Молекулярно-генетический уровень живых структур

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТОРГОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КЕМЕРОВСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ФАКУЛЬТЕТ ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

Кафедра философии и социологии

Контрольная работа по дисциплине

"Концепции современного естествознания"

по теме: "Молекулярно-генетический уровень живых структур"

Выполнил:

студент группы ПИс-061

(сокращенная форма обучения)

Жилкова Ольга Анатольевна

г. Кемерово 2007 г.

Содержание

Введение

1. Молекулярно-генетический уровень живых структур

1.1 Белки

1.2 Химические основы наследственности

1.3 Нуклеиновые кислоты

1.4 Распределение генов

1.5 Репликация нуклеиновых кислот

1.6 Генетический код

Заключение

Литература

Введение

Много лет назад А. И. Опарин высказал предположение, что в первичном океане образовались капли, содержавшие макромолекулы; эти капли были названы им коацерватами. Такие микроскопические капли описал Бундерберг де Ионг. Обычно они возникают при смешивании растворенных веществ, несущих разные электрические заряды. Сохранялись только те капли, которые были приспособлены к существовавшим тогда условиям. Возможно, они погружались на дно, и это защищало их от губительного действия ультрафиолетового излучения.

Коацерваты Бунгерберга представляют собой статические системы, но в первичном океане постепенно смогли развиться "динамические" капли, стабильность которых увеличилась за счет сбалансированного поступления и выделения компонентов. Внутри капель концентрации растворенных веществ, например, аминокислот, могли быть гораздо выше чем в окружающей их водной среде, поэтому реакции протекали в них довольно быстро. Эти реакции, возможно, были более специфичными, чем в разбавленных растворах; в некоторых каплях, по-видимому, имелись катализаторы, предшественники ферментов. Позднее некоторые капли приобрели способность реагировать на изменения, происходящие во внешней среде, соответствующими компенсаторными изменениями. Для поддержания динамического состояния и для регуляции требовался источник свободной энергии.

Многочисленные работы, в которых исследовалось поведение искусственных коацерватов в различных условиях были выполнены А. И. Опариным и его сотрудниками. Поразительные данные были получены в одном из экспериментов: капли, содержавшие фосфорилазу, синтезировали крахмал из имевшегося в среде глюкозо-l-фосфата по мере его диффузии из среды внутрь капель. Если в состав капель вводили, кроме того, амиазу, то крахмал гидролизировался до мальтозы, которая путем диффузии выделалась наружу.

Коацерваты, изучавшиеся Опариным, образованы биогенными макромолекулами. Вот почему Бернал предположил, что коацерваты могли возникнуть только на более позднем этапе эволюции. Однако Эррера смог получить микроскопические капельки из небиогенных макромолекул, инкубируя растворы тиоцианата аммония и формальдегида; по мнению Эрреры, подобные капельки могли существовать в первичном океане.

Фокс получил из своих искусственных протеиноидов "микросферы", обрабатывая их водой или растворами соли. Правильно приготовленные микросферы устойчивы, однообразны и обладают определенной ультраструктурой. В некоторых случаях они имеют двуслойную оболочку и избирательно поглощают растворенные вещества путем диффузии. В гипер- или гипотонических растворах они соответственно сморщиваются или набухают. Микросферы могут расти путем аккреции и размножаться посредством почкования или сходных процессов, несколько напоминая этим микроорганизмы. На какой-то стадии их можно рассматривать как "протоклетки".

В исходных представлениях о коацерватах и микросферах не упоминалось о нуклеиновых кислотах. Авторы предполагали, что на этой ступени эволюции единственными информационными макромолекулами были белки. В таком случае позже белки утратили эту исключительную функцию. Но, конечно, можно предположить, что нуклеиновые кислоты содержались в коацерватах и микросферах, особенно в микросферах, состоящих из основных протеиноидов. Согласно представлениям Фокса, механизмы с участием нуклеиновых кислот возникли как "эволюционное усовершенствование" и теперь на какой-то стадии мог начаться поток информации в обоих направлениях между двумя типами макромолекул.

