2.4.2Хранение биологической информации, днк и рнк

Как и полисахариды, полинуклеотиды образуются путем конденсации мономеров. И в РНК, и в ДНК нуклеотиды соеди­нены фосфатными связями, образующимися с участием гидрок-сильных групп при С-3' и С-5' рибозы или дезоксирибозы. В качестве примера на рис. 2.18 приведена структура одного из тринуклеотидов. Клеточные молекулы ДНК невероятно ве­лики: вся наследственная информация прокариот хранится в од­ной молекуле ДНК с молекулярной массой порядка 210*. В эукариотах ядро может содержать несколько больших мо­лекул ДНК. Отрицательные заряды ДНК нейтрализуются дву-зарядными катионами (в прокариотах) или основными амино­кислотами (в эукариотах).

Следует подчеркнуть, что последовательность нуклеотидов, как это показано на рис. 2.18, а, имеет направление или поляр­ность, обусловленную тем обстоятельством, что на одном конце цепи находится свободная гидроксильная группа при С-5', а на другом — гидроксил при С-3'. На рис. 2.18,6 приведен удобный способ изображения нуклеотидной последовательности в на­правлении от 5'- к З'-концу. Часто применяют и еще более короткие обозначения. Предположим, например, что основания 1, 2 и 3 на рис. 2.10,6 являются цитозином, аденином и тимином соответственно; тогда та же самая нуклеотидная последова­тельность может быть записана в виде рСрАрТ или даже еще короче: CAT.

Как предположили в 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, обра­зующих двойную спираль (рис. 2.19). Имеющий форму пра­вильной спирали каркас молекулы построен из остатков Сахаров и фосфатных групп. Внутри двойной спирали расположены пу-риновые и пиримидиновые основания. Именно последователь­ность четырех различных азотистых оснований в полинуклео-тидной цепи содержит в себе всю генетическую информацию, в частности данные о структуре синтезируемых рибонуклеиновых кислот и белков. Механизмы, регулирующие и использую­щие генетическую информацию ДНК, мы рассмотрим позднее.

Азотистое основание одной цепи двойной спирали взаимо­действует с пространственно наиболее близко расположенным

основанием другой цепи строго определенным образом, так что аденин специфично связывается только с тимином, а гуанин — с цитозином. На рис. 2.20 показано замечательное геометриче­ское сходство этих пар оснований, а также наличие двух и трех водородных связей в парах оснований А—Т и С—G соответ­ственно.

Две цепи ДНК имеют противоположную направленность (5'—>-3' и 3'—»-5'). Поэтому, располагая информацией о нуклео-тидной последовательности одной дезоксирибонуклеотидной це­пи, например 5'CGAATCGTA3', можно сделать вывод о строе­нии соответствующего фрагмента двуспиральной молекулы ДНК; в нашем случае этот фрагмент будет иметь структуру

5'CGAATCGTA3'

3'GCTTAGCAT5'

К той же самой двуспиральной структуре мы пришли бы, если бы нам была задана последовательность 5'TACGATTCG3'. Та­ким образом, в информационном смысле последовательность одной цепи определяет последовательность комплементарной цепи, т. е. каждая цепь служит матрицей для другой.

Это характерное свойство ДНК является основой для син­теза дочерних ДНК из исходной родительской молекулы ДНК — процесса, называемого репликацией ДНК. Если две компле­ментарные цепи ДНК разделяются и затем на каждой из цепей в соответствии с правилами образования пар оснований стро­ятся двойные спирали, то конечным продуктом такого процесса будут две новые молекулы, каждая из которых идентична ис­ходной двухцепочечной ДНК и содержит одну новую и одну старую цепь (рис. 2.21). Таким образом, образование пар осно­ваний составляет химическую основу считывания биологической информации, закодированной в нуклеотидной последовательно­сти ДНК. Справедливость общих принципов такого механизма, схематично изображенного на рис. 2.21, была убедительно до­казана экспериментами по выращиванию клеток Е. coli сначала в среде, содержащей ¹⁵N, а затем в среде только с нормальным изотопом азота ¹⁴N. Содержащие различные изотопы ДНК мо­гут быть разделены на ультрацентрифуге. Ультрацентрифуги­рование и применение изотопных меток, в том числе радиоак­тивных, являются важнейшими инструментами эксперименталь­ных исследований в современной биохимии.

