Строение ДНК и РНК, генетический код и его свойства

Работы по расшифровке генетического кода проводились в основном на клетках  бактерии кишечной палочки и были повторены на других видах бактерий, а также на организмах животных, включая человека, на растениях.

О коде заговорили всего девятнадцать лет назад; в 1951 году это слово впервые появилось  в лексиконе биологов. Правда, произнес его не биолог, а физик.

Но сама идея о том, что в наследственном веществе записаны предписания, каким должен быть будущий организм,— эта идея в самой общей форме высказывалась, как это ни удивительно, много  раньше. Сегодняшние историки генетики с изумлением обнаружили первое упоминание о возможности получить огромное многообразие наследственных признаков  различным пространственным расположением  атомов в макромолекулах еще в  письмах Мишера — открывателя нуклеиновых кислот. Это конец ХIХ века. В начале нашего века, в 1927 году Николай Константинович Кольцов, представлял механизм передачи генетических свойств, вплотную подошел к идее кода. Наконец, в 1947 году выдающийся немецкий ученый Э. Шредингер, осмысляя жизнь с позиции физики, прямо назвал  “структуру хромосомных нитей шифровальным кодом “.

Но, вероятно, биология еще не была достаточно подготовлена, чтобы принять новую, революционную  идею. Хотя, казалось бы, все необходимые  для этого знания уже были накоплены  к 50-м годам.

Тот факт, что  ДНК построена из нуклеотидов  четырех сортов, а белок — из аминокислот примерно двадцати сортов и что ДНК каким-то образом  направляет синтез белка, был известен биологам. И эти обстоятельства можно  было объединить, усмотрев здесь причинную  связь; однако сделано этого не было. В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик открывают  строение ДНК. Их модель вроде бы не накладывает никаких ограничений  на последовательность нуклеотидов  в одной цепи, но открыта строгая  комплементарность оснований, и это может насторожить; можно увидеть здесь некий намек на возможность переноса закодированной информации, но... намек остается непонятым. Честно говоря, это одна из самых странных страниц в истории молекулярной генетики: как умудрились  Уотсон и Крик пройти мимо генетического кода? Они сделали все, что бы максимально приблизить его открытие: они впервые установили структуру ДНК и механизм ее воспроизведения, то есть показали, каким образом информация, если предположить ее существование клетке, может передаваться из поколения в поколение; они впервые формулировали, пользуясь словами Ф. Крика,  “одно из самых поразительных обобщений биохимии, которое (как это ни удивительно) едва ли даже упоминается в биохимических  книгах,— то, что 20 аминокислот и 4 основания за немногим исключением одинаковы для всей природы. Они стояли так близко к идее кода, что кажется просто непонятным, как они не произнесли это магическое слово, которое, когда его произнесли, вызвало лавинный поток новых идей и работ и совершенно преобразило молекулярную биологию,  сразу приблизив ее к таким наукам, как кибернетика и математика.

Вместо этого  Д. Уотсон занялся поисками структурно-пространственного  соответствия между нуклеиновыми кислотами  и аминокислотами; эти поиски в  то время ни к чему не привели.

По всей вероятности, как раз в этот период американскому  физику и астроному Г. Гамову и приходит в голову идея кода. Во всяком случае из Нобелевского доклада Ф. Крика мы  узнаем, что летом 1953 года они с Уотсоном послали Гамову письмо, в котором, отвечая на его просьбу, сообщали список 20 аминокислот. Гамову очень нужна была эта цифра, она сыграла в его логических построениях важнейшую роль. Любопытно, что фигурирующие сейчас во всех работах и книгах 20 магических аминокислот были впервые составлены именно в этом письме.

И вот в 1954 году на суд биологов выносится гипотеза чисто умозрительная, которую, несомненно, можно назвать одной из самых  революционных гипотез в биологии.

Она гласит: информация, необходимая для синтеза  белка, за кодирована в генах. Порядок чередования 20 аминокислот в белке записан в молекуле ДНК кодом — чередованием четырех нуклеотидов, или, что одно и то же, четырех азотистых основаниях.

Из четырех  оснований можно получить следующее  количество групп триплетов: 4 группы из букв одного сорта, 12 групп из букв двух сортов ,4 группы из букв трех сортов. Если предположить, как это сделал Гамов, что каждая группа, объединяющая тройки одинакового состава, но с  разным порядком букв внутри тройки, кодирует одну аминокислоту, то тогда получается магическое число групп триплетов  – 20. Все сходится

Так выглядел впервые предложенный код наследственности. Он был выведен теоретически на основании  отвлеченных соображений, причем скорее математических, чем биологических. И эта отвлеченность тут же дала себя знать. Уже через очень  короткое  время было показано, что  такой код не верен. Две посылки  из трех, которые выдвинул Гамов, не выдержали дальнейшей проверки. И  все же код Гамова сделал свое дело. Не важно, что он оказался на две трети неверным, ему можно простить все за то, что он был первым.