В противоположность Фоксу Оргель считает, что белки никогда не могли воспроизводить себя, а этим свойством обладали только нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды). Образование полинуклеотидов неферментативным путем, т. е. без участия белков, показано в опытах; например, полинуклеотиды могут синтезироваться путем конденсации подходящих производных оснований на матрице, образованной искусственным полинуклеотидом. Процессы такого типа, по-видимому, существовали уже на самых ранних этапах эволюции, и позднее протеканию этих процессов могло способствовать взаимодействие с не существующими информацию полипептидами или белками. Катализаторами, возможно, служили различные поверхности. Полупроницаемые мембраны вокруг первичных образований могли возникнуть только после того, как начался биосинтез, катализируемый ферментами, и когда потребовалось удерживать и защищать продукты этого биосинтеза. В химии атомы углерода имеют исключительную судьбу. Они могут взаимодействовать друг с другом, а также с водородом, кислородом, азотом и некоторыми другими атомами с образованием длинных цепей углеводородов или пятичленных и шестичленных колец. В природных условиях подобные углеродные соединения найдены только в живых или ископаемых организмах, и поэтому они были названы органическими веществами. Уже в конце столетия из живых организмов было выделено несколько "непосредственных начал", таких, как мочевина, щавелевая и яблочная кислоты. Поэтому в течение долгого времени полагали, что молекулы этого типа могут быть образованы только жизненными силами самих организмов. Однако к началу XIX в. из биологического материала были экстрагированы многие новые органические вещества и довольно много органических соединений. Их исследованием занимается наука биохимия. Молекулы жизни могут быть разделены на четыре основных класса: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. В настоящее время полагают, что в эволюционном процессе два последних класса молекул образовались позже и что жизнь возникла из неживой материи после появления белков и нуклеиновых кислот.

1. Молекулярно-генетический уровень живых структур

1.1 Белки

Белки образуются из большого числа аминокислот, которые связаны между собой пепдиной связью. Каждый белок имеет уникальную аминокислотную последовательность, называемую первичной структурой, которая определяется наследственными факторами. Типичный белок может содержать вплоть до 200 аминокислот. Длинная полимерная цепь свертывается в пространстве в трехмерную структуру, которая определяется как конформация белка. Каталитическая активность молекулы белка существенно зависит от ее конформации. Растянутая молекула белка теряет свою каталитическую активность.

Две аминокислоты одинакового состава могут отличаться друг от друга так же, как левая и правая руки, и в этом смысле их структуры не совмещаются. По причинам, которые пока еще не ясны, в качестве "строительных блоков" для живых организмов природа выбрала лишь одну "руку" - левовращающие аминокислоты.

1.2 Химические основы наследственности

Химические основы наследственности. Доказательства хранения и передачи генетической информации нуклеиновыми кислотами. Первые экспериментальные данные о хранении и передаче генетической информации нуклеиновыми кислотами были получены в 1944 г. Эвери и сотрудниками при работе с бактериями. Опыты проводили с двумя генетически различными штаммами пневмоккоков. В одном штамме бактерии были заключены в полисахаридные капсулы, во втором лишены их. В каждом штамме соответствующий признак стойко наследовался при размножении бактерий. Из бактерий капсульного штамма (штамма-донора) выделяли ДНК и ее раствором обрабатывали бактерий бескапсульного штамма (штамма-реципиента), после чего среди потомков подвергшихся этому воздействию бескапсульных бактерий, некоторые приобретали полисахаридную капсулу и передавали этот признак своему потомству, среди которого он затем стойко наследовался в течение любого числа поколений. Тщательная очистка экстракта ДНК от белковых примесей и обработка его протеазами (ферментами, разрушающими белки) и другими разрушающими белки воздействиями не лишала его способности превращать бескапсульных бактерий в бактерий, имеющих капсулу, но если на такой же экстракт действовали дезоксирибонуклеазой (ферментом, специфически разрушающим ДНК), то способность эта полностью утрачивалась. Таким образом, было установлено, что ДНК, выделенная из бактерий, несущих ген, определяющий образование полисахаридной капсулы, может переносить этот ген в бактерии, его содержащие. Явление это, получившее название генетической трансформации, было затем изучено многими исследователями и было показано, что оно воспроизводимо не только у пневмококков, но и у других бактерий, причем посредством ДНК можно передавать из одного бактериального штамма в другие (а в ряде случаев даже другим видам бактерий) самые разнообразные гены, например определяющие их устойчивость к различным антибиотикам или сульфаниламидам, особенности роста культуры, способность сбраживать разные сахара, синтез тех или иных аминокислот, серологические свойства и т. д. Если исследуются штаммы, различающиеся по нескольким генам, то с помощью ДНК можно переносить из одного штамма в другой не только каждый ген в отдельности, но в некоторых случаях трансформация идет по двум генам сразу, т. е. оба гена переносятся вместе, что указывает на относительно большую величину включившегося в реципиент фрагмента молекулы ДНК, содержащего минимум два гена донора. Такая совместная передача при трансформации двух генов бывает только тогда, когда эти гены лежат близко друг к другу в бактериальной хромосоме

1.3 Нуклеиновые кислоты

Организмы содержат еще один тип гигантских макромолекул, называемых рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислотами, сокращенно РНК и ДНК. Структуры и функции этих молекул коренным образом отличаются от таковых для белков. Молекулы ДНК заключают в себе всю информацию и "правила", необходимые для синтеза совершенно любого биологического материала, включая свое собственное образование, увековечивая тем самым биологические виды.