Другая важная деталь структуры ДНК — водородные связи, с помощью которых формируются пары оснований (рис. 2.20). Водородные связи способствуют стабилизации двухцепочечной структуры ДНК, однако эта стабилизация не является ни по­стоянной, ни необратимой. Как это показано на схеме репли­кации (рис. 2.21), биологическая функция ДНК основана на< раскручивании спирали и разделении двух цепей. В ходе даль­нейшего изучения молекулярной генетики (гл. 6) мы ознако­мимся и с другими важными функциями одноцепочечных сег­ментов ДНК.

Разделение двух цепей ДНК при нагревании является ос­новой важного метода идентификации различных ДНК. По­скольку пары оснований AT связаны двумя водородными свя­зями, а пары GC — тремя, то содержащие большее число пар AT участки ДНК плавятся (так условно называется процесс раз­деления двух цепей) раньше, чем участки, обогащенные пара­ми GC. Процесс плавления легко контролируется путем изме-

рения поглощения раствора ДНК при 260 нм; одноцепочечные ДНК поглощают сильнее, и процесс плавления ДНК регистри­руется по увеличению общей абсорбции. Температурой плав­ления, Т_ПЛ, называют температуру, при которой изменение аб­сорбции составляет 50% от разницы в абсорбции между полностью двухцепочечной и полностью расплавленной (одно-цепочечной) ДНК. Как и следовало ожидать, величина Т_ПЛ коррелирует с содержанием GC. Например, ДНК из Е. coli, содержащая 50% GC, имеет Т_ПЛ = 69°С, а ДНК из Pseudomonas aeruginosa с 68% GC характеризуется 7\_U,=76°C. Содержание GC в различных организмах меняется в широких пределах (от 23 до 75%). Особенности нуклеотидного состава иногда используются для идентификации организмов.

Если раствор расплавленной ДНК охладить, то разделенные комплементарные цепи вновь образуют структуру типа двойной спирали (эту операцию называют отжигом). Аналогично два различных одноцепочечных сегмента ДНК с частично компле­ментарными последовательностями могут подвергаться гибри­дизации с образованием сегмента двойной спирали. Гибриди­зация является важнейшим экспериментальным приемом в био­химии и технологии рекомбинантных ДНК (гл. 6). В завершение этого краткого введения в физическую химию ДНК следует отметить, что двухцепочечную ДНК можно также расплавить или денатурировать путем добавления щелочи или кислоты, что приводит к ионизации оснований. Можно упомянуть также, что с точки зрения гидродинамики двухцепочечная ДНК в растворе ведет себя подобно жесткому стержню, в то время как одно-цепочечная ДНК по своему поведению напоминает неупорядо­ченный полимерный клубок.

Как уже упоминалось выше, вся информация, необходимая для выполнения клеткой ее важнейших функций, в том числе роста и деления, в бактериях типа Е. coli содержится в одной молекуле ДНК, которая имеет строение гигантского кольца. В нативном состоянии ДНК из Е. coli существует в сверхспи-рализованной форме, что отчетливо видно на электронных мик­рофотографиях бактерии в виде несколько размытого нуклео-тида (см. рис. 1.2). Эта большая основная ДНК клетки назы­вается хромосомой бактерии; кольцевая хромосома Е. coli по­строена из 4,7 миллиона пар оснований*.

В заключенном в мембрану ядре эукариот ДНК обычно поделена между несколькими хромосомами; последние могут быть намного больше хромосом прокариот. В состав хромосом эукариот входят также небольшие основные белки, называемые гистонами, которые составляют около половины массы хромо­сомы. Этот комплекс нуклеиновых кислот и белков хромосом эукариот называется хроматином. В хлоропластах и митохонд­риях эукариотических клеток также имеются отдельные, более мелкие молекулы ДНК.

Очень существен тот факт, что клетки могут содержать и другие молекулы ДНК. Относительно небольшие ДНК, суще­ствующие во многих бактериях и эукариотах, называют плаз-мидами. Бактериальные плазмиды, например, представляют собой кольцевые молекулы ДНК, содержащие от 4 до 50 тысяч пар оснований. Биологические функции плазмид состоят в обе­спечении клетки-хозяина полезными, но не самыми необходи­мыми качествами, например устойчивостью к антибиотикам. В биохимических исследованиях и в технологических процессах плазмиды занимают одно из самых центральных мест, являясь важным инструментом методов рекомбинантных ДНК. Как мы увидим в гл. 6, модификация плазмид в лабораторных условиях и последующее введение рекомбинантных плазмид в живые клетки позволяют изменить их генетическую программу, с тем чтобы заставить продуцировать новые соединения или более эффективно расти.

