Ермишин А.П. Биотехнология. Биобезопасность. Биоэтика

Подождите немного. Документ загружается.

ВВЕДЕНИЕ

ной защиты животных, регуляторы роста растений и животных, инсектицидные, про-

тивобактериальные, противогрибные и противовирусные биопрепараты широкого

спектра действия.

Начинается использование новых биотехнологий и применительно к растениям и

животным. Освоены и усовершенствованы методы получения и микроклонального

размножения чистого от патогенов посадочного материала сельскохозяйственных и

декоративных культур. Новые методы, основанные на культивировании изолирован-

ных клеток и тканей растений, в том числе соматическая гибридизация путем слияния

протопластов, культура пыльников и микроспор, находят применение в селекции

сельскохозяйственных растений. В селекции животных применяются такие биотехно-

логические методы, как оплодотворение in vitro, трансплантация, деление и криокон-

сервирование эмбрионов.

Развитию новых биотехнологий уделяется большое внимание на государственном

уровне. На 2001—2005 годы приняты две крупные государственные научно-

технические программы: «Инфекции и медицинские биотехнологии» и «Промыш-

ленная биотехнология», а также государственная программа фундаментальных иссле-

дований «Разработка научных основ биотехнологических процессов: селекция и созда-

ние коллекции непатогенных микроорганизмов как биотехнологических объектов; ге-

нетическая и клеточная инженерия растений и микроорганизмов; микробный синтез

биологически активных соединений и использование микроорганизмов в промыш-

ленности, сельском хозяйстве и охране окружающей среды («Биотехнология»)».

В рамках Союза Беларуси и России принята научная программа «Создание высо-

коэффективных биологически безопасных лекарственных препаратов нового поколе-

ния на основе белков человека, полученных из молока трансгенных животных («Белро-

странсген»)». Государственная программа «Разработка и использование генно-

инженерных биотехнологий в интересах сельского хозяйства и медицины («Генетиче-

ская инженерия») на 2002—2006 годы» помимо проведения научных исследований

включает комплекс организационных и кадровых мероприятий, призванных дать тол-

чок ускоренному развитию этого перспективного научного направления. Тем не ме-

нее, видно заметное отставание нашей страны в развитии именно генно-инженерных

биотехнологий, которые требуют вложения значительных финансовых средств. По-

этому ожидать быстрого прорыва в этой области не приходится. В связи с этим целесо-

образно расширять международное сотрудничество в современной биотехнологии,

чтобы ускоренно внедрять и использовать достижения других стран.

Несмотря на значительные достижения и блестящие перспективы, восприятие

населением первых генетически модифицированных продуктов было, прямо скажем,

неоднозначным. Демонстрации, пикеты, шумная пропагандистская кампания в прес-

се, уничтожение «приверженцами традиционного земледелия» посадок трансгенных

культур, национальные референдумы о запрете генетической инженерии стали обыч-

ным делом во многих странах. Такая реакция, в общем, вполне объяснима: опыт пока-

зывает, что внедрение новых, революционных технологий может быть сопряжено с не-

благоприятными, даже трагическими последствиями для здоровья человека и окру-

жающей среды (примеров этого в истории достаточно). Однако это не означает, что

надо отказываться от новых технологий. Важно своевременно определить возможные

риски, связанные с их использованием, разработать и применять, если это необходимо,

соответствующие меры предосторожности.

Среди потенциальных рисков для здоровья человека, связанных с использованием

генно-инженерных биотехнологий, рассматриваются, например, изменение активно-

сти отдельных генов живых организмов под влиянием вставки чужеродной ДНК, в ре-

зультате которого может произойти ухудшение потребительских свойств продуктов

ВВЕДЕНИЕ

питания, получаемых из этих организмов. В продуктах питания, полученных из генно-

инженерных организмов, может быть повышенный по сравнению с реципиентными

организмами уровень каких-либо токсичных, аллергенных веществ, который превы-

шает установленные пределы безопасности. Опасения экологов вызывает высвобожде-

ние в окружающую среду трансгенных организмов, прежде всего сельскохозяйствен-

ных растений и животных, в геном которых привнесены чужеродные, не характерные

для них гены микроорганизмов, вирусов, что может приводить к изменению естест-

венных биоценозов в результате переноса трансгенов диким видам, появлению новых,

более агрессивных патогенов, сорняков, поражению организмов, не являющихся ми-

шенями трансгенных признаков, и др.