Фрагменты ДНК, содержащие один остаток сахара, один основания и один или более фосфата, называются нуклеотидами. Они играют очень важную роль в жизни клетки как предшественники ДНК или кофакторы ферментов. Один из этих нуклеотидов, аденозинтрифосфат (АТФ), играет значительную роль в клеточном метаболизме. Эта молекула является "энергетической валютой" всех живых организмов.

Очень важная особенность нуклеиновых кислот состоит в апериодичности строения их гигантских молекул. Множество нуклеотидов четырех типов, представляющих звенья этих молекул, следует в линейной молекуле друг за другом в самых различных сочетаниях, но сочетания эти строго постоянны для каждого рода ДНК или РНК данного организма. Такое чередование нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот можно сравнить с порядком чередования букв в письменном тексте, где буквы расположены в разной последовательности, но последовательность эта вполне определенна и специфична для слов и предложений, составляющих данный конкретный текст. Именно такая специфичность строения полимерных молекул нуклеиновых кислот определяет возможность хранения в них обширной и сложной генетической информации.

"Алфавит" жизни включает всего четыре молекулы, которые относятся к двум различным классам химических веществ: пуринам и пиримидинам. Два пурина аденин и гуанин и два пиримидина цитозин и тимин - основания, а также существует еще одно основание - урацил, которое входит только в структуру РНК. Принято обозначать основания соответствующими начальными буквами: аденин - А, гуанин - Г, цитозин - Ц, тимин - Т и урацил - У. Подобно этому, матрицы живых организмов состоят из длинной последовательности фосфатных и углеводных молекул, образующих остов, к которому прикреплены четыре основания. ДНК содержит сахар дезоксирибозу, а РНК – некоторый отличный сахар рибозу. РНК имеет тоже четыре типа оснований, из которых три (аденин, гуанин и цитозин) такие же, как в ДНК, а тимин заменен здесь другим пиримидином – урацилом.

На языке ДНК все слова, или кодоны, написаны тремя буквами и они указывают "старт", "остановку" или кодирование одной из 24 аминокислот. полное "предложение", или ген, кодирует специфический белок. Понятия "язык ДНК", или генетический код, очень часто являются синонимами. Например, оба триплета оснований ЦАУ и ЦАЦ кодируют аминокислоту гистидин. Молекула ДНК данного организма является законченной "книгой сказаний" этого организма. Вся древняя история и будущее развитие организма отпечатаны на матрице ДНК.

Если матрица не используется, она должна быть заключена в оболочку для защиты от времени, эрозии и вредного окружения. Организмы совершают это путем обертывания двух идентичных молекул - полинуклеотидных спиралей - вокруг друг друга, так что образуется двойная спираль молекулы ДНК. Все основания, несущие информацию, в целях их лучшей сохранности обращены внутрь двойной спирали. Однако две цепи имеют противоположное направление, так что пиримидины образуют водородные связи с пуринами комплементарного тяжа.

Пространственная конфигурация (конформация) молекул ДНК была установлена в 1953 г. Уотсоном и Криком на основании рентгенографического исследования и биохимических данных. Согласно предложенной ими модели, подтвержденной позже множеством других работ, молекула ДНК состоит из двух нитей, образующих правовидную спираль. Азотистые основания обеих нитей ориентированы в направлении к середине спирали, причем аденин одной нити всегда находится напротив тимина другой нити, а гуанин одной нити – напротив цитозина другой нити. В каждом из этих пар основания соединены друг с другом водородными связями; две такие связи имеются в паре аденин-тимин и три - в паре гуанин-цитозин. Вследствие такой комплементарности азотистых оснований порядок чередования нуклеотидов в обеих нитях ДНК оказывается взаимообусловленным, а обе нити спирали расположены антипараллельно и представляют как бы реплики друг друга.

Комплементарность двух нитей молекулы ДНК приводит к тому, что число пуринов в ней равно числу пиримидинов. Молекулы ДНК бывают либо линейными, либо замкнутыми в кольцо, обычно еще перекрученныое; такие кольцевые молекулы ДНК характерны для хромосом и плазмид бактерий, для ряда ДНК – содержащих вирусов, для митохондрий, пластид, кинетопластов. В редких случаях молекулы ДНК не двунитевые, а однонитевые; подобную структуру имеют ДНК некоторых мелких фагов.