Другие небольшие молекулы ДНК могут быть введены в жи­вые клетки вирусами. Небольшие вирусы, способные заражать бактерии, называют бактериофагами или, короче, фагами. По­следние могут вызывать ряд трудностей в крупномасштабных технологических процессах с использованием чистых бактери­альных культур. В то же время изучение фагов позволило вне­сти большой вклад в развитие молекулярной генетики. Кроме того, фаги используются для создания стабильных рабочих кол­лекций или библиотек сегментов ДНК. Фаг К Е. coli содержит одну циклическую двухцепочечную молекулу ДНК, построенную из 48,6 тысяч пар оснований. ДНК фага Т2 Е. coli состоит из 166 тысяч пар оснований. .

Основная функция ДНК заключается в хранении инструк­ций для синтеза молекул РНК определенной нуклеотидной последовательности и длины; некоторые из этих РНК затем направляют синтез различных специфических белков. Кодирую­щий последовательность молекулы РНК сегмент ДНК называ­ется геном. Ниже мы вкратце расмотрим различные типы РНК, а затем перейдем к обсуждению белков и тех структурных эле­ментов, из которых они построены.

Во всех клетках имеются рибонуклеиновые кислоты трех типов, четвертый тип характерен для некоторых вирусов. Моле­кулы РНК построены из остатков рибонуклеотидов, углеводным компонентом которых является рибоза (а не дезоксирибоза, как в ДНК). Подобно ДНК, в РНК нуклеотиды расположены в определенной последовательности. В сущности, нуклеотидная последовательность РНК строится на основе той информации, которая содержится в соответствующих сегментах ДНК. В пе­редаче информации от ДНК к РНК основную роль опять-таки играет образование пар оснований. Правила образования пар оснований в этом случае аналогичны тем, которым подчиняется процесс образования пар оснований двухцепочечных ДНК, за исключением пары аденин-тимидин; при синтезе РНК вместо нее формируется пара аденин-урацил:

В нормальном цикле жизнедеятельности клетки участвуют раз­личные РНК, выполняющие важную функцию прочтения и реа­лизации генетической информации, заложенной в ДНК. Мат­ричная, или информационная, РНК (мРНК или иРНК) компле­ментарна последовательности оснований гена в ДНК. Каждая молекула мРНК переносит определенную информацию от ДНК к другому механизму биохимического аппарата клетки. По­скольку объем этой информации меняется в довольно широких пределах, то и величина молекул мРНК тоже может быть различной; обычно цепь мРНК содержит 10³—10⁴ нуклеотидов. РНК почти всегда имеют одноцепочечную структуру, тогда как образование меж- и внутримолекулярных пар оснований часто играет важную роль в структуре или функции РНК.

Содержащаяся в мРНК информация считывается в рибосоме ). До 65% рибосомы составляет рибосомальная РНК (рРНК), которая в свою очередь может быть разделена (например, центрифугированием) на РНК нескольких типов. В частности, рибосома Е, coli содержит три различные РНК, обозначаемые 23S, 16S и 5S, которые содержат около 3-10³, 1,5-Ю³ и 10² нуклеотидных остатков соответственно. В рибосо­мах из цитоплазмы клеток-эукариот, с другой стороны, имеются 28S, 18S, 7S и 5S рРНК, а в рибосомах митохондрий и хлоро-пластов обнаружены РНК, специфичные только для этих ор­ганоидов.

Транспортные РНК (тРНК) отличаются наименьшей моле­кулярной массой и содержат всего лишь от 70 до 95 нуклеотид­ных остатков; они находятся в цитоплазме клетки и участвуют в процессе реализации генетического кода в рибосоме. В табл. 2.11 приведены основные свойства различных РНК бак­терии Е. coli. Нуклеотидные последовательности и, следователь­но, структуры и функции различных клеточных рРНК и тРНК, как и мРНК, определяются последовательностями нуклеотид­ных остатков соответствующих генов клеточной ДНК.

Конечный результат этого сложного процесса передачи и трансляции информации состоит в синтезе молекулы белка. Белки представляют собой материальное биохимическое выра­жение генетической информации и инструкций, носителем ко­торых является ДНК. Используя терминологию, принятую в тео­рии управления процессами, можно сказать, что белки — это конечные элементы управления, которые передают командные сигналы ДНК клеточным процессам. Ниже и в некоторых по­следующих главах мы рассмотрим динамику и свойства этих элементов управления.