Первые генно-инженерные сорта сельскохозяйственных растений появились в

производстве в 1992 году. За прошедший период они показали свою высокую эффек-

тивность, преимущество перед сортами, созданными с помощью традиционной селек-

ции. Площади под ними стремительно расширяются. Большинство опасений относи-

тельно их возможной угрозы здоровью человека и окружающей среде не подтверди-

лось. Однако мы имеем еще очень короткую истории безопасного использования ген-

но-инженерных организмов. Руководствуясь принципом предосторожности, в течение

достаточно длительного времени необходимо принимать меры безопасности, включая

государственное регулирование в области генно-инженерной деятельности. Задача

эффективного государственного регулирования состоит в том, чтобы обеспечить, с

одной стороны, максимально благоприятные условия для развития генетической ин-

женерии как одного из приоритетных научных направлений, а с другой — гарантиро-

вать безопасность при осуществлении и использовании результатов и продуктов ген-

но-инженерной деятельности.

Вторая часть этой задачи достигается благодаря применению системы мероприя-

тии, направленных на предотвращение или снижение до безопасного уровня неблаго-

приятных воздействий генно-инженерных организмов на здоровье человека и окру-

жающую среду при осуществлении генно-инженерной деятельности, которая получи-

ла название «биобезопасность». Биобезопасность (безопасность генно-инженерной

деятельности) как новую область человеческих знаний можно разделить на два основ-

ных направления. Первое из них связано с разработкой и применением различных

методов оценки и предупреждения риска возможных неблагоприятных эффектов

ГИО, второе — с системой государственного регулирования безопасности генно-

инженерной деятельности.

К настоящему времени разработана эффективная система оценки безопасности

ГИО для здоровья человека и окружающей среды. Она содержит целый ряд подходов и

методов, применяемых, начиная с этапа планирования предполагаемой генетической

модификации и заканчивая получением свидетельства о государственной регистра-

ции трансгенного сорта, дающего право использовать ГИО в хозяйственной деятельно-

сти. В большинстве развитых стран мира принято и эффективно функционирует спе-

циальное законодательство, касающееся биобезопасности, а также созданы соответст-

вующие компетентные органы, которые претворяют его в жизнь.

В системе международных отношений вопросы биобезопасности вышли в по-

следнее время на первый план. В 2000 году странами — Сторонами Конвенции о био-

логическом разнообразии (Беларусь является Стороной этой Конвенции) принят Кар-

тахенский протокол по биобезопасности, основная цель которого—«содействие обес-

печению надлежащего уровня защиты в области безопасной передачи, обращения и

использования живых измененных организмов, являющихся результатом современной

биотехнологии, способных оказывать неблагоприятное воздействие на сохранение и

устойчивое использование биологического разнообразия, с учетом также рисков для

ВВЕДЕНИЕ

здоровья человека и с уделением особого внимания трансграничному перемещению»

(Картахенский протокол, статья 1). Протокол вступил в силу 11 сентября 2003 года.

Каждая Сторона Конвенции должна принять необходимые правовые, админист-

ративные и иные меры для выполнения своих обязательств, предусмотренных в рам-

ках Протокола. Речь, в частности, идет о разработке и принятии соответствующего за-

конодательства, регулирующего безопасность генно-инженерной деятельности, созда-

нии административных структур (или наделении соответствующими полномочиями

уже существующих), ответственных за реализацию этого законодательства, формиро-

вании системы обоснованного принятия решений по вопросам генно-инженерной

деятельности, которая включает оценку и предупреждение риска возможных неблаго-

приятных ее последствий, разработку и внедрение механизма информирования и уча-

стия общественности в принятии решений по вопросам генно-инженерной деятельно-

сти.

