Наследственность и нуклеиновые кислоты

На определённом этапе развития биологических знаний одним из достаточно загадочных явлений жизни являлась наследственность, т.е. способность каждого вида производить потомство с сохранением свойств родителей. Передать свойства по наследству означает повторить строгий порядок аминокислот во всех белках. Эти белки не могут быть переданы новому организму в полном наборе, поскольку развитие организма начинается с микроскопической клетки. Следовательно, клетка должна обладать механизмом синтеза белков и иметь инструкцию с записью необходимого порядка аминокислот.

Носителем информации о строении белков в клетке являются особые молекулы, относящиеся к классу нуклеиновых кислот. Из этих кислот основная роль в хранении и передаче наследственной информации принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).

ДНК – это линейный полимер, состоящий из 2 параллельных цепей, связанных водородными связями. Каждая из этих цепей представляет собой последовательность сотен тысяч мономеров, называемых нуклеотидами. В состав одного нуклеотида (рис.3.4) входит остаток фосфорной кислоты, пятиуглеродный моносахарид дезоксирибоза и азотистое основание. В ДНК используется четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Особенностью этих оснований является способность попарно соединяться водородными связями за счёт соответствия их пространственной конфигурации и распределения электронной плотности (электрического заряда). Такая особенность называется комплементарностью. Аденин всегда образует пару с тимином (А-Т), а гуанин - с цитозином (Г-Ц).

При наличии одной цепочки нуклеотидов к каждому из них может последовательно присоединяться соответствующий комплементарный нуклеотид с формированием второй цепочки. Такой процесс построения одной химической структуры в соответствии с уже готовой молекулярной формой получил название матричный синтез. Распределение внутримолекулярных сил в образующейся двойной цепочке таково, что она закручивается в спираль вокруг продольной оси. Данные, позволившие расшифровать строение ДНК, накапливались в течение всей первой половины ХХ столетия. Структура в виде двунитчатой спирали окончательно была установлена в 1952 г. английскими учёными: биофизиками Френсисом Криком (р.1916), Морисом Уилкинсом (р. 1916) и американским биохимиком Джеймсом Уотсоном (р. 1928), получившими за это открытие Нобелевскую премию 1962 г.

Упрощенное символическое изображение ДНК без учёта множества химических и физических деталей может выглядеть следующим образом:

- ц –г – а – т –а – т – т – ц – г – а – т – а – т – а – г – ц – а – а –а -

- Г – Ц – Т – А – Т – А – А – Г – Ц – Т – А – Т – А – Т – Ц – Г – Т – Т – Т -

триплет (кодон)

Порядок соединения аминокислот в белке записывается в ДНК порядком соединения нуклеотидов в одной цепи. Каждая аминокислота кодируется тремя рядом стоящими нуклеотидами. Такая тройка называется триплетомиликодоном. В каком порядке идут триплеты, в таком порядке в дальнейшем в клетке будут соединяться аминокислоты. Участок ДНК, кодирующий одну белковую молекулу, называется ген.

Главным свойством ДНК, обеспечивающим передачу наследственной информации из клетки в клетку, является способность каждой молекулы производить свою точную копию. Перед началом деления клетки двойная спираль раскручивается специальными ферментами и разъединяется на две самостоятельные нити. Каждая нить при участии фермента ДНК-полимеразы достраивает вторую цепочку, присоединяя имеющиеся свободные нуклеотиды. В результате взамен существовавшей одной двойной спирали появляются две её точных копии. Такой процесс удвоения ДНК получил название редупликация. После окончания редупликации клетка приступает к делению с образованием двух новых клеток, в каждой из которых находится по одной молекуле ДНК.

Помимо ДНК в клетке имеется ещё несколько видов нуклеиновых кислот, которые называются рибонуклеиновыми (РНК). Эти нуклеиновые кислоты отличаются тем, что являются преимущественно одноцепочечными, синтезируются матричным способом на соответствующих участках ДНК и не имеют в своём составе тимина, который в процессе синтеза заменяется на ещё один вид азотистых оснований – урацил (У). В нуклеотидах РНК происходит также замена дезоксирибозы на рибозу.

Информационная РНК (иРНК) представляет собой копию гена и непосредственно участвует в процессе синтеза белка (переносит информацию с ДНК на белок). Транспортная РНК (тРНК) – небольшие молекулы, осуществляющие доставку аминокислот к иРНК и определяющие точное местоположение каждой аминокислоты, присоединяясь к соответствующему триплету иРНК. Рибосомальная РНК (рРНК) – крупные молекулы, входящие в состав рибосом, являющихся органоидами, осуществляющими процесс синтеза белков.

К классу нуклеиновых кислот следует также отнести относительно небольшие молекулы, являющиеся основными накопителями и переносчиками химической энергии в клетке. Такими молекулами являются аденозинтрифосфат (АТФ) и гуанозинтрифосфати (ГТФ). Обе молекулы имеют однотипное строение и представляют собой соответствующий нуклеотид, соединённый с двумя остатками фосфорной кислоты. Химические связи между остатками фосфорной кислоты характеризуются большой энергоёмкостью. При их разрыве выделяется большое количество энергии, которая может быть использована для осуществления различных биохимических процессов.

Синтез белка

В каждой конкретной ситуации клетка должна производить определённый, нужный в данных условиях, набор белков, который составляет только ничтожную часть всех белков, закодированных в ДНК. Поэтому подавляющее большинство генов клетки в обычных условиях заблокировано, гены не готовы для запуска процесса синтеза белка. Каждый ген или кооперативная группа генов, имеет так называемый акцепторный участок ДНК, который отвечает за экспрессию(начало работы) или репрессию (прекращение работы) гена.

Условия, в которых должна произойти экспрессия гена, представляют собой определённый набор факторов, часть из которых (обычно некоторые появившиеся молекулы) так воздействуют на акцепторную зону, что запускается ферментативный процесс раскручивания кодирующего участка ДНК и разделение его на две нити. На одной из этих нитей, которая является кодирующей, с помощью фермента РНК-полимеразы, при наличии свободных нуклеотидов, начинается матричный синтез иРНК (транскрипция). У эукариот этот процесс протекает в ядре. После некоторых химических преобразований готовая иРНК перемещается из ядра в цитоплазму, где начинает протаскиваться через реакционный центр специальных немембранных органоидов – рибосом. Реакционный центр рибосом устроен так, что в нём одновременно могут разместиться два триплета. Вокруг рибосом находятся молекулы тРНК. На одном конце каждой тРНК имеется триплет, комплементарный одному из триплетов иРНК, а на другом конце – соответствующая молекула аминокислоты. Все молекулы находятся в хаотичном тепловом движении, но как только триплеты 2-х тРНК оказываются рядом с комплементарными триплетами в рибосоме, они тут же фиксируются водородными связями и ферменты рибосомы соединяют аминокислоты пептидной связью. После этого рибосома перемещается вдоль иРНК к следующему триплету, присоединяя аналогичным образом следующую аминокислоту и т. д. Процесс синтеза белка с участием иРНК, тРНК и рибосом называется трансляцией. Трансляция представляет собой превращение последовательности нуклеотидов (триплетов) в последовательность аминокислот полипептидной цепи. Образовавшаяся полипептидная цепь сворачивается в третичную структуру и начинает участвовать в соответствующих процессах клетки.

При появлении условий, в которых данный белок не нужен, акцепторная зона в результате отсутствия необходимых факторов или при появлении новых факторов изменяется так, что происходит репрессия гена, процесс синтеза данного белка прекращается.