Молекулы разных ДНК сильно различаются своими размерами, но все они очень крупные (макромолекулы) и состоят из огромного числа (тысяч, миллионов или миллиардов) мономеров – нуклеотидов и соответственно этому характеризуются очень большими молекулярными весами. По-видимому, все ДНК являются геномными, т. е. всегда служат хранителями генетической информации и везде, кроме РНК-содержащих вирусов, вся генетическая информация сосредоточена в ДНК и при размножении передается ею следующим поколениям.

Наиболее замечательный факт, обнаруженный в "живых" системах, заключается в том, что генетический код идентичен для трех с половиной миллионов видов известных растений и одного миллиона видов животных.

В отличие от ДНК молекулы РНК, как правило, однонитевые. Построены они аналогично нитям ДНК. Однонитевое строение молекул большинства РНК обусловливает относительную лабильность их конформаций и в растворе они нередко образуют клубообразные структуры. Однако во многих РНК в пределах одной нити встречаются участки с одинаковой, но противоположно ориентированной ("палиндромной") последовательностью комплементарных оснований, что приводит к возникновению "шпилек", хорошо видимых в электронном микроскопе, в которых два комплементарных друг другу участка одной нити сближены и соединены водородными мостиками между парами оснований. Если нить РНК имеет несколько таких комплементарных друг другу участков, то образуется несколько "шпилек" и конфорация молекулы приобретает значительную жесткость, что особенно характерно для так называемых транспортных РНК.

В зависимости от функций, присутствующих молекулам РНК, все РНК могут быть разделены на несколько классов. Из них только РНК, находящиеся в РНК-содержащих вирусах, являются геномными, т.е. хранят и передают следующему поколению соответствующую генетическую информацию. Остальные РНК (рибосомные РНК, матричные РНК, транспортные РНК и др.) выполняют иные функции, главным образом связанные с реализацией генетической информации. Размеры молекул РНК очень различны, но в общем они меньше молекул ДНК. Геномные РНК вирусов относятся к самым крупным.

Кроме перечисленных главных азотистых оснований, в состав некоторых нуклеиновых кислот в небольшом количестве входят еще друге азотистые основания, получившие название минорных. Так, у высших животных и высших растений в ДНК небольшая часть цитозинов заменена 5-метилцитозином, а ДНК ряда фагов весь цитозин заменен 5-оксиметилцитозином. В некоторых типах РНК в незначительном количестве встречаются псевдоуридин, метилгуанин и другие минорные основания.

Различные виды РНК служат посредниками для переноса генетичекой информации с ДНК на белки. Только они находятся в контакте с аминокислотами и белками. Поэтому естественно предположить, что РНК - первая информационная биомолекула, возникшая в предбиологической среде.

1.4 Распределение генов

То, что гены расположены в хромосомах, казалось бы, не соответствует тому факту, что у людей только 23 пары хромосом и вместе с тем тысячи различных признаков, которым должны соответствовать тысячи различных генов. Одних только признаков, сцепленных с Х-хромосомой, несколько сотен, а на самой короткой аутосоме расположены также сотни генов. Как это согласуется с менделеевским законом независимого распределения признаков? Это значит, что закон независимого распределения признаков применим только для генов, расположенных на разных хромосомах; сначала ученым необходимо было определить основные законы и выяснить природу наследственности на примере простейших признаков. На самом деле многие гены расположены на одной и той же хромосоме, поэтому они, как правило, наследуются вместе. Такие гены называются сцепленными. Одно из достижений современной генетики и заключается в том, что созданы карты сцепления для многих признаков. На этих картах показано также относительное положение генов на хромосомах, эти карты имеют не только теоретическое, но и практическое значение.

Место, которое ген занимает на хромосоме, называется локусом. За исключением тех редких случаев, когда происходит перестройка хромосомы, у всех представителей отдельного биологического вида каждый ген имеет строго определенный локус. О существовании генов узнали по мутациям, которые обычно изменяют гены, делая их дефектными или необычными. Большинство наследственных признаков известны по таким наследственным заболеваниям, как гемофилия, дальтонизм и фенилкетонурия. Нормальные аллели гена называются дикими, хотя, как правило, этот термин применим только для некоторых организмов, с которыми проводят опыты. Гены, определяющие такие признаки человека, как цвет глаз или группу крови, обычно дикими не называются. В естественной популяции имеется много аллелей одного гена. Мутантный аллель можно использовать как маркер, помогающий определить местоположение гена. Например, дефектный ген гемоглобина, который вызывает серповидноклеточную анемию, можно использовать как маркер для определения локуса генов гемоглобина вообще. Без такого варианта гена у нас бы было мало возможностей исследовать эти гены.