В Беларуси предприняты важные шаги в области безопасного использования ген-

но-инженерных биотехнологий, однако многое предстоит еще сделать. Среди того, что

уже сделано, следует отметить прежде всего создание Национального координацион-

ного центра биобезопасности, в функции которого входят сбор, анализ и систематиза-

ция информации о законодательстве, научных исследованиях, полевых испытаниях,

ввозе/вывозе, использовании генно-инженерных организмов в хозяйственной деятель-

ности; предоставление этой информации заинтересованным министерствам и другим

органам государственного управления, средствам массовой информации; обмен ин-

формацией с координационными центрами других стран, международными органи-

зациями; обеспечение проведения научной экспертизы безопасности генно-

инженерных организмов; оказание консультативных услуг в разработке законодатель-

ных актов и руководств по биобезопасности, в подготовке предложений по заключе-

нию двусторонних и региональных соглашений. Сотрудниками Центра совместно с

юристами предложена концепция государственного регулирования безопасности ген-

но-инженерной деятельности в Республике Беларусь, подготовлен проект Закона Рес-

публики Беларусь «О безопасности генно-инженерной деятельности» и пакет проектов

соответствующих нормативных документов.

В мае 2002 года Беларусь присоединилась к Картахенскому протоколу по био-

безопасности к Конвенции о биологическом разнообразии. В связи с этим Совет Мини-

стров принял постановление от 5 июня 2002 года «О мерах по реализации положений

Картахенского протокола по биобезопасности к Конвенции о биологическом

разнообразии», в котором определены республиканские органы государственного

управления, ответственные за выполнение Протокола: Министерство природных

ресурсов и охраны окружающей среды — в части функций, связанных с

высвобождением ГИО в окружающую среду, Министерство сельского хозяйства и

продовольствия и Министерство здравоохранения — в части функций, связанных с

использованием ГИО в хозяйственной деятельности. Институт генетики и цитологии

НАН Беларуси, выполняющий функции Национального координационного центра

биобезопасности, назначен ответственным за связь с Секретариатом Конвенции о

биологическом разнообразии по вопросам биобезопасности.

Как известно, в ноябре 2000 года Совет Глобального экологического фонда (GEF

— Global Environment Facility) принял «Первоначальную стратегию помощи странам в

подготовке к вступлению в силу Картахенского протокола по биобезопасности» и ут-

вердил совместный с Программой ООН по окружающей среде (UNEP) глобальный

проект «Разработка национальных систем биобезопасности», имеющий целью оказа-

ние финансовой и технической помощи 100 странам в разработке и создании их на-

циональных систем биобезопасности, содействие региональному и субрегиональному

ВВЕДЕНИЕ

сотрудничеству и обмену опытом по этим проблемам, что в целом должно помочь

странам при вступлении в силу Картахенского протокола. Беларусь вошла в список

этих стран, и с января 2003 года начата реализация совместного проекта правительства

нашей страны и UNEP «Разработка национальной системы биобезопасности для Рес-

публики Беларусь».

В предлагаемой монографии отражены важнейшие результаты, достигнутые в

ходе выполнения данного проекта. В частности, при написании книги использованы

материалы обзоров, подготовленных Институтом генетики и цитологии, Институтом

микробиологии, Институтом животноводства и Институтом защиты растений НАН

Беларуси, Институтом микробиологии и эпидемиологии и Республиканским научно-

практическим центром гигиены Минздрава Республики Беларусь, Общественным

объединением «Экоправо», материалы, собранные Национальным координационным

центром биобезопасности при создании информационной страницы этого центра в

сети Интернет, а также результаты социологического исследования, проведенного Ин-

ститутом социологии НАН Беларуси. В книгу вошли также материалы, содержащиеся

в докладах, сделанных авторами на семинарах, проведенных в соответствии с про-

граммой проекта.

