Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Основные генетические мшаннямы механизмы, при помощи которых клетка точно реплицирует и восстанавливает ДНК; мы описываем также процесс генетической рекомбинации, в ходе которого последовательности ДНК могут перестраиваться. Экспрессия генов — процесс, через который информация, закодированная в ДНК, интерпретируется клеткой для проведения синтеза белков, — является главной темой главы б.
В главе 7 мы описываем, как такая экспрессия генов управляется клеткой, чтобы гарантировать, что каждый из многих тысяч белков и молекул РНК, зашифрованных в ее ДНК, будет «изготовлеи» только в надлежащее время и в нужном месте иа всем протя жеиии жизненного цикла клетки. 4.1. Структура и функция ДНК В 1940-е гг. биологам было трудно представить, каким образом ДНК могла быть генетическим материалом ввиду очевидной простоты ее химического строения. К тому времени было известно, что ДНК представляет собой длинный полимер, состоящий из субъедиииц всего лишь четырех типов, которые к тому же обладают схожими химическими характеристиками. В начале 1950-х гг.
ДНК была исследована при помощи реитгеиоструктуриого анализа — методики определения трех мерной атомной структуры молекулы (обсудим ее в главе 8). Первые результаты рентгеновского анализа показали, что ДНК состоит из двух полимерных нитей, закрученных в спираль. Тот факт, что ДНК является двухцепочечиой молекулой, имел решающее значение и послужил одним из главных ориентиров, которые в сво ей совокупности привели Уотсона и Крика к созданию модели структуры ДНК. Но только когда эта модель была предложена в 1953 г., стал очевиден потенциал ДНК для репликации и кодирования информации.
В атом параграфе мы изучим структуру молекулы ДНК и объясним в общих чертах, что дает ей возможность хранить наследственную информацию. 4.1.1. Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей нуклеотидов Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) образована двумя длинными полииуклеотидными цепями, состоящими из иуклеотидиых субъедиииц четырех типов. Каждая из таких цепей известна как цепь ДНК, или нить ДИК. Водородные связи между входящими в состав иуклеотидов основаниями скрепляют эти две цепи друг с другом (рис. 4.3). Как мы увидели в главе 2 (приложение 2.8, стр. 182 — 183), нуклеотиды состоят из пятиуглеродиого сахара, к которому при соединены одна или несколько фосфатиых групп и азот-содержащее основание.
В случае иуклеотидов ДНК сахар представлен дезоксирибозой, а к ией присоединена одна фосфатиая группа (отсюда название «дезоксирибоиуклеииовая кислота»), а в качестве основания может выступать аденин (А), цитозин (С), гуанин (С ) или тимин (Т).
Нуклеотиды ковалеитио связаны друг с другом в цепь через сахара и фосфаты, которые, соответственно, образуют «осиовиую цепь» из чередующихся звеньев — сахар — фосфат — сахар — фосфат —. Поскольку субъедииицы этих четырех типов отличаются только основанием, каждая полииуклеотидиая цепь в ДНК походит иа ожерелье (осиовиая цепь) из нанизанных бусин четырех типов (четыре основания А, С, С и Т). Эти же символы (А, С, С и Т) обычно употребляются также и для обозначения четырех различных иуклеотидов, то есть оснований с присоединенными к иим сахарными и фосфатиыми группами.
сахар + сахвро- основание з ~ь. У з 5' саха рофосфвтньгй 5' ~з скрепленные водородной связью пары оснований з Рис. 4зй Цепь ДНК и ее элементарные звенья. ДНК состоит из нуклеотидов четырех типов, которые ковалентно связаны в полинуклеотидную цепь ~нить ДНК), от сахарофосфатного остова которой отходят в сторону основания (А, С, П и Т). Молекула ДНК состоит из двух нитей ДН К, скрепленных друг с другом водородными связями между спаренными основа нижни Сгпрелнн при нонцах цепей ДНК показывают их полярность, из чего можно видеть, что цепи в мале куле ДН К анти параллельны.
На схеме а левом нижнем углу рисунка молекула ДНК показана выпрямленной, в,пействительности она закручена в двойную спираль, показанную справа. На рис. 45 та же струкгура изовражена подробнее. Способ, которым нуклеотидные субъсдтгннцы соединены друг с другом, при дает нити ДИК химическую полярность. Если ггредставгпь каждый сахар как блок с выдающимся штырьком (3'-фосфат) на одной стороне и с гнездом (Зчгидроксил) на другой (см. рис, 4.3), то в любой завершенной цепи, образованной путем сочле пения штырьков с гнездами, все субъединицы будут выстроены в ряд в одной и той же ориентации. Более топь оба конца такой цепи будут легко различимы, посколь ку на краю одного будет зиять свободное гнездо (3'-гидроксил), а на оконечности другого — торчать штырек (5сфосфат).
При ссылках на такого рода полярность в цепи ДН К один конец называют 3' концом, а другой — 5с концом. Трехмерная структура ДН К вЂ” двойная спираль — обусловлена химическими и структурными особенностями двух ее полинуклеотидных цепей. Так, обе зти цепи скрепляются вместе водородными связями между находящимися друг про тив друга основаниями из различных нитей, при атом все основания находятся во внутренней части двойной спирали, а сахарофосфатные основные цепи распола гаются с внешней ее стороны (см. рис.
4.3). Во всех случаях более громоздкое двуциклическое основание (пурин; см, приложение 2.6, стр. 182 — 183) спаривается с меныпим по «габаритам» одноциклическим основанием (пиримидином); гт всегда образует пару с Т, а Сг — с С (рис. «.ч). Такси комплементарное спаривание оснований позволяет природе упаковывать пары осиоваютй в энергетически наи более благоприятном расположении — в сердцевине двойной спирали. При таком раскладе каждая пара оснований имеет практически одинаковую ширину, благодаря Зг б' «ййь .
