Самым значительным открытием (точнее, группой открытий) в биологии ХХ века является открытие материальных основ наследования. К середине ХХ века уже было известно, что практически все процессы, происходящие в живых клетках, прямо или косвенно связаны с белками. С другой стороны, опыты Эвери по трансформации бактерий убедительно показали, что носителем наследственной информации является ДНК. Но долгое время было совершенно непонятно, как одно сопрягается с другим. Ключом к пониманию молекулярной природы наследования стало открытие Уотсоном и Криком структуры ДНК и последовавшая за этим расшифровка генетического кода. Уотсон и Крик обнаружили, что молекула ДНК свёрнута в двойную спираль наподобие винтовой лестницы, причём две цепи ДНК уложены друг относительно друга антипараллельно. Снаружи этой спирали располагаются два слоя дезоксирибозы (пятиатомный сахар), соединённые фосфатными мостиками. Эти две цепи внутри спирали объединены парами азотистых оснований («ступеньки лестницы»), соединенными друг с другом водородными связями. Важнейшим принципом, позволяющим описать структуру ДНК, а также предсказать некоторые её свойства, является принцип комплиментарности. Регулярную, правильную двойную спираль могут образовать только такие цепи ДНК, в которых напротив аденина всегда стоит тимин, а напротив цитозина – гуанин.
Таким образом, зная последовательность одной цепи ДНК, можно без труда достроить вторую, комплиментарную ей цепь. Так осуществляется удвоение ДНК в процессе деления клетки. Материнская ДНК «расплетается» и к каждой цепочке пристраивается новая «дочерняя», и из одной спирали ДНК получается две. Этот процесс называется полуконсервативной репликацией ДНК и происходит при участии нескольких ферментов, важнейшим из которых является ДНК-полимераза. Такой процесс синтеза, когда строение образующегося полимера определяется другими макромолекулами (матрицами), называется матричным синтезом. При репликации материнская цепь ДНК служит матрицей для синтезируемой дочерней цепи. Другим примером матричного синтеза является синтез белков. О матрице можно сказать, что она «кодирует» образующийся полимер. В случае репликации это относительно простое кодирование: четырём основаниям материнской цепи соответствуют четыре же основания дочерней. Причем аденин материнской цепи кодирует (предопределяет) тимин дочерней цепи (А–Т), и далее: G–C, T–A, C–G. Однако в белках содержится 20 аминокислот, а в ДНК, только четыре типа основания. Значит, ДНК не может кодировать белок 1 : 1. Генетический код триплетен – одна аминокислота кодируется тремя основаниями последовательно стоящими в ДНК. ДНК кодирует синтез белка не напрямую. Роль «адаптеров», посредников в этом процессе играют молекулы РНК. Процесс синтеза белка состоит из двух стадий: транскрипции и трансляции (иногда между транскрипцией и трансляцией выделяют стадию процессинга – созревания и-РНК, в ходе которого матричная молекула и-РНК подготавливается к дальнейшему «использованию»).
Транскрипция – процесс синтеза информационной (матричной) РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. Он происходит во всех живых клетках. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК. У эукариот транскрипция происходит в ядре клетки. Аналогично в ядре синтезируются и другие виды РНК – транспортная и рибосомальная. Транскрипция катализируется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Соответствие между ДНК и матричной РНК выглядит следующим образом (вместо тимина в РНК присутствует другое основание – урацил): А–U, T–A, G–C, C–G. Модель 1. Транскрипция РНК Трансляция – осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК. Трансляция является финальной стадией реализации генетической информации. Функция рибосом заключается в узнавании трёхбуквенных (трёхнуклеотидных) кодонов и-РНК, сопоставлении им соответствующих аминокислот и присоединении этих аминокислот к растущей белковой цепи. Двигаясь вдоль молекулы и-РНК, рибосома распознает кодон за кодоном и синтезирует белок в соответствии с информацией, заложенной в молекуле и-РНК. Для узнавания аминокислот в клетке имеются специальные «адаптеры», молекулы транспортной РНК (т-РНК). Эти молекулы, которым характерна вторичная структура в форме клеверного листа, имеют участок (антикодон – вершина средней петли), комплементарный кодону и-РНК, а также другой участок (основание «черешка» «клеверного листа»), к которому присоединяется аминокислота, соответствующая этому кодону. Присоединение аминокислот к т-РНК осуществляется ферментами аминоацил-т-РНК-синтетазами, а получившаяся молекула называется аминоацил-т-РНК. Таким образом, специфичность трансляции определяется взаимодействием между кодоном и-РНК и антикодоном т-РНК, а также специфичностью аминоацил-т-РНК-синтеназ, присоединяющих аминокислоты строго к соответствующим им т-РНК (например, кодону GGU будет соответствовать т-РНК, содержащая антикодон CCA, а к этой т-РНК будет присоединяться только аминокислота глицин). Механизмы трансляции прокариот и эукариот существенно отличаются, поэтому многие вещества, подавляющие прокариотическую трансляцию, в значительно меньшей степени действуют на трансляцию высших организмов, что позволяет использовать их в медицинской практике как антибактериальные средства безопасные для организма млекопитающих. Процесс трансляции разделяют на инициацию – узнавание рибосомой стартового кодона и начало синтеза, элонгацию – собственно синтез белка и терминацию – узнавание терминирующего кодона (стоп-кодона) и отделение продукта. В регуляции трансляции кроме рибосом, матричных РНК и транспортных РНК принимают участие особые белки, так называемые факторы транскрипции.
Соответствие между последовательностью нуклеотидов и-РНК (или ДНК) и последовательностью аминокислотных остатков в белке называют генетическим кодом. Обычно его изображают в виде таблицы.
Кроме «смысловых» кодонов (триплетов), кодирующих определённую аминокислоту, есть три стоп-кодона; на них останавливается считывание последовательностей на рибосоме. Генетический код обладает следующими свойствами:
|