Авторы сочли возможным представить читателям результаты проекта в более

широком контексте. С одной стороны, это позволит лучше оценить их значимость и то

место, которое они занимают в формировании системы биобезопасности нашей стра-

ны. С другой стороны, в русскоязычной научной литературе существует большой про-

бел в той области, которая касается безопасности генно-инженерной деятельности,

восприятия ее общественностью, этических проблем применения новых биотехноло-

гий. Все это создает предпосылки для неадекватного восприятия населением достиже-

ний современной биотехнологии, рождает всевозможные мифы, страхи и, в результате,

активное неприятие ГИО и недоверие к правительству. В такой ситуации резко акти-

визируется деятельность всевозможных темных личностей и «экологических» общест-

венных объединений, пытающихся сколотить политический и реальный финансовый

капитал на раздувании психоза вокруг ГИО и генетической инженерии. Последствия

такой деятельности предсказать несложно. Прежде всего это научное и технологиче-

ское отставание страны в одном из приоритетных научных направлений, значитель-

ные финансовые затраты для целей убеждения потребителей в безопасности новых

технологий.

Предлагаемая книга может привлечь внимание разных групп населения, интере-

сующихся достижениями генетической инженерии и вопросами безопасности генно-

инженерной деятельности: биологов, специалистов сельского хозяйства и медицины,

юристов, государственных служащих, студентов, учащихся средних школ и др. Естест-

венно, уровень знаний в области биологии, в частности молекулярной генетики, у них

будет сильно различаться. Поэтому авторы сочли необходимым в первой главе книги в

простой форме представить базовые сведения по биологии и генетике. Это поможет

читателям понять, каким образом получают генно-инженерные организмы и чем они

отличаются от обычных, «немодифицированных» форм (глава 2). В главе 3 рассмотре-

ны важнейшие достижения генетической инженерии и перспективы ее дальнейшего

развития; особое внимание уделено успехам генетической инженерии растений, по-

скольку они в наибольшей степени затрагивают интересы потребителей.

Заметим, что представленные во второй и третьей главах материалы не претен-

дуют на полноту отражения современного состояния вопроса. С одной стороны, собы-

тия в области генетической инженерии развиваются столь стремительно, что угнаться

за ними достаточно сложно. С другой стороны, авторы и не стремились к этому из-за

ограниченного объема издания. Содержащиеся в первых главах сведения призваны

ВВЕДЕНИЕ

помочь читателю лучше разобраться в содержании глав 4, 5 и 6, посвященных вопро-

сам биобезопасности. У читателей появляется возможность сформировать собственное

представление о природе рисков возможных неблагоприятных эффектов генно-

инженерных организмов для здоровья человека и окружающей среды, способах их

оценки и предупреждения.

Глава 7 посвящена вопросам регулирования безопасности генно-инженерной дея-

тельности на национальном и международном уровне. И наконец, не оставлены без

внимания вопросы восприятия генетической инженерии и ГИО общественностью,

включая ряд этических проблем, связанных с возможностью клонирования человека, а

точнее, отдельных его клеток (главы 8 и 9). Монография содержит также краткий сло-

варь биологических терминов, использованных при ее написании.

Глава 1

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО

БИОЛОГИИ И ГЕНЕТИКЕ

Чтобы лучше понять, что такое генетическая инженерия, генно-инженерные орга-

низмы и генетически модифицированные продукты, чем они отличаются от обычных

организмов и продуктов, желательно иметь представление о том, как их получают.

Однако, прежде чем объяснить, что такое генетическая инженерия, есть смысл остано-

виться на основных биологических понятиях.

1.1. Что такое клетки

Клетка — основная структурная и функциональная единица всех живых существ,

будь то растение, животное или микроб. Некоторые организмы, например бактерии,

отдельные водоросли и грибы, являются одноклеточными: весь организм целиком за-

ключен в одну клетку. Человек как представитель многоклеточных организмов содер-

жит приблизительно 3 тысячи миллиардов клеток. Клетки, соединенные между собой,

формируют у многоклеточных организмов различные ткани, органы или структуры (у

животных — мозг, печень, кости, кожу; у растений — листья, корни, плоды и т.п.).