Следующий довод  против перекрывания триплетов был  получен при изучении мутаций  гемоглобина. Из перекрывания следовало, что каждое основание учавствует в кодировании трех соседних аминокислот; а из этого соображения неумолимо следовал вывод, что в случае мутации, затрагивающей даже только один нуклеотид в гене, в молекуле белка обязательно произойдет изменение трех соседних аминокислот. Однако были обнаружены нарушения гемоглобина человека, затрагивающие только одну-единственную аминокислоту.

Наконец, удалось  получить и непосредственное экспериментальное  доказательство невозможности перекрывания.

Это было сделано  в работах двух ученых – Френкель - Конрата из Беркли и Г. Виттмана из Тюбингена. Они работали с вирусом табачной мозаики (ВТМ) - объектом, хорошо изученным именно в этих лабораториях. О ВТМ было известно,  что он состоит из РНК, имеющей около 6500 нуклеотидов, и белковой оболочки, состоящей из 2130 молекул. Каждая из молекул состоит из 158 аминокислотных остатков. Их порядок был точно установлен. В 1958 году Г. Шустер и Г. Шрам из Тюбингена обнаружили любопытный факт. Если на РНК ВТМ подействовать азотистой кислотой, может произойти изменение некоторых нуклеотидов. В этом году в этой же лаборатории А. Гирер и К. Мандри установили, что для мутации достаточно изменения только одного нуклеотида из 6500.

На основании  этих исследований и была построена  работа Г. Виттмана и Г. Френкель – Конрата. Они брали ВТМ, выделяли его РНК и обрабатывали ее азотистой кислотой – так, чтобы изменилось только одно основание. А потом заражали такой РНК растение и исследовали белок, образовавшийся в результате инфекции вируса. И что же? Из 158 аминокислот поврежденной оказывалась всегда только одна.

Так окончательно была похоронена возможность существования  перекрывающегося кода.

Но тогда  – какой он?

В 1957 году остроумную гипотезу выдвигают Ф. Крик, Д. Гриффит и Л. Оргель. Ф. Крик, разумеется, не мог остаться в стороне от того бурного водоворота идей, который закружился вокруг генетического кода. Быть может, поначалу и казалось, что можно обойтись общими  соображениями, и поэтому в штурме кода приняли активное участие многие математики и физики. Однако быстро выяснилось, что наскоком твердыню не возьмешь. Нужна планомерная экспериментальная осада. И вот тут, на стыке теории и эксперимента, Ф. Крик смог в полной мере проявить свои выдающиеся способности.

“Основная польза теории,- писал Крик по поводу кода,- состоит в предложении новых  форм доказательств и в оттачивании  критического анализа. В конечном счете, решающее значение имеет качество экспериментальной  работы”. 

В 1957 году Ф. Крик споткнулся на том же месте, что  к Гамов в 1954-м,— на магической двадцатке аминокислот. Правда, одну ошибку Гамова Крик учел: его код был неперекрывающимся и триплетным, но по-прежнему невырожденным. И поэтому все усилия Крика и его сотрудников были направлены на то, чтобы показать, каким образом из 64 слов только 20 могут кодировать аминокислоты.

Когда Крик убедился в банкротстве своей, казавшейся такой изящной, гипотезы, он не опустил  руки и не стал, закрыв глаза на новые  данные, доказывать свою правоту —  он начал все сначала. И через  некоторое время предложил новый  код — триплетный, неперекрывающийся, вырожденный, без запятых, с началом  отсчета в определенной точке  и далее — по три основания.

Но недостаточно предложить новый код, надо предложить план эксперимента, в котором можно  доказать правильность предположений.

Такой план был предложен и осуществлен  Ф. Криком, Л. Барнет, С. Бреннером и Р. Уотс-Тобином в Кембритдже.

Все свои опыты  они провели на одном определенном гене. Этот ген принадлежит молекуле ДНК фага Т-4, который инфицирует кишечную палочку. Через 20 минут после  начала инфекции фаг образует внутри кишечной палочки около 100 своих  копий. Бактерия гибнет, а фаги выходят  наружу. Преимущество такого опытного материала очевидно: за короткое время  можно получить миллиарды фаговых частиц — многие поколения, и на этих поколениях наблюдать мутации.

Мутации вызывались действием на фаг химического вещества – профлавина. Ученые доказали, что под влиянием профлавина происходит добавление или выпадение, по всей вероятности, одного из оснований.

Основной  операцией в опыте было генетическое скрещивание. Бактериальную клетку заражали сразу двумя мутантными фагами. Примерно через 20 минут на месте клетки обнаруживалось около сотни новых фаговых частиц. Некоторые из них были сходны с одним родителем, некоторые – с другим, некоторые несли на себе признаки сразу обоих родителей, а некоторые вообще не имели никаких изменений – были похожи на немутировавшие фаги. 

 

 

 

Глава 3.Строение и свойства рибонуклеиновых кислот.

 

Рибонуклеиновые кислоты повсеместно распространены в живой природе. Они находятся  во всех микроорганизмах, растительных и животных клетках и являются носителями наследственной информации во многих вирусах. С чем это связано? Почему РНК, как и ДНК присутствует во всех клетках?

Биологическая функция РНК обусловлена тем, что они обеспечивают реализацию в клетке наследственной информации, которая передается с помощью  ДНК.