Генетическая карта хромосомы представляет собой линию, на которой отмечены локусы генов и относительные в единицах карты. Хотя некоторые методы с использованием микроскопа позволяют ученым непосредственно определить локус гена на хромосоме, обычно устанавливают локус гена относительно других генов. Для этого требуются организмы, гетерозиготные по двум генам, чтобы две маркированные хромосомы могли взаимодействовать друг с другом. Для этого требуются организмы, гетерозиготные по двум генам, чтобы две маркированные хромосомы могли взаимодействовать друг с другом. Распределение аллелей в этих организмах называется родительской комбинацией.

В профазе мейоза гомологичные пары выстаиваются напротив друг друга и удерживаются вместе в хиазмах, то есть в точках, где их хроматиды переплетаются друг с другом. Иногда в точке хиазмы хроматиды разрываются и обмениваются друг с другом сегментами. Такой процесс называется кроссинговером. Если кроссинговер происходит между локусами двух генов, то аллели этих генов перераспределяются между хромосомами.

Определить расстояние между генами человека – достаточно сложно. У большинства организмов, скрещивать которые можно по выбору, весь процесс состоит из двух стадий. Сначала скрещиваются между собой гомозиготы с нужными аллелями и получается и получается гетерозиготное потомство, у которого могут происходить рекомбинации; затем скрещиваются особи второго поколения, и изучается их потомство. У людей первая и вторая стадии соответствуют браку, над которым мы не властны, и поэтому остается только изучать потомков от таких браков. Установив расстояние между двумя генами, можно по одному добавлять и другие гены.

Легче всего определять положение генов, сцепленных с полом, потому что расположение аллелей как минимум одной из Х-хромосом женщины можно определить по Х-хромосоме ее отца, а генотип Х-хромосомы ее сыновей также определяется непосредственно. Построить карту аутосомных хромосом труднее. В наше время созданы превосходные карты для некоторых лабораторных и культурных растений и животных.

1.5 Репликация нуклеиновых кислот

При размножении любых форм жизни (кроме вирусов РНК-типа) происходит увеличение числа молекул ДНК. У многоклеточных организмов из двух слившихся гамет получается тысячи, миллионы или миллиарды клеток тела; у бактерий и простейших из одной родительской клетки возникают две, из них четыре и затем, в геометрической прогрессии, множество новых; у ДНК-содержащих вирусов вместо одного вириона образуется десятки и сотни вирионов следующего поколения. Во всех случаях каждая исходная молекула ДНК каким-то образом дает начало огромному числу новых, причем сохраняются в неизменном виде все особенности, присущие ДНК данного живого существа и различные у разных из них. Лишь очень редко, когда возникает мутация, происходят небольшие искажения этой хранящейся в ДНК генетической информации, но они крайне ничтожны по сравнению с колоссальным ее объемом, записанным в чередовании азотистых оснований молекулы.

Процесс получения двух копий (или реплик) изначальной молекулы ДНК называется репликацией, и модель Уотсона-Крика объясняет, как это возможно. В каждой молекуле ДНК одному нуклеотиду соответствует комплементарный ему нуклеотид, и одна цепь ДНК целиком комплементарна другой. Репликацию выполняет сложный фермент ДНК-полимераза, которая начинает разрывать двойную спираль, словно застежку-молнию, оставляя по одному основанию на каждой цепи. Суть процесса сводится к тому что молекулы ДНК-полимеразы движутся вдоль каждой цепи и синтезируют комплементарные цепи, образуя таким образом двойную спираль вместо одинарной. Каждое свободное основание связывается исключительно с компленментарным нуклеотидом. Например, открытый цитозин привлекает к себе новый гуанин, а открытый аденин – тимин. В клетке содержится достаточно свободных нуклеотидов, потому что в процессе метаболизма они образуются постоянно, и полимераза связывает парные основания вместе. Так, каждая цепь определяет формирование комплементарной ей цепи с последовательностью, идентичной последовательности прежней парной цепи. В конечном счете получаются две спирали, идентичные начальной молекуле.

Нуклеотидная последовательность ДНК должна хранить генетическую информацию, и последнее предположение, вытекающее из модели Уотсона – Крика, состоит в том, что мутации происходят в тех случаях, когда одно основание заменяется на другое или когда цепь рвется и перестраивается. Такое случается редко, но если происходит, то в клетке имеются механизмы исправления некоторых ошибок. Тем не менее в каждом организме содержится огромное количество ДНК, и если вероятность вставки ошибочного основания равна только одной миллионной, то на каждые 10 миллионов оснований будет приходится 10 ошибок, и мутация становится силой, с которой следует считаться.

1.6 Генетический код

Исследования, приведшие к расшифровке генетического кода, из которых особенно большое значение имени генетические работы Крика с сотрудниками в Англии и биохимические работы Ниренберга, Очоа и Корнберга в США, вскрыли следующие основные свойства кода:

1) Код неперекрывающийся.