Как правило, клетки очень малы. Они имеют диаметр чаще всего намного меньше 1

мм. Практически их невозможно различить невооруженным глазом. Впервые их уда-

лось разглядеть более 300 лет назад, вскоре после того, как были сконструированы пер-

вые микроскопы. Строение клеток высших организмов (растений и животных) изо-

бражено на рисунке 1.1. Клетки окружены мембраной, состоящей из липидов. Мем-

брана проницаема только для определенных молекул питательных веществ и ионов.

Благодаря этому содержимое клетки удерживается внутри и не вытекает в окружаю-

щую среду. Растительные клетки имеют дополнительную клеточную стенку, состоя-

щую из целлюлозы, которая придает растительным тканям структурную жесткость. Во

всех клетках, кроме бактериальных, внутреннее клеточное пространство разграничено

на окруженное мембраной сферическое тельце, называемое ядром, и цитоплазму. Яд-

ро — это командный центр клетки. В нем находится ДНК (дезоксирибонуклеиновая

кислота), в которой закодирована почти вся необходимая для жизни клетки, а также

всего организма наследственная информация: инструкции, управляющие ростом, де-

лением и специфическими особенностями клеток. ДНК в ядре находится в виде изви-

тых тяжей, известных под названием хромосом. Клетки, имеющие ядро, называются

эукариотическими, лишенные ядра клетки бактерий и сине-зеленых водорослей назы-

ваются прокариотическими.

Цитоплазма содержит различные органеллы, которые выполняют функции, анало-

гичные функциям отдельных органов многоклеточного организма (пищеварение, на-

копление и сохранение питательных веществ и энергии, выделение). В хлоропластах

(место, где происходит фотосинтез), а также митохондриях (они ответственны за запа-

сание энергии) содержится небольшое по сравнению с ядром количество ДНК (а сле-

довательно, и генетической информации).

В бактериальных клетках основная масса ДНК содержится в одной большой коль-

цевой молекуле, которую называют бактериальной хромосомой (рис. 1.2). Помимо нее

ГЛАВА ПЕРВАЯ

у многих бактерий есть большое количество очень маленьких кольцевых молекул

ДНК, называемых плазмидами. Плазмиды способны размножаться и передаваться дру-

гим бактериальным клеткам независимо от главной хромосомы. Они были впервые

идентифицированы как генетические элементы, несущие гены устойчивости к анти-

биотикам. Впрочем, они могут содержать и многие другие гены.

Рис. 1.1. Схема строения клетки растений (Биоло-

гия, под ред. Б.А.Кузнецова, 1975). 1 - ядро; 2 - яд-

рышко; 3 - ядерная оболочка; 4 - вакуоля; 5 - лей-

копласт с образующимся в нем крахмальным зер-

ном; 6 - хлоропласт; 7 - митохондрия; 8 - аппарат

Гольджи; 9 - эндоплазматическая сеть; 10 - ядер-

ная пора; 11 - оболочка клетки; 12 — пора в

оболочке клетки

Главное свойство клеток — способ-

ность расти и делиться с образованием

дочерних клеток. Чтобы выполнять эти

функции, клетки должны быть устроены

очень сложно. И действительно, даже

простейшие из них содержат молекулы

почти 1000 разных веществ. Клетки мож-

но сравнить с крошечными фабриками, которые, используя в качестве сырья, строи-

тельных блоков относительно простые молекулы, превращают их в многочисленные

необходимые для роста и развития клетки сложные молекулы. В процессе роста и де-

ления клетки нуждаются в энергии. В большинстве случаев они получают ее при рас-

щеплении молекул, поступивших с пищей. Клетки растений, способные к фотосинте-

зу, используют энергию солнечного света.

Рис. 1.2. Схема строения клетки

бактерий

Все молекулы веществ в клетке можно разделить в соответствии с их размерами на

два основных класса. Первый класс — так называемые малые молекулы: простейшие

сахара, аминокислоты и жирные кислоты. Второй класс клеточных молекул составляют

макромолекулы, которые являются полимерами, образующимися в результате соеди-

нения определенных малых молекул (например, аминокислот) в длинные цепи (на-

пример, белки). Малые молекулы обычно состоят из 10—50 атомов, связанных строго

упорядоченным образом. Полимерные молекулы содержат большое количество моно-

мерных звеньев из малых молекул и в сотни-тысячи раз превышают их по своим раз-

мерам. В каждой клетке можно обнаружить приблизительно 750 типов малых молекул

и до 2000 разных видов макромолекул.

