Основы биохимии Том 3 - А. Ленинджер 1985

Молекулярные механизмы передачи генетической информации

В этой последней части книги мы рассмотрим биохимические вопросы, связанные с генетической непрерывностью и эволюцией живых организмов. Какова молекулярная природа генетического материала? Каким образом осуществляется столь точная передача генетической информации? Как эта информация в конечном счете переводится в аминокислотную последовательность белковых молекул?

Результаты современных биохимических исследований структуры и функции гена привели к революции в биологии, сравнимой с той, которую вызвала более ста лет назад дарвиновская теория происхождения видов. Серьезное влияние этих результатов испытали по существу все разделы биологии и медицины. Благодаря биохимической генетике стало возможным более глубокое изучение ряда наиболее фундаментальных проблем, касающихся структуры и функции живых клеток. Более того, биохимическая генетика расширила рамки теоретической биохимии.

Нынешний уровень понимания молекулярных аспектов генетики был достигнут в результате объединения усилий трех различных наук, а именно генетики, биохимии и молекулярной физики. Вклад всех этих трех наук нашел свое концентрированное выражение в событии, открывшем современную эру в биохимической генетике. В 1953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик постулировали структуру двойной спирали ДНК. Их гипотеза, правильность которой была подтверждена в дальнейшем в многочисленных экспериментах самого разного рода, представляла собой результат совместных усилий генетической теории, выдвинувшей концепцию кодирования генетической информации с помощью генов, физики, которая позволила определить молекулярную структуру ДНК методом рентгеноструктурного анализа, и биохимии, которая позволила установить химический состав ДНК и принцип спаривания комплементарных оснований. Гипотеза Уотсона-Крика не только объяснила структуру молекулы ДНК, но и показала, каким образом эта молекула может точно реплицироваться. Это вскоре привело к формулированию центральной догмы молекулярной генетики (см. рисунок), которая определяет три главных этапа в обработке генетической информации. Первый этап репликация, т. е. копирование родительской ДНК с образованием дочерних молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых комплементарна нуклеотидной последовательности родительской ДНК и однозначно определяется ею. Второй этап транскрипция, процесс, в ходе которого часть генетической информации переписывается в форме рибонуклеиновой кислоты (РНК). И, наконец, третий этап - трансляция, в процессе которой генетическая информация, записанная при помощи четырехбуквенного кода в РНК, переводится в рибосомах на двадцатибуквенный код белковой структуры.

В последующих главах мы рассмотрим, как реализуются все эти этапы. Мы встретимся с новым понятием с концепцией хранения и передачи молекулярной информации, которой в предыдущих разделах данной книги мы касались лишь вскользь. Сначала мы изучим природу, размеры и конформацию функциональных единиц генетического материала клеток и вирусов - хромосом и генов. Затем рассмотрим пути и механизмы функционирования чрезвычайно сложных ферментных систем, ответственных за репликацию и транскрипцию ДНК. При этом мы увидим, что биосинтез высокоинформативных молекул ДНК и РНК требует десятков различных ферментов и специализированных белков, в то время как для создания не несущей информации макромолекулы, например гликогена, достаточно всего лишь нескольких ферментов. Далее мы рассмотрим механизм биосинтеза белка, самого сложного из известных биосинтетических процессов, в котором принимает участие больше 200 различных ферментов и других специализированных макромолекул, необходимых для расшифровки и перевода символов генетического кода в трехмерную структуру белков.

Центральная догма молекулярной генетики, показывающая перемещение генетической информации в ходе трех фундаментальных процессов: репликации, транскрипции и трансляции. Позже мы увидим, что центральную догму пришлось несколько видоизменить.

Нуклеотидная последовательность ДНК мелкого бактериофага фХ174, установленная в 1977 г. Фредериком Сэнгером и его коллегами в Кембридже (Англия). Это достижение знаменовало собой начало новой эры в биохимической генетике и принесло Сэнгеру вторую Нобелевскую премию. За двадцать пять лет до этого Сэнгер опять же первым определил полную аминокислотную последовательность белка инсулина. После опубликования нуклеотидной последовательности ДНК фага фХ174 выяснилось, что она неполная. Было найдено одиннадцать дополнительных нуклеотидов; таким образом, окончательный размер ДНК этого фага равен 5386 нуклеотидным остаткам.

Важным побочным результатом работы Сэнгера было обнаружение в хромосоме фага фХ174 перекрывающихся генов и “генов внутри генов”; этот факт был установлен в результате тщательного сравнения нуклеотидной последовательности ДНК с аминокислотной последовательностью кодируемых ею белков. ДНК фага фХ174 содержит девять генов, обозначенных A J. Их “начальные” и “конечные” кодоны обведены рамкой. Обратите внимание, что ген Е лежит внутри гена D. Закрашенными прямоугольниками указаны места, узнаваемые рибосомой

В заключительной главе мы увидим, что хромосомы и гены - это не застывшие, инертные структуры. Они могут подвергаться мутациям, иногда вызывающим серьезные нарушения в биологической функции белка, а иногда приводящим к появлению лучшего по своим функциональным качествам белка. Гены или наборы генов часто претерпевают обмен и рекомбинацию, образуя у потомства новые сочетания свойств. Более того, обмениваются и рекомбинируют части генов, что позволило природе создать удивительно эффективную иммунную систему, которая защищает позвоночных от микробов и помогает сохранить специфические особенности видов.

Эта область биохимии развивается с головокружительной скоростью. Редко проходит месяц без того, чтобы в биохимии не появилось сообщения о каком-нибудь крупном достижении или открытии. За расшифровкой генетического кода в начале 60-х годов последовала нескончаемая вереница захватывающих открытий и обобщений крупного масштаба. Среди них определение нуклеотидных последовательностей многих генов, искусственный синтез генов, соединение генов в новых сочетаниях, встраивание генов одних видов в клетки других видов и получение с помощью таких измененных клеток “продуцентов” многих новых белков, полезных для тех или иных целей. Без преувеличения можно сказать, что в биохимической генетике началась новая эра, которая несомненно окажет в будущем существенное влияние на здоровье и жизнедеятельность человека.