотворенной яйцеклетки, равно как и последовательности ДНК тысяч других организмов.Подробный анализ этих последовательностей выявил захватывающие сведения опроцессе эволюции, и именно этой темой и завершается данная глава.Это первая из четырех глав, которые мы посвятили основным генетическиммеханизмам, посредством которых клетка поддерживает, копирует, выражает, илиэкспрессирует, а иной раз и улучшает генетическую информацию, содержащуюсяв ее ДНК.
В этой главе представлен широкий обзор структуры ДНК и принци-336Часть 2. Основные генетические механизмыРис. 4.3. Цепь ДНК и ее элементарные звенья. ДНК состоит из нуклеотидов четырех типов, которыековалентно связаны в полинуклеотидную цепь (нить ДНК), от сахаро-фосфатной основы которой отходятв сторону основания (A, C, G и T). Молекула ДНК состоит из двух нитей ДНК, скрепленных друг с другомводородными связями между спаренными основаниями.
Стрелки при концах цепей ДНК показываютих полярность, из чего можно видеть, что цепи в молекуле ДНК антипараллельны. На схеме в левом нижнем углу рисунка молекула ДНК показана выпрямленной; в действительности она закручена в двойнуюспираль, показанную справа. На рис. 4.5 та же структура изображена подробнее.па ее упаковки в хромосомы. В следующей главе (глава 5) мы рассматриваеммеханизмы, при помощи которых клетка точно реплицирует и восстанавливаетДНК; мы описываем также процесс генетической рекомбинации, в ходе которогопоследовательности ДНК могут перестраиваться.
Экспрессия генов — процесс,через который информация, закодированная в ДНК, интерпретируется клеткойГлава 4. ДНК, хромосомы и геномы 337Рис. 4.4. Комплементарные пары оснований в двойной спирали ДНК. Формы и химическая структураоснований обеспечивают эффективное образование водородных связей только между парами основанийА–T и G–C; при этом атомы, которые способны образовывать водородные связи (см. приложение 2.3, стр.110–111), могут быть сведены на близкое друг от друга расстояние без искажения двойной спирали. Какпоказано, между А и T образуются две водородные связи, тогда как между G и C образуется три связи.Основания могут спариваться подобным образом, только если обе полинуклеотидные цепи, которыеих содержат, антипараллельны друг другу.для проведения синтеза белков, — является главной темой главы 6. В главе 7 мыописываем, как такая экспрессия генов управляется клеткой, чтобы гарантировать,что каждый из многих тысяч белков и молекул РНК, зашифрованных в ее ДНК,будет «изготовлен» только в надлежащее время и в нужном месте на всем протяжении жизненного цикла клетки.4.1. Структура и функция ДНКВ 1940-е гг.
биологам было трудно представить, каким образом ДНК моглабыть генетическим материалом ввиду очевидной простоты ее химического строения.К тому времени было известно, что ДНК представляет собой длинный полимер,состоящий из субъединиц всего лишь четырех типов, которые к тому же обладаютсхожими химическими характеристиками.
В начале 1950-х гг. ДНК была исследована при помощи рентгеноструктурного анализа — методики определения трехмерной атомной структуры молекулы (обсудим ее в главе 8). Первые результаты338Часть 2. Основные генетические механизмыРис. 4.5. Двойная спираль ДНК. а) Объемная модель полутора витков двойной спирали ДНК.
Каждыйвиток ДНК состоит из 10,4 пар нуклеотидов, а расстояние между центрами смежных пар нуклеотидов —0,34 нм. В результате обвития обеих цепей друг вокруг друга по двойной спирали бегут две бороздки:более широкую бороздку называют большой бороздкой, а меньшую — малой бороздкой. б) Короткийотрезок двойной спирали, показанный сбоку, охватывает четыре пары оснований. Нуклеотиды ковалентно связаны между собой посредством фосфодиэфирных связей, которые соединяют 3'-гидроксильнуюгруппу (–ОН) одного сахара с 5 '-фосфатной группой следующего сахара. Таким образом, каждая из полинуклеотидных цепей обладает химической полярностью, то есть два ее конца химически различны.5'-конец полимера ДНК в соответствии с общепринятой системой обозначений часто изображают сфосфатной группой, а на 3'-конце показывают гидроксил.рентгеновского анализа показали, что ДНК состоит из двух полимерных нитей,закрученных в спираль.
Тот факт, что ДНК является двухцепочечной молекулой,имел решающее значение и послужил одним из главных ориентиров, которые в своей совокупности привели Уотсона и Крика к созданию модели структуры ДНК.Но только когда эта модель была предложена в 1953 г., стал очевиден потенциалДНК для репликации и кодирования информации. В этом параграфе мы изучимструктуру молекулы ДНК и объясним в общих чертах, что дает ей возможностьхранить наследственную информацию.4.1.1. Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей нуклеотидовМолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) образована двумя длинными полинуклеотидными цепями, состоящими из нуклеотидных субъединицчетырех типов.
Каждая из таких цепей известна как цепь ДНК, или нить ДНК.Водородные связи между входящими в состав нуклеотидов основаниями скрепляют эти две цепи друг с другом (рис. 4.3). Как мы увидели в главе 2 (приложение2.6, стр. 116–117), нуклеотиды состоят из пятиуглеродного сахара, к которомуГлава 4. ДНК, хромосомы и геномы 339Рис.
4.6. Связь между генетической информацией,заложенной в ДНК, и белками (было рассмотрено вглаве 1).присоединены одна или несколько фосфатных групп и азот-содержащее основание. Вслучае нуклеотидов ДНК сахар представлендезоксирибозой, а к ней присоединена однафосфатная группа (отсюда название «дезоксирибонуклеиновая кислота»), а в качествеоснования может выступать аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) или тимин (T).Нуклеотиды ковалентно связаны друг с другом в цепь через сахара и фосфаты,которые, соответственно, образуют «основную цепь» из чередующихся звеньев–сахар–фосфат–сахар–фосфат–.
Поскольку субъединицы этих четырех типовотличаются только основанием, каждая полинуклеотидная цепь в ДНК походит наожерелье (основная цепь) из нанизанных бусин четырех типов (четыре основанияA, C, G и T). Эти же символы (A, C, G и T) обычно употребляются также и дляобозначения четырех различных нуклеотидов, то есть оснований с присоединеннымик ним сахарными и фосфатными группами.Способ, которым нуклеотидные субъединицы соединены друг с другом, придаетнити ДНК химическую полярность. Если представить каждый сахар как блок свыдающимся штырьком (5’-фосфат) на одной стороне и с гнездом (3’-гидроксил) надругой (см. рис. 4.3), то в любой завершенной цепи, образованной путем сочлененияштырьков с гнездами, все субъединицы будут выстроены в ряд в одной и той жеориентации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