Каждая из многих тысяч различных молекул, содержащихся в клетке, потенциально

способна вступать в очень большое число химических реакций с другими клеточными

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО БИОЛОГИИ И ГЕНЕТИКЕ

молекулами. Однако при температурах существования живых организмов подавляю-

щее большинство этих реакций не может происходить со скоростями, достаточными

для поддержания жизни. В живых клетках нужные скорости реакций обеспечивают

специальные катализаторы — так называемые ферменты. Как и все катализаторы,

ферменты в ходе химических реакций не расходуются, и данная молекула может сра-

батывать тысячи раз за одну секунду. Большинство ферментов высокоспецифичны, и

каждый из них катализирует строго определенную химическую реакцию.

Рис. 1.3. Структура макромолекулы

белка (фермента нуклеазы) (по Уотсон

и др., 1986). Лиз, Глу, Тре и т.д. - со-

кращенные названия аминокислот ли-

зина, глутамина, треонина и т. д. От-

дельные молекулы аминокислот со-

единены между собой водородными

связями в цепочку-полипептид. Моле-

кула белка может включать помимо

аминокислот и другие молекулы и

атомы, например металлов (железа,

магния, серы и др.)

Как выяснилось сравнительно недавно (к 1935 году), все ферменты живых организ-

мов по своей природе являются белками. В связи с этим изучение структуры и функ-

ций этого типа макромолекул привлекало (и продолжает привлекать) наибольшее

внимание ученых. Было установлено, что белки — это полимерные молекулы, постро-

енные из аминокислот. Известно 20 аминокислот, которые в разных белковых молеку-

лах соединены в цепи в строго определенном порядке и соотношении (рис. 1.3). Это

означает, что любая молекула белка характеризуется уникальной, характерной только

для этого белка последовательностью аминокислот. Нарушение этого порядка может

привести к нарушению каталитической способности фермента. Хотя белки в организ-

ме могут выполнять самые разнообразные, в том числе структурные функции (напри-

мер, мышечные ткани построены из белков), основная их роль — катализ химических

реакций. Можно сказать, что ферменты — один из важнейших, ключевых элементов

живой клетки, непосредственно связанных со всеми ее жизненными функциями.

1.2. Что такое хромосомы, ДНК,

генетический код, гены

Информация о составе и строении всех белков клетки, порядке их образования в

ходе развития организма, т.е. вся наследственная информация организма, закодирова-

на в молекулах ДНК. У эукариотических организмов ДНК содержится в хромосомах, в

каждой хромосоме по одной молекуле ДНК. Количество хромосом для каждого вида

высших организмов является строго определенной постоянной величиной. Например,

у человека 46 хромосом, пшеницы — 42. Появление дополнительных хромосом или от-

сутствие какой-либо хромосомы может приводить к серьезным нарушениям в орга-

низме.

Важнейшее свойство клеток — способность делиться таким образом, что каждая из

образовавшихся дочерних клеток ничем не отличается по хромосомному составу одна

ГЛАВА ПЕРВАЯ

от другой и от материнской клетки. Это достигается благодаря тому, что накануне де-

ления каждая из хромосом удваивается: в них образуется вторая молекула ДНК, абсо-

лютно идентичная уже существующей. Этот процесс называется «репликация ДНК».

У высших организмов, которые размножаются половым путем, количество хромо-

сом, как правило, четное. Более того, каждая из хромосом представлена в двух экземп-

лярах: одна от «папы», вторая — от «мамы». Такие пары хромосом, которые кодируют

одни и те же гены, называются гомологичными. В процессе образования половых кле-

ток (яйцеклеток и сперматозоидов) гомологичные хромосомы сближаются и обмени-

ваются отдельными участками: происходит рекомбинация генов (рис. 1.4). В результа-

те половые клетки в своих хромосомах содержат новые комбинации родительских ге-

нов. Процесс деления при образовании половых клеток несколько отличается от

обычного клеточного деления. Каждая половая клетка получает только по одной из

каждой пары гомологичных хромосом. Таким образом, сперматозоиды и яйцеклетки

человека, например, содержат 23 хромосомы. Однако после оплодотворения яйцеклет-

ки сперматозоидом нормальное число хромосом восстанавливается.