2) Каждая аминокислота кодируется группой из трех нуклеотидов (триплетом нуклеотидов).

3) Последовательность нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты считывается с закрепленной точки. Это определяет, как считывать в виде триплетов всю длинную цепь нуклеотидов. Не имеется никаких запятых, разделяющих триплеты и указывающих, как выбирать нужные.

4) Код вырожденный, т. е. одна аминокислота может кодироваться не одним, а несколькими определенными триплетами нуклеотидов.

Представимы два принципиально различные кода – неперекрывающийся и перекрывающийся. Объяснить разницу между ними можно следующим примером. Допустим, что каждая аминокислота определяется сочетанием трех нуклеотидов и что считываемый отрезок мРНК имеет следующую структуру (структура выбрана произвольно, указаны начальные буква названий азотистых оснований нуклеотидов: А – аденин, Г – гуанин, Ц – цитозин, У – урацил): ААЦУГГЦУАГЦЦУУГ

Если код неперекрывающийся, то считывание группами по три нуклеотида может происходить только одним способом, а именно: А-А-Ц-Г-Г-Ц-У-А-Г-Ц-Ц-У-У-Г

Если же код перекрывающийся, то считывание группами по три нуклеотида должно происходить тремя способами:

1-й способ: А-А-Ц
-У-Г-Г
-Ц-У-А
-Г-Ц-Ц
-У-У-Г

2-й способ: А-А-Ц-У
-Г-Г-Ц
-У-А-Г
-Ц-Ц-У
-У-Г

3-й способ: А-А-Ц-У-Г
-Г-Ц-У
-А-Г-Ц
-Ц-У-У
-Г

Доказательством того, что код неперекрывающийся, служат данные, полученные при изучении первичной структуры белков разных мутантов. Частицы вируса табачной мозаики (ВТМ) состоят из сердцевины, образованной молекулой РНК, и окружающего ее белкового капсида. Молекулы капсидного белка построены из 158 аминокислот, расположение которых в молекуле известно. Вирус обрабатывали азотистой кислотой – веществом, вызывающим мутации дезаминированием азотистых оснований отдельных нуклеотидов. Этим способом были получены многочисленные мутации вируса табачной мозаики и у мутантов была исследована первичная структура их капсидного белка. Почти всегда оказывалось, что мутантный вирусный белок отличается от исходного только по одной из 158 аминокислот, а в остальных немногих случаях, когда такие различия касались двух аминокислот, это были аминокислоты, находящиеся в молекуле белка далеко друг от друга. Отсюда следует, что почти при всех вызванных азотистой кислотой мутациях изменение азотистого основания нуклеотида происходило только в одном каком-нибудь триплете и лишь изредка в двух триплетах, но расположенных в разных местах РНК. Это вполне согласуется с предположением о неперекрывающимся коде, но противоречит допущению о том, что код перекрывающийся, так как при перекрывающимся коде изменение основания одного нуклеотида должно было бы приводить к изменению двух или трех обязательно соседних аминокислот в молекуле мутантного белка. Аналогичные результаты получены при исследовании мутаций, затрагивающих первичную структуру других белков, например бактериальной триптофансинтетазы и гемоглобина человека.

Четвертое свойство генетического кода, напрашивающееся из рассмотренной работы Крика и сотрудников по профлавиновым мутациям фага Т4, но не доказанное ими, состоял в том, что некоторые аминокислоты кодируются не одним, а несколькими определенными триплетами нуклеотидов, т. е. что код является вырожденным. Это вытекало из того, что сочетания четырех разных нуклеотидов группами по три дает 64 триплета, аминокислот же только 20. Высказанное впервые Криком и сотрудниками предположение о вырожденности генетического кода было затем доказано другими исследованиями, посвященными выяснению, какими конкретными триплетами кодируются разные аминокислоты.

Такие исследования проводились в основном двумя методами. Первый заключается в том, что в пробирку, содержащую взвесь рибосом, вносят в качестве матрицы не природную мРНК, а искусственно созданные триплеты рибонуклеотидов (кодоны) заданного состава. Такие нуклеотиды, подобно мРНК, прикрепляются к рибосомам. Кроме того, в пробирку вносят какой-нибудь один из видов тРНК с соответствующей присоединенной к нему аминокислотой, меченной радиоактивным углеродом или тритием.