Таблица 2.11. Свойства Е coli

Способ записи генетической информации в молекуле ДНК. Биологический код и его свойства

Первично все многообразие жизни обусловливается разнообразие белковых молекул, выполняющих в клетках различные биологические функции. Структура белков определяется набором и порядком расположения аминокислот в их пептидных цепях. Именно эта последова

Рис. 2.22. Пространственные модели левоэакрученной Z-формы (i) и правозакрученной В-формы (II) ДНК

тельность аминокислот в пептидах зашифрована в молекулах ДНК с помощью биологического (генетического) кода. Относительная прими­тивность структуры ДНК, представляющей чередование всего лишь четырех различных нуклеотидов, долгое время мешала исследователям рассматривать это соединение как материальный субстрат наследст­венности и изменчивости, в котором должна быть зашифрована чрез­вычайно разнообразная информация.

В 1954 г. Г. Гамовым было высказано предположение, что кодиро­вание информации в молекулах ДНК должно осуществляться сочета­ниями нескольких нуклеотидов. В многообразии белков, существующих в природе, было обнаружено около 20 различных аминокислот. Для шифровки такого их числа достаточное количество сочетаний нуклеотидов может обеспечить лишь триплетный код, в котором каждая аминокислота шифруется тремя стоящими рядом нуклеотидами. В этом случае из четырех нуклеотидов образуется 4 = - 64 триплета. Код, состоящий из двух нуклеотидов, дал бы возмож­ность зашифровать только 4² = 16 различных аминокислот.

Рис.2.23. Аминокислоты и кодирующие их триплеты ДНК

Полная расшифовка генетического кода проведена в 60-х гг. нашего столетия. Из 64 возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; оставшиеся 3 получили название бессмысленных, или «нонсенс-триплетов». Они не шифруют аминокислот и выполняют функцию знаков препинания при считывании наследственной инфор­мации. К ним относятся АТТ, АЦТ, АТЦ.

Обращает на себя внимание явная избыточность кода, проявляю­щаяся в том, что многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами (рис. 2.23). Это свойство триплетного кода, названное вырожденностью, имеет очень важное значение, так как возникновение в структуре молекулы ДНК изменений по типу замены одного нукле-отида в полинуклеотидной цепи может не изменить смысла триплета. Возникшее таким образом новое сочетание из трех нуклеотидов коди­рует ту же самую аминокислоту.

В процессе изучения свойств генетического кода была обнаружена его специфичность. Каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. Интересным фактом является полное соответствие кода у различных видов Живых организмов. Такая уни­версальность генетического кода свидетельствует о единстве происхож­дения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции.

Незначительные отличия генетического кода обнаружены в ДНК митохондрий некоторых видов. Это не противоречит в целом положению об универсальности кода, но свидетельствует в пользу определенной дивергентное™ в его эволюции на ранних этапах существования жизни. Расшифровка кода в ДНК митохондрий различных видов показала, что во всех случаях в митохондриальных ДНК отмечается общая особенность: триплет АЦТ читается как АЦЦ, и поэтому из нонсенс-триплета превращается в шифр аминокислоты триптофана.

Другие особенности являются специфичными для различных видов организмов. У дрожжей триплет ГАТ и, возможно, все семейство ГА кодирует вместо аминокислоты лейцина треонин. У млекопитающих триплет ТАГ имеет то же значение, что и ТАЦ, и кодирует аминокислоту метионин вместо изолейцина. Триплеты ТЦГ и ТЦЦ в ДНК митохондрий некоторых видов не кодируют аминокислот, являясь нонсенс-триплетами.

Наряду с триплетностью, вырожденностью, специфичностью и универсальностью важнейшими характеристиками генетического кода являются его непрерывность и неперекрываемость кодонов при считы­вании. Это означает, что последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания (рис. 2.24). Доказательством неперекрываемости генетического кода является

Рис. 2.24. Непрерывность и непререкаемость генетического кода при считывании наслед­ственной информации Цифрами обозначены нуклеотиды

замена только одаой аминокислоты в пептиде при замене одного нуклеотида в ДНК. В случае включения нуклеотида в несколько перекрывающихся триплетов его замена влекла бы за собой замену 2—3 аминокислот в пептидной цепи.