н о С вЂ”.и б ихва н — и ~ -='-)р С вЂ” С l и — н ла.о тимин сахарофосфвтный остов и — нква,о 7 о манн — и / н ц з водородная связь з Рис. 4.4. Комплементарные пары оснований в двойной спирали Днге Формы и химическая структура оснований обеспечивают эффективное образование водородных связей только между парами оснований А-Т и 6-С; при этом атомы, которые способны образовывать водородные связи (см. приложение 1.3, стр. 176 — 177), могут быть сведены на близкое друг отдруга расстояние без искажения двойной спирали. Как показано, между А и Т образуются две водородные связи, тогда как между б и С образуется три связи.
Основания мокнут спариваться подобным образом, только если обе палинуклеотидные цепи, которые их содержат, анти параллельны друг другу. ванием двух дочерних клеток. Исходя из этих требований возникают два ключевых вопроса биологии: каким образом информация, необходимая для описания строения организма, может кодироваться в химической форме и каким образом она может быть точно скопирована? Открытие структуры двойной спирали ДНК явилось путеводной вехой для биологии ХХ столетия, потому что оно дало прямые ответы на оба вопроса и таким образом обьяснило молекулярную основу наследственно сти.
В этом параграфе мы кратко обсуждаем этн ответы, но в последующих главах книги исследуем их намного скрупулезное. Информация в ДНК закодирована собственно порядком следования, или по следоватсльностью нуклеотидов в обеих цепях. Каждое ггснованис: А, С, Т нли С вЂ” можно рассматривать как букву чстырсхсимвольного алфавита, которым описываются биологические сообщения, заложенные в химической структуре ДНК. Как мы увидели в главе 1, организмы отличаются один от другого потому, что их соотвстствующие молекулы ДНК имеют различные носледоватслыюсти нуклеотидов и, следовательно, несут различные биологические сообщения.
Но как алфавит нуклсотидов используется для составления таких сообщений, и что в них написано? Как обсуждалось вьппе, задолго до того, как определили структуру ДНК, было известно, что гены содержат инструкции для производства белков. Отсюда ясно, что сообгпения, записанные в ДНК, тем или иным образом кодируют белки (рггс. 4.6), Эта связь сразу же облегчает поиск ответа на вышеозначенный вопрос. Как было сказано в главе 3, свойства любого белка, которые определяют его биологическую функцию, обусловлены его трехмерной структурой.
Эта структура определяется, в свою очередь, линейной последовательностью аминокислот, из которых он со стоит. Поэтому линейная последовательность нуклсотидов в гене должна так или иначе описывать линейную последовательность аминокислот в белке. Структура ДНК не говорит прямо о существовании точного соответствия между четырех буквенным алфавитом нуклеотидов ДНК н двадцатибуквенным алфавитом ами нокислот белков — генетического кода, -- и прошло десятилетие после открытия двойной спирали, прежде чем его удалось установить.
В главе б мы опишем этот код подробно в ходе разбора процесса, известного под названием экспрессии сенов, посредством которого клетка преобразует нуклсотидную последовательность гена сначала в нуклеотидную последовательность молекулы РНК, а затем в аминокис лотную последовательность белка. Полный набор информации в ДНК организма называют его геномом, и он несет в себе информацию обо всех белках и молекулах РНК, которые организм когда либо будет синтезировать.
(Термин «геном» употребляется также и для описания ДНК, которая несет эту информацию.) Количество информации, содержащейся в геномах, колеблется; например, типичная ген А гвн В ген С диплоидная клетка человека содержит 2 мс тра двойной спирали ДНК. Засписанная двойная в виде четырехбуквенного нуклеотидного о"враль алфавита, последовательность нуклеотидов днк одного очень маленького гена человека за ! ! нчгьчкь' Ьг«зйййй белок А белок В белок С рис. я.б. Связь между генетической информацией, заложенной в ДНК, и белками [было рассмотрено в главе 1). матричная цепь 8 бг зг Г. цепь 8 3' новая цепь 8' бг новая цепь 8 цепь 8' 5' ЯфййФ~Й"~вг)(1йц((сф49г)баь4)фЦ$М' 3' Зг матричная цепь 8' или реплиг(ировать, хранимый в ее чреве геном перед передачей его потомкам.
В следующей главе мы опишем изящную машину, используемую клеткой для вы полнения этой чудовищной по своему размаху задачи. 4Л.З. У эукариот ДНК заключена 8 ядре клетки Как сообгцалось в главе 1, почти вся ДНК в клетке эукариот заключена в ядре, которое во многих клетках занимает около 10 'ь общего объема клетки. Эта полость ограничена ядерной' оболочкой, образованной двумя концентри ческими мембранами из двойного липидного слоя (рпс.
4.9). Зги мембраны пронизаны через определенные промежутки Гюлыпими ядерными порами, через которые происходит перенос молекул между ядром и цитозолем. Оболочка ядра непосредственно соединена с раскинувшимися в объеме клетки мембранами андо плазматической сети. И она механически поддерживается сетью промежуточных нитей, называемой ядерной пластинкой, которая образует тонкую листоподобную сетчатую структуру, расположенную сразу под внутренней ядерной мембраной (см. рис. 4.9, 6). Ядерная оболочка позволяет многим белкам, которые взаимодействуют с ДНК, скапливаться в тех местах внутриклеточного пространства, где они необходимы, и, как мы увидим в последующих главах, она также удерживает ядерные и цито вольные ферментьг отдельно друг от друга, что крайне важно для надлежащего функционирования клеток эукариот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