В том случае, если антикодон данной тРНК комплементарен матричному тринуклеодиту, происходит связывание аминокислоты с рибосомами, что можно обнаружить по включению радиоактивной метки в осажденные рибосомы. Если же внесенный в пробирку матричный триплет кодирует не эту, а какую-нибудь другую аминокислоту, то специфического связывания аминокислоты с рибосомами не произойдет. Используя в таких опытах сочетания разных матричных триплетов с тРНК, несущих разные меченные аминокислоты, можно определить, какой конкретный триплет нуклеотидов кодирует ту или иную аминокислоту. Кроме того, этот метод дает подтверждение триплетности кодонов – было показано, что связывание тРНК с рибосомой происходит тогда, когда к рибосоме присоединена тринуклеотидная матрица, но для этого недостаточно динуклеотидной. В то же время тринуклеотидные матрицы оказались достаточными для связывания с рибосомами тРНК со всеми аминокислотами.

Второй метод состоит в том, что в пробирку, содержащую взвесь рибосом и полный набор всех тРНК с присоединенными к ним аминокислотами, вносят в качестве матрицы искусственно синтезированный полирибонуклеотид заданного состава и затем определяют последовательность аминокислот в образующемся полипептиде. Полирибонуклеодит, представляющий цепочку из одинаковых триплетов, обуславливает синтез полипептида, состоящего из повторения одной аминокислоты; например, полирибонуклеотид ААА – ААА – ААА и т. д. кодирует синтез полилизина (лизин – лизин – лизин – и т. д.). Если же в матричном полирибонуклеотиде чередуются два разных триплета, то синтезируется полипептид, в котором чередуются две аминикислоты: например, полирибонуклеотид АЦА – ЦАЦ – АЦА – ЦАЦ кодирует синтез полипептида, состоящего из чередования треонина и гистидина (треонин – гистидин – треонин – гистидин и т. д.). С помощью этих методов и некоторых их модификаций, полностью удалось расшифровать генетический код, показанный в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Примечание к таблице 1.1. Фен – фенилаланин, Лей – лейцин, Илей – изолейцин, Мет – метионин, Вал – Валин, Сер – серин, Про – пролин, Тре – треонин, Ала – аланин, Тир – тирозин, Гис – гистидин, Глн – глутамин, асн – аспарагин, Асп – аспарагиновая кислота, Лиз – лизин, Глу – глутаминовая кислота, Цис – цистеин, Трип – триптофан, Арг – аргинин, Гли – глицин, А – аденин, Г – гуанин, Ц – цитозин, У – урацил. Охра, амбар и опал – условные названия бессмысленных триплетов.

Из таблицы 1.1 видно, что генетический код, как и предполагалось, сильно вырожден. Только две аминокислоты (метионин и типтофан) имеют по одному кодирующему триплету, девять аминокислот (например, тирозин, фенилаланин) кодируются каждая двумя триплетами. Одна аминокислота (изолейцин) кодируется тремя триплетами, пять аминокислот (например, пролин, глицин) кодируются четырьмя, а три аминокислоты (аргинин, лейцин и серин) даже шестью разными триплетами каждая.

Это полностью согласуется с данными, полученными позже, когда была определена точная структура ряда тРНК. Оказалось, что для одной аминокислоты может существовать две или даже несколько различных тРНК, к которым она может быть прицеплена амино-ацил-тРНК-синтеразами; число таких изоакцепторных тРНК обычно зависит от числа разных триплетов, кодирующих данную аминокислоту.

Из 64 возможных триплетов, образуемых сочетаниями четырех оснований, 61 триплет кодирует аминокислоты, а три триплета, а именно – УАА, УАГ и УГА, получившие в молекулярной генетике условные названия "охра", "амбер" и "опал", служат своего рода стоп-сигналами, обозначающими конец трансляции.

Когда считывание мРНК в рибосоме доходит до одного из этих триплетов, он опознается особыми белками ("освобождающими факторами"), обрывающими дальнейший рост полипептидной цепи и отделяющими ее от рибосомы, после чего рибосома может приступить к синтезу следующего полипептида.

Очень важным свойством генетического кода является его почти полная универсальность. Код един для всех организмов, как прокариотов, так и эукариотов, а также для вирусов, каждая из аминокислот определяется тем же самым кодоном или теми же кодонами. Это особенно четко демонстрируют опыты, в которых трансляцию осуществляют компоненты разного происхождения. Так, например, когда в бесклеточном белок-синтезирующую систему, содержащую аминокислоты и тРНК, из кишечной палочки, вносили мРНК, выделенную из ретикулоцитов кролика, то там образовывался белок, тождественный кроличьему гемоглобину, нормально синтезируемому ретикулоцитами. О почти полной универсальности генетического кода говорят и результаты использования искусственно синтезированных полирибонуклеотидов известного состава в белок – синтезирующих системах из бактериальных компонентов и из компонентов клеток млекопитающих – в обеих системах такие матрицы обусловливают синтез одинаковых полипептидов, структура которых строго соответствует кодовому значению триплетов матрицы. Есть много и других данных, свидетельствующих о том, что код везде одинаков. В частности, об этом говорят опыты, показывающие, что при искусственной пересадке генов в клетки неродственного организма, например, генов бактерии в клетки млекопитающего, эти гены продолжают обусловливать там синтез специфичных для них белков.

