33. Молекулярно-биологические основы жизни. Нуклеиновые кислоты, белки, днк, Рнк и др.

Информация о наследственности живых существ приписывается гигантским цепочкам молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Язык, в котором заключена это информация, открыт современной молекулярной биологией, так что сегодня ДНК, как говорится, можно "считывать" - не так, как в книге, конечно, но специальный ген может быть расшифрован в лабораторных условиях за сравнительно короткий период времени (в течение нескольких недель или месяцев). Тем самым становится возможным исследовать эволюционные механизмы на молекулярном уровне. Нам хотелось бы сделать наглядной информацию о наследственности и затем заняться рассмотрением возможностей изменения целенаправленного или случайного.

Основные элементы ДНК называются нуклеотидами. Имеются четыре различные формы и, по крайней мере, две из них комплементарны друг другу. Это означает, что они подходят один к другому как ключ к замку. Три следующие друг за другом пары можно сравнить со словом (как с единицей языкового текста), равным по значению со специальной аминокислотой. Такая группа, состоящая из трех элементов, называется триплет или кодон. Различные слова составляют предложение, наполненное смыслом целое. Точно так же, если "считывать информацию", заключенную в клетке, то можно найти определенный смысл и в последовательности расположения триплетов, будь их несколько десятков или несколько сотен (см. рис. 4.1 и 4.2). При этом последовательность нуклеотидов ДНК переводятся при участии специальных промежуточных молекул (так называемых транспортных или т-РНК) в цепочку аминокислот (протеины). Этот перевод (трансляция) происходит в очень сложных "машинах", производящих "сборку" молекул белка в рибосомах. Этот механизм еще до конца не понят и для нашего изучения не имеет далее большого значения. Как изложено в главе 5, не существует реалистического представления о том, как подобный механизм мог возникнуть случайно.

Наряду с цепочками ДНК, кодирующими протеин, имеются еще цепочки, не принимающие участия в биосинтезе, но исполняющие функцию регуляции, и цепочки, функции которых пока еще неизвестны.

Последовательность нескольких триплетов, которые в результате трансляции образуют протеин, называют геном. В клетке бактерий их насчитывается до 1000, в клетке млекопитающих от 100 000 до миллиона (точное число пока еще неизвестно). Гены содержат, в числе прочего, информацию о строении ферментов - белков, отвечающих за расщепление с получением энергии высококалорийных (богатых энергией) соединений, таких как сахар, или за то, чтобы растения с помощью фотосинтезирующего аппарата могли из СО2 и Н20 создавать органические молекулы. Ферменты несут ответственность за процессы передачи сигналов в нервных клетках и, конечно же, делают возможной мыслительную деятельность человека. В противовес сторонникам эволюции мы не хотим сказать, что мышление является чистой функцией материи! Молекулы являются, конечно, необходимыми, но отнюдь не достаточными условиями мыслительного процесса.

Итак, гены, несущие информацию о протеине (в этом случае говорят: они кодируют протеин), распределены по всей цепочке ДНК непроизвольно. Часто они составлены так, что протеины, которые по своему биологическому предназначению должны взаимодействовать, кодируются последовательно в ДНК и часто даже совместно регулируются. Подобная последовательность генов называется оперон. Такой вид генетической регуляции сначала был обнаружен у бактерий. У более высокоразвитых живых существ, имеющих ядерные клетки, имеется, напротив, другой вид генетической организации. Старая гипотеза молекулярной биологии гласит: один ген соответствует одному протеину. Эту гипотезу называли также "один ген - один протеин". Для бактериальных протеинов это верно, но у более развитых организмов многие гены делятся на части (рис. 4.4). Цепочки ДНК подразделяют на экзоны и нитроны. Последовательности экзонов транслируются в последовательности аминокислот, а последовательности интронов не транслируются. Происходит следующее: во время транскрипции информация с ДНК переписывается на информационную РНК (и-РНК). И-РНК разделяются специальным ферментом на экзоны и интроны. Потом все относящиеся к протеину экзоны опять соединяются вместе - в зрелые и-РНК и могут, наконец, быть переведены в протеины (трансляция). Наследственная информация о протеине разделяется, таким образом, между многими "генами". До настоящего времени точно не известно, какую функцию выполняют интроны. Некоторые эволюционисты предполагают, что они являются "отходами" эволюции, другие считают это "эгоистичной" или "паразитарной" ДНК. Многие биологи придерживаются мнения, что функция их пока неизвестна и подобные "интроны" выполняют, возможно, важные регуляторные функции Возможного потенциала изменчивости этих структур мы коснемся ниже.

Нуклеи́новые кисло́ты (от лат. nucleus — ядро) — высокомолекулярные органические соединения, биополимеры (полинуклеотиды), образованные остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.

Белки́ (протеи́ны, полипепти́ды[1]) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью альфа-аминокислот. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций дают большое разнообразие свойств молекул белков. Кроме того, аминокислоты в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Часто в живых организмах несколько молекул белков образуют сложные комплексы, например, фотосинтетический комплекс.

Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров — полисахаридов и ДНК. Так, белки-ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют важную роль в обмене веществ. Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет, поддерживающий форму клеток. Также белки играют важную роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле.

Белки — важная часть питания животных и человека (основные источники: мясо, птица, рыба, молоко, орехи, бобовые, зерновые; в меньшей степени: овощи, фрукты, ягоды и грибы), поскольку в их организме не могут синтезироваться все необходимые аминокислоты и часть из них поступает с белковой пищей. В процессе пищеварения ферменты разрушают потреблённые белки до аминокислот, которые используются при биосинтезе белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.

Определение аминокислотной последовательности первого белка — инсулина — методом секвенирования белков принесло Фредерику Сенгеру Нобелевскую премию по химии в 1958 году. Первые трёхмерные структуры белков гемоглобина и миоглобина были получены методом дифракции рентгеновских лучей, соответственно, Максом Перуцем и Джоном Кендрю в 1958 году[2][3], за что в 1962 году они получили Нобелевскую премию по химии.

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.

В клетках эукариотов (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например, транспозонам.

Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.

Рибонуклеи́новые кисло́ты (РНК) — одна из трех основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.

Так же, как ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами. Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией. Трансляция — это синтез белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

Для одноцепочечных РНК характерны разнообразные пространственные структуры, в которых часть нуклеотидов одной и той же цепи спарены между собой. Некоторые высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например, транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а рибосомные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом.

Однако функции РНК в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так малые ядерные РНК принимают участие в сплайсинге эукариотических матричных РНК и других процессах.

Помимо того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (например, теломеразы) у отдельных РНК обнаружена собственная ферментативная активность: способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимами.

Геномы ряда вирусов состоят из РНК, то есть у них она играет роль, которую у высших организмов выполняет ДНК. На основании разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно которой РНК — первая молекула, которая была способна к самовоспроизведению в добиологических системах.