ДНК — носитель генетической информации

Природные органические полимеры — нуклеиновые кислоты — обеспечивают хранение и передачу наследственной информации в клетках живых организмов.

В состав ДНК входят структурные единицы (мономеры) — нуклеотиды, каждый из которых включает моносахарид дезоксирибозу (С₅Н₁₀О₄), остаток фосфорной кислоты Р0₄ и одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц). В РНК (рибонуклеиновой кислоте) вместо тимина содержится урацил (У), а вместо дезоксирибозы — рибоза (С₅Н₁₀О₅). Название ДНК объясняется особенностями ее структуры по сравнению с рибозой: дезокси означает отсутствие одного атома кислорода. Азотистые основания четырех типов «нанизаны» на сахарофосфатную цепь подобно четырем разным типам бусинок (рис. 15.3 и 15.4).

Нуклеиновые кислоты — природные органические полимеры.

Молекулы ДНК находятся в хромосомах клеточного ядра клетки, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокариотных клетках и во многих вирусах. В 1944 г. было доказано, что свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию.

Структурная модель ДНК впервые предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком (1916—2004). 24 апреля 1953 г. они опубликовали статью, раскрывающую структуру молекулы ДНК: она представляет собой двойную спираль, состоящую из двух ветвей, азотистые основания попарно связаны непрочной водородной связью (см. рис. 15.3)^[1]. Вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном (1916—2004), впервые получившим рентгенограмму ДНК, они удостоены Нобелевской премии 1962 г.

Цепи нуклеотидов объединяются в молекулу ДНК водородными связями: аденин одной цепи соединяется с тимином другой цепи, а гуанин — с цитозином. При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним, и наоборот, а гуанин — с цитозином: образуются комплементарные пары. Поэтому принцип формирования двухцепочечной молекулы ДНК — принцип комплементарное™. Двойная спираль устойчива благодаря водородным связям, образующимся между аденином и тимином (А—Т) и гуанином и цитозином (Г—Ц). В клетке человека ДНК.

распределена на 23 пары хромосом и содержит около 1 млрд пар оснований; ее длина — около 1 м. Трудно поверить, но если составить цепочку из ДНК всех клеток одного человека, то она сможет протянуться через всю Солнечную систему.

Рис. 153. Схема строения ДНК:

многоточием обозначены водородные связи.

Рис. 15.4. Процесс репликации ДНК

По модели Уотсона и Крика все основания ДНК расположены внутри двойной спирали, а сахарофосфатный остов — снаружи, поэтому основания одной цепи сильно сближены с основаниями другой цепи. Определенное сочетание нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК образуют генетический код и тем самым формируют последовательность аминокислот в молекулах белка, определяя его первичную структуру. Синтез белков осуществляется не напрямую на основе ДНК, а благодаря РНК (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Пример генетического кодирования на основе РНК^1.

Матричная (информационная) РНК (мРНК, или иРНК) — копия фрагмента ДНК, соответствующего последовательности аминокислот, образующих полный белок.

Рибосомная РНК (рРНК) распространена в клетках и «считывает» последовательности в мРНК, соответствующие аминокислотам, и синтезирует их до получения соответствующего белка.

Транспортная РНК переносит заданную кислоту в соответствующее положение, отмеченное в мРНК и определенное рРНК.

Ген (от греч. genos — род, происхождение) — единичный «квант» наследственного материала, занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молекулы белка. В 1960;е гг. французские ученые Ф. Жакоб (1920—2013) и Ж. Моно (1910—1976) выявили предположение об основной функции генов — кодирование синтеза белков. В 1941 г. американские генетики Д. Бидл (1903—1989) и Э. Тэйтсм (Татум, 1909—1975) выдвинули формулу: «Один ген — один белок» (Нобелевская премия 1958 г.).

Процесс воспроизводства белков, а затем и клеток, на основе генетической информации состоит из трех этапов: репликации, транскрипции, трансляции.

Первый этап — репликация — удвоение молекулы ДНК, которое требуется для последующего деления клеток. ДНК обладает свойством самокопирования: па основе одной молекулы возникают две молекулы ДНК и после этого клетка может разделяться на две идентичные клетки.^[2]

ДНК разделяется («раскручивается») на две цепи, а затем из нуклеотидов, которые свободно плавают в клетке, вдоль каждой цепи формируется новая цепь по принципу комплементарности: Г—Ц, А—Т (сравни: печать нескольких копий с одного и того же фотокадра). Поскольку каждая клетка многоклеточных организмов формируется в процессе последовательных делений одной и той же половой клетки, постольку все клетки организма имеют одинаковый набор генов (рис. 15.6).

Репликация представляет собой основу наследственной передачи признаков.

Рис. 15.6. Схема синтеза белка (репликация, транскрипция, трансляция)¹

Второй этап — транскрипция — происходящее в ядре клетки «переписывание» информации, которая содержится в генах, на синтезируемую одноцепочечную молекулу информационной РНК (иРНК). Фермент РНК-полимераза, передвигаясь вдоль молекулы ДНК, удерживает на себе нуклеотиды растущей цени иРНК. Эта молекула в сотни раз короче молекулы ДНК, поскольку является копией лишь части ДНК — одного гена или группы рядом стоящих генов, содержащих информацию о структурах белков, выполняющих одинаковые функции. Молекулы иРНК через поры оболочки ядра направляются в цитоплазму к рибосомам.