Из универсальности генетического кода известно только одно частичное исключение. В митохондриях, имеющих свой собственный белок-синтезирующий аппарат, кодовые значения нескольких триплетов иные, чем указано в таблице 1; например, триплет УГА, обычно не кодирующий аминокислот, а служащий стоп-сигналом ("опал"), в митохондриях кодирует триптофан; триплет ЦУГ, обычно кодирующий лейцин, тут кодирует треонин и так далее. Кроме того, число разных тРНК, образуемых в митохондриях, меньше, чем их синтезируется в клеточном ядре. Высказывается предположение, что в митохондриях, которые по современным представлениям некогда произошли из каких-то древних микроорганизмов, код несколько изменился в результате длительного существования в виде облигатных внутриклеточных симбионов. Кодовые значения триплетов в генах пластид не изменены, они такие же, как в ядерных генах организмов.

Заключение

Открытие ДНК и установление ее двуспиральной структуры Уотсоном и Криком в 1956 г. - это выдающееся достижение XX в.

Универсальность генетического кода указывает на его очень раннее возникновение в истории жизни на Земле. Очевидно, код сложился в теперешнем виде уже у древнейших живых существ, послуживших корнем, из которого развился весь органический мир, разнообразнейшие представители которого, от самых примитивных до наиболее высоко организованных, объединены общностью кода, унаследованного ими от этих далеких предков.

Объем генетической информации, хранящейся в генах и передаваемой ими. У высших организмов, характеризуемых огромным числом и разнообразием синтезируемых белков, объем заключенный в генах информации должен быть большим. Следующие расчеты, относящиеся к генам человека, взятым в качестве примера, позволяют наглядно представить себе, сколь велика эта информация и какое поразительное богатство ее уменьшается в миниатюрном пространстве.

Четыре миллиарда (4*10⁹
) спермиев человека (это минимальное количество, которое примет участие в образовании следующего поколения людей на земном шаре) могут поместиться в одной аптечной облатке, какую мы глотаем, когда приходиться принять хинин или другой неприятный на вкус порошок. Такой же объем занимает хроматин четырех миллиардов ядер яйцеклеток, с которыми сольются эти спермии при оплодотворении. В этих двух "облатках" содержится информация, обеспечивающая отличие каждого будущего человека от бактерий, водорослей, салата, улиток, лягушек, воробьев, мышей, словом, от всех других видов живых существ. Кроме того, эти "облатки" несут в себе информацию о том, какова будет у каждого из четырех миллиардов людей следующего поколения окраска кожи, цвет и структура волос, цвет и разрез глаз, форма носа, группы крови и бесчисленное множество других врожденных морфологических, физиологических, физиологических и биохимических особенностей, отличающих одних людей от других и делающих неповторимым всякого из них. Попробуем выразить в цифрах количество такой информации.

По современным оценкам, гаплоидный набор хромосом человека содержит не менее 50 тыс. и не более 100 тыс. генов, определяющих синтезируемые в его клетках белки, а также рибосомальные и транспортные РНК. Возьмем меньшую цифру, 50 тыс. (5*10⁴
). Следовательно, в одной "облатке" помещается (4*10⁹
)*(5*10⁴
)=20*10¹³
, т. е. 200 триллионов генов. Ген состоит в среднем из 1000 (10³
) пар нуклеотидов. Значит, в "облатке" находится 20*10¹³
*10³
=20*10¹⁶
пар нуклеотидов, входящих в состав генов человека.

Литература

1. Баблояц А., Молекулы, динамика и жизнь. Введение в самоорганизацию материй: Пер. с англ. – М.: "Мир", 1990. – 375 с., ил.

2. Брода Э., Эволюция биоэнергетических процессов: Пер. с анл. / - М.: Мир, 1978. – 304 с.

3. Гершензон С. М., Основы современной генетики, изд. 2-е исправл. и дополн., - Киев.: НАУКОВА ДУМКА, 1983. – 558 с.: ил.

4. Гутман Б., Гриффтс Э., Сузуки Д., Кулис Т., Генетика / - Пер. с англ. О. Перфильева. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2004. – 448 c.: ил. – (Наука&Жизнь).

5. Инге-Вечтомов С. Г., Генетика с основами селекции: Учеб. для биол. спец. уни-тов – М.: Высш. шк., 1989. – 591 с.: ил.

6. Эткинс П., Порядок и беспорядок в природе: пер. с англ. / Предисл. ю. Г. Гудого – М.: Мир, 1987. – 224 с., ил.