В клетке существует три главных типа РНК: информационная РНК (иРНК), рибосомная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК). Рибосомная РНК составляет около 80—82 % от содержания суммарной клеточной РНК, тРНК — 15-16 % и иРНК — 2-10 %. В некоторых клетках содержание иРНК относительно общей массы РНК составляет тысячные доли процента.

В отличие  от ДНК молекулы всех трех типов  РНК одноцепочечные, что является одной из важных особенностей РНК. Содержание РНК в клетке в пересчете на массу в 5—10 раз выше, чем ДНК. Каждый из типов РНК характеризуется определенным нуклеотидным составом, что определяет их свойства. Они имеют также различную молекулярную массу.

В бактериальной  клетке почти вся РНК расположена  в цитоплазме. В клетках высших организмов часть РНК находится  в различных органеллах.

РНК входит в состав всех вирусов растений, в частности вируса табачной мозаики, некоторых вирусов бактерий, например бактериофаг  кишечной палочки, и  некоторых вирусов животных, например, вируса полиомиелита.

 

СТРУКТУРА РИБОНУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

 

Нить РНК  — это последовательность рибонуклеотидов, соединенных в одну цепь. РНК имеет линейную структуру молекулы с огромным числом входящих в нее составляющих элементов. Рибонуклеотиды соединены так, что образуют неразветвленную нить большой длины.

Углеводный  компонент РНК представлен рибозой. Так как рибоза относится к  классу пентоз, то с этим было связано  и первоначальное название РНК —  пентозонуклеиновые кислоты. Но такое название не закрепилось в терминологии, так как пентозы — это широкий класс соединений, а рибоза является всего лишь их частным случаем. В РНК же содержится из всего класса пентоз только рибоза.

Азотистыми  основаниями РНК являются аденин и гуании из класса пуриновых оснований и цитозин и урацил из класса пиримидиновых оснований.

Отличительной особенностью РНК от ДНК является то, что для нее не характерно устойчивое спиральное строение.

Структура РНК  определяется последовательностью  рибонуклеотидов. Эта последовательность рибонуклеотидов в цепи называется первичной структурой РНК. Первичная структура строго специфична и уникальна для каждого вида РНК. Первичная структура РНК представляет собой своеобразную запись биологической информации, закодированную в РНК определенным набором рибонуклеотидов, и определяет вторичную структуру, которая проявляется в закручивании нити РНК в спираль. Третичная структура также определяется первичной структурой и представляет собой пространственное расположение всей молекулы РНК. Третичная структура включает вторичную структуру и те фрагменты полинуклеотидной цепи, которые соединяют один участок вторичной структуры с другим. Это взаиморасположение и связь фрагментов РНК.

Вторичная и  третичная структуры РНК формируются  преимущественно за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий между азотистыми рибонуклеиновыми основаниями. Термин “гидрофобный”  означает, что данное вещество или  группа элементов в одном из участков молекулы отталкивает воду. Термин “гидрофильный” применяют по отношению  к веществу или группе элементов, притягивающих воду. Молекулы гидрофобного вещества воздействуют силами электронного притяжения на молекулы углеводородов. От количества и расположения водородных связей и контактов гидрофобного взаимодействия зависит пространственное расположение (конфигурация) всей молекулы рибонуклеиновой кислоты.

 

ИНФОРМАЦИОННАЯ  РИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА

 

Информационная РНК программирует синтез белков клетки. Несмотря на относительно низкое процентное содержание в общей массе РНК клетки, иРНК по значению стоит на первом месте. Информационная РНК осуществляет непосредственную передачу кода ДНК для синтеза клеточных белков,

Соответственно  тому, что молекулы иРНК используются для синтеза разных белков, они представлены многими видами, которые, естественно, отличаются по своей последовательности нуклеотидов и молекулярной массе. Каждый белок клетки кодируется специфической иРНК или специфическим участком этой молекулы. Каждый белок требует соответствующей ему иРНК. Поэтому иРНК характеризуются значительной разнородностью. Эта группа разных по размеру молекул, масса которых может колебаться от 10⁴ до 2*10⁶ .

Биосинтез иРНК осуществляется в ядре в процессе транскрипции. В ходе транскрипции строится нуклеотидная последовательность иРНК, соответствующая нуклеотидной  последовательности одной из цепей ДНК хромосомы. Транскрипция осуществляется ферментативным путем. По сути дела, транскрипцию можно представить как перевод генетической информации, заключенной в последовательности нуклеотидов ДНК, в последовательность нуклеотидов иРНК. Отличие от биосинтеза ДНК здесь заключается в том, что строится одиночная нить иРНК. Азотистые основания иРНК комплементарны азотистым основаниям соответствующего участка, с которого происходит переписывание генетической информации. После окончания транскрипции иРНК переходит на рибосомы, где с нее происходит считывание информации в последовательность аминокислот растущей полипептидной цепи. Последовательность триплетов иРНК определяет последовательность аминокислот в растущей цепи белка. Если вначале матрицей для синтеза иРНК служила ДНК, то теперь иРНК сама служит матрицей для построения белковой цепи. Поэтому существует еще одно название иРНК – матричная РНК.