Транскрипция составляет основу синтеза белков в клетке.

Третий этап — трансляция — синтез белка на основе матрицы иРНК в рибосомах. Рибосома по цепочке иРНК делает шаг, равный трем нуклеотидам. Аминокислоты для синтеза белковых молекул доставляются^[3]

молекулами тРНК, имеющие относительно небольшие размеры (от 70 до 90 нуклеотидов), по форме похожие на лист клевера. Аминокислота, отделяясь от тРНК, становится в цепочку (в «строй») мономеров белка. Освободившаяся тРНК уходит в сторону и может быть использована вновь для транспортировки новой аминокислоты. В итоге последовательность нуклеотидов в триплете ДНК соответствует последовательности нуклеотидов в триплете иРНК (см. рис. 15.5 и 15.6).

В клетках современных живых организмов РНК осуществляет посредничество между ДНК и белками: ДНК -" РНК -" белок. Иными словами, в живой клетке в процессе обмена веществ на молекулах ДНК синтезируется информационная РНК, которая служит матрицей для синтеза белков. При транскрипции матрицей кодирования выступает ДНК, а при трансляции — иРНК. Процесс транскрипций происходит в ядре, а процесс трансляции — в цитоплазме.

Любой белок всегда синтезируется из одного и того же набора 20 аминокислот, каждая из которых соответствует определенному триплету из четырех азотистых оснований. Эту закономерность иногда выражают в форме вывода: все клетки имеют одну и ту же прародительницу.

Геном — совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом организма. Иногда под геномом имеют в виду генетический материал конкретного биологического вида. Так, геном крошечного червя Elegans состоит из 97 млн «букв» генетического кода. Геном человека, который удалось расшифровать в 2001 г., — один из самых больших среди живых организмов и содержит около 100 тыс. генов, включающих 3,1 млрд пар нуклеотидов^[4].

Генотип — совокупность всех генов живого организма.

Важнейшее свойство генетического кода — его триплетность. Автор теории «Большого взрыва» Г. А. Гамов в 1954 г. выдвинул предположение, что для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Клетки состоят из 20 аминокислот, а наличие изменяемых частей ДНК определяется только четырьмя нуклеотидами, поэтому генетический код должен переводить четырехбуквенный текст ДНК в двадцатибуквенный текст белков. Каждому из 20 аминокислотных остатков необходимо сопоставить кодон — совокупность нуклеотидов. Если бы кодон состоял из 2, 3 или 4 нуклеотидов, то общее число кодонов выражалось бы соответственно числами 4² = 16, 4³ = 64 и 4⁴ = 256. Дуплетов может быть лишь 16, поэтому 4 аминокислоты остались бы без кодификации. Наличие 256 квартетов для 20 аминокислот экономная природа посчитала бы слишком расточительным. Остается вариант с 64 триплетами.

Эта гипотеза блестяще подтверждена экспериментально. В итоге раскрыт механизм считывания генетической информации: одна аминокислота коди;

руется тремя нуклеотидами, стоящими рядом друг с другом. Эти три нуклеотида образуют кодон. Из 64 кодонов 3 играют служебную роль, остальные используются для кодирования 20 аминокислот, при этом одну и ту же кислоту кодируют от двух до шести триплетов. Генетический код универсален для всех живых организмов на Земле: одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты. Поэтому жизнь обладает биохимическим единством.

В конце XX в. сформировалась генная инженерия, основная задача которой — конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов. Она сформировала широкие возможности (и новые технологии) выведения ранее небывалых сортов культурных растений и высокопродуктивных пород животных, создания эффективных лекарственных препаратов и т. д.

Обнаружилось, что наследственный материал не стареет, а генетический анализ эффективен даже тогда, когда молекулы ДНК принадлежат далеким друг от друга поколениям. Так, при сравнении молекул ДНК, выделенных из найденных в захоронении под Екатеринбургом останков, с ДНК членов английского королевского дома, был сделан вывод: останки принадлежат членам семьи последнего русского монарха. Именно с английским королевским домом последние Романовы были связаны близкими родственными узами.

Обнаружена уникальность генома каждого человека. Генетический анализ позволяет произвести более точную идентификацию личности, чем традиционные методы отпечатков пальцев и анализ крови, а вероятность ошибки весьма мала. Итог: генетические свойства отражают как индивидуальность живых организмов, так и их наследственную связь.

• [1] 2 Карпенков С. X. Концепции современного естествознания. 11-е изд., перераб. и доп. КноРус, 2009. С. 340.
• [2] Наука. Величайшие теории. Вып. 42. Расширяющееся знание. Гамов. Большой взрыв: пер. с исп. С. 127.
• [3] URL: http://blgy.ru/biologylO/protein-biosynthesis (дата обращения: 10.12.2015).
• [4] 2 См.: URL: ru.knowledgr.com (дата обращения: 20.09.2015).