Молекулярно-генетический уровень. Генетический код

Процесс научного исследования глу­боко интимен: иногда мы сами не знаем, что мы делаем.

Ф. Крик

Один из величайших прорывов науки в познании структуры живой материи на молекулярно-генетическом уровне произошел 24 апреля 1953 года. В этот день была опубликована статья американского биохимика Джеймса Уотсона и английского биофизика Френсиса Крика, раскрывающая структуру носителя наслед­ственности всего живого на Земле - молекулы ДНК.

Рентгеноструктурные исследования и анализ ре­зультатов на ЭВМ показали, что ДНК состоит из двух цепей, закрученных между собой так, чтобы сохранялись определенные углы между разными атомными группировками. Образуется двойная спираль, в которой роль остовов цепей играют сахарофосфатные группировки, а перемычками слу­жат основания пуринов и пиримидинов. Каждаяперемычка образована двумя основаниями, при­соединенными к двум противоположным цепям, причем если у одного основания одно кольцо, то у другого - два. Отсюда это могут быть аденин и тимин или гуанин и цитозин. Поскольку состав перемычек всегда одинаков, то остовы цепей на­ходятся на одном расстоянии и удерживаются вместе водородными связями между основаниями. Согласно модели Уотсона и Крика наследствен­ную информацию несет последовательность четы­рех оснований (двух пуриновых и двух пиримидиновых).

Поскольку в белках содержится 20 аминокислот, не­обходимо было объяснить, как четырехбуквенная за­пись структуры ДНК может быть переведена в двад-цатибуквенную запись аминокислот белков. Основной вклад в расшифровку механизма кодирования внес физик-теоретик Г. Гамов в середине 50-х годов.

По его предположению, для кодирования од­ной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Такая элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокис­лоту, получила название кодон.

Нуклеиновые кислоты, являющиеся носителями информации, выполняют три функции: 1) хранение ин­формации; 2) реализация этой информации в процессе роста новых клеток; 3) самовоспроизведение. Инфор­мация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, прояв­ляется в образовании ферментов.

Сходство и различие живых тел определяется набором белков. Путем синтеза различных белков в соответствии с генетическим кодом реализуется многообразная ин­формация о свойствах организма.

Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном в соот­ветствии со знаменитой концепцией американс­ких ученых Дж. Бидла и Э. Тейтума, выраженной формулой «один ген - один фермент».

Ген представляет собой внутриклеточную молеку­лярную структуру, по химическому составу это нуклеи­новые кислоты, в которых основную роль играют азот и фосфор.

Гены располагаются, как правило, в ядрах кле­ток и по своей роли в организме являются своего рода «мозговыми центрами» клеток.

У высших организмов гены входят в состав хро­мосом - самовоспроизводящихся структур, посто­янно присутствующих в ядрах клеток животных и растений и участвующих в процессе размножения.

Гены располагаются в хромосомах в линейном по­рядке. Самоудвоение и распределение хромосом при клеточном делении обеспечивает передачу наследст­венных свойств организма от поколения к поколению. Хромосомы различимы в виде четких структур под микроскопом во время деления клеток. Каждая хромо­сома имеет специфическую форму и размер.

Например, у человека из 23 пар хромосом 22 пары одина­ковы у мужского и женского организмов, а одна пара различ­на. Именно благодаря этой паре различаются два пола, ее на­зывают половыми хромосомами (одинаковые хромосомы называются аутосомами). Половые хромосомы у женщин одинаковы, их назвали Х-хромосомами. У мужчин, кроме Х-хромосом, имеется Y-хромосома, которая и играет решаю­щую роль при определении пола.

Совокупность генов, содержащихся в одинар­ном наборе хромосом данной растительной или животной клетки, называется геномом.

Процесс воспроизводства состоит из трех частей: реп­ликации, транскрипции, трансляции. Репликация - это удвоение молекул ДНК, необходимых для последующе­го деления клеток. Основой способности клеток к само­воспроизведению является уникальное свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репро­дуцированных хромосом. Это служит условием возмож­ности деления клетки на две идентичные.

При репликации ДНК разделяется на две цепи, после чего вдоль каждой цепи из нуклеотидов, свободно пребывающих внутри клетки, выстраи­вается еще одна цепь, в точности идентичная мат­ричной.

Транскрипция представляет собой перенос ко­да ДНК путем образования одноцепочной моле­кулы информационной РНК на одной нити ДНК.

РНК отличается от ДНК тем, что вместо дезоксирибозы содержит рибозу (отличается на одну гидроксильную группу каждого сахарного кольца) и вместо тимина содержит урацил. Информационная же РНК - это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы рядом лежащих генов, которые несут информа­цию о структуре белков.

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

Вопрос о том, каким именно путем получаются раз­ные белки и клетки, или проблема генной активности, был решен французскими учеными Жаком Моно и Фран­суа Жакобом в 1960-х годах.

Они показали, что по своим функциям все гены разделяются на «регуляторные», которые коди­руют структуру регуляторного белка, и «структур­ные», кодирующие синтез ферментов.

Ген-регулятор производит молекулу-репрессор. Она выключает при необходимости оператор, размещаю­щийся на одном конце оперона (группы генов), в резуль­тате чего данные ферменты не производятся.

В 1950-х годах было установлено, что во всех ДНК частота встречаемости аденина (А) равна частоте встре­чаемости тимина (Т), а гуанина (Г) в них столько же, сколько и цитозина (Ц). В этом суть «пятого правила Чаргоффа», получившего отражение в статистическом уравнении А + Т = Г + Ц. Молекулы ДНК разных ор­ганизмов различаются по частоте встречаемости пар нуклеотидных оснований и по порядку их расположе­ния в молекулах. Геномы организмов различаются так­же по числу нуклеотидов, составляющих их ДНК. В кон­це 50-х годов одновременно учеными Пастеровского института в Париже и Московского университета под руководством Н. А. Белозерского была выдвинута гипо­теза о том, что различия в частоте встречаемости и по­рядке расположения нуклеотидов в ДНК для разных организмов имеют специфический для видов характер. Эта гипотеза позволила изучать на молекулярном уров­не эволюцию живого и характер видообразования.