Молекулярные основы воспроизводства жизни

Нуклеиновые кислоты – это сложные органические соединения, представляющие собой фосфорсодержащие биополимеры (полинуклеотиды). Молекула нуклеотида состоит из пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты. Существует два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Свое название нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) получили из-за того, что впервые были выделены из ядер лейкоцитов (швейцарским биохимиком Ф. Мишером). Позже было обнаружено, что нуклеиновые кислоты могут находиться не только в ядре, но и в цитоплазме и ее органоидах. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом.

Доказательство генетической роли ДНК было получено в 1944 г. О. Эйвери в опытах на бактериях. Тогда же было установлено, что в ДНК используется только четыре азотистых основания – аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц). В состав РНК вместо тимина входит урацил (У). Аденин и гуанин – это пуриновые основания, цитозин и тимин – пиримидиновые.

24 апреля 1953 г. произошло одно из величайших открытий в биологии. В этот день была опубликована статья американского биохимика Джеймса Уотсона и английского биофизика Френсиса Крика, раскрывающая структуру молекулы ДНК. Рентгеност-руктурные исследования показали, что ДНК состоит из двух цепей, закрученных в двойную спираль. Роль остовов цепей играют сахарофосфатные группировки, а перемычками служат основания пуринов и пиримидинов. Каждая перемычка образована двумя основаниями, присоединенными к двум противоположным цепям, причем, если у одного основания одно кольцо, то у другого – два. Таким образом образуются комплиментарные пары: А–Т и Г–Ц. Это значит, что последовательность оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой, комплиментарной цепи.молекулы.

Ген - это участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов). РНК содержит 4–6 тысяч отдельных нуклеотидов, ДНК – 10–25 тысяч. Если бы можно было вытянуть ДНК одной человеческой клетки в непрерывную нить, то ее длина составила бы 91 см.

И все же рождение молекулярной генетики произошло несколько раньше – в 1941 г., когда американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтум установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось знаменитое высказывание: один ген – один белок. Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка.

После этого ученые сконцентрировали свое внимание на вопросе, как записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Для этого нужно было выяснить, каким образом всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот. Основной вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-теоретик Г. Томов в середине 50-х годов.

По его предположению, для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодон. В 1961 г. гипотеза Гамова была подтверждена исследованиями Ф. Крика. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при создании белков.

В живой клетке имеются органеллы – рибосомы, которые «читают» первичную структуру ДНК и синтезируют белок в соответствии с записанной в ДНК информацией. Каждой тройке нуклеотидов ставится в соответствие одна из двадцати возможных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК определяет последовательность аминокислот синтезируемого белка, фиксирует генетический код организма (клетки).

Кодоны могут образовываться следующими триплетами - АЦА, АГЦ, ГГГ, ЦГГ и т.д. Полное число таких триплетов – 64. Из них три являются стоп-сигналами, а 61 – кодирует 20 аминокислот. Размер гена связан с размером того белка, который им кодируется. Так, белок, состоящий из 200 аминокислот, будет закодирован 200 кодонами, то есть 600 парами нуклеотидов. Таким образом, молекулу ДНК можно представить в виде последовательности букв-нуклеотидов, образующих текст из большого их числа, например АЦАТТГГАГ... В таком тексте и содержится информация, определяющая специфику каждого организма – человека, дельфина и т.д.

Генетический код не сводится только к кодонам. На основе кодонов образуются более крупные комплексы – цистроны, которые определяют последовательность аминокислот в системе «белок – фермент». Блоком цистронор управляет оперон.

Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, говорит о происхождении всех .живых существ на Земле от единого предка.

Также был расшифрован механизм воспроизводства ДНК. Он состоит из трех частей: репликации, транскрипции и трансляции.

Репликация– это удвоение молекул ДНК.

Основой репликации является уникальное свойство ДНК самокопироваться, что дает возможность деления клетки на две идентичные. При репликации ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплиментарной к ней. При этом Т в новой цепи располагается против А в старой и т.д. После этого клетка делится, и в каждой клетке одна нить ДНК будет старой, а вторая – новой. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме – мутациям.

Транскрипция– это перенос кода ДНК путем образования одноцепочной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК.

И-РНК - это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков.

Трансляция– это синтез белка на основе генетического кода и-РНК в особых частях клетки – рибосомах, куда транспортная РНК доставляет аминокислоты.