Рис. 1.4. Упрощенная схема кроссинговера (по Петров.1976): 1 - ис-

ходные гомологичные хромосомы; 2 - две гомологичные хромосо-

мы при конъюгации разрываются в точке контакта, и участки их

воссоединяются в ином сочетании, в результате образуются две

хромосомы 3 - каждая из которых содержит участки обеих исход-

ных хромосом

Молекула ДНК по своей химической структуре представляет полимер, состоящий

из двух спирально закрученных друг вокруг друга цепей, соединенных водородными

связями (всем известная «двойная спираль»). Каждая из цепей содержит многие тысячи

сочлененных между собой в определенном порядке так называемых нуклеотидов. Ка-

ждый нуклеотид состоит в свою очередь из трех более простых молекул: азотистого ос-

нования, сахара дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Нуклеотиды различа-

ются между собой только азотистыми основаниями: имеется два пуриновых (аденин и

гуанин) и два пиримидиновых (тимин и цитозин) основания. Генетики обозначают

разные нуклеотиды по содержащемуся в нем основанию: А — адениновый нуклеотид

или аденин, Г — гуаниновый (гуанин), Ц — цитозиновый (цитозин), Т — тиминовый

(тимин).

Отдельные нуклеотиды соединяются между собой в цепи фосфодиэфирными свя-

зями: фосфатная группа 5’-углеродного (дезоксирибозы) атома одного нуклеотида свя-

зана с З’-гидроксильной группой дезоксирибозы соседнего нуклеотида. На одном кон-

це полинуклеотидной цепи находится З’-гидроксильная группа (З’-конец), а на другом

— 5’-фосфатная группа.

Две цепи ДНК являются строго комплементарными друг другу: адениновый нук-

леотид одной цепи соединен водородными связями с тиминовым нуклеотидом другой

цепи, соответственно цитозиновый нуклеотид соединен с гуаниновым (рис. 1.5). Цепи

молекулы ДНК антипараллельны: одна из них имеет направление 5’→ 3’ а другая —

З’→ 5’. При удвоении ДНК (репликации ДНК), предшествующем делению клеток,

происходит синтез новой молекулы ДНК, цепи которой комплементарны двум цепям

исходной молекулы. Именно благодаря принципу комплементарности новая и старая

молекулы ДНК абсолютно идентичны.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО БИОЛОГИИ И ГЕНЕТИКЕ

Рис. 1.5. Схема отрезка двунитевой молекулы ДНК (по

Гершензон, 1979). Азотистые основания аденин (А), гуанин

(Г), цитозин (Ц) и тимин (Т) соединены водородной связью

с сахаром дезоксирибозой. Атомы З’- и 5’- дезоксирибозы

соединены фосфатными связями (Ф) и образуют цепочки

нуклеотидов - отдельные нити молекулы ДНК. Нити со-

единяются между собой водородными связями, которые

устанавливаются между отдельными азотистыми основа-

ниями нитей. При этом А всегда соединяется с Т (двойной

водородной связью), а Г - с Ц (тройной связью). Таким об-

разом, сочетание нуклеотидов в нитях комплементарно

друг другу

Порядок расположения четырех разных нуклеотидов в молекуле ДНК определяет

последовательность аминокислот во всех белках, образующихся в клетке. То есть на-

следственная информация организма записана в молекулах ДНК с помощью всего че-

тырех «букв». Возникает вопрос: как же можно записать информацию о всех сложней-

ших процессах, проистекающих в организме, четырьмя буквами? Оказалось

, можно.

Просто для этого надо использовать кодированную запись. Причем применяемый в

природе код также оказался несложным: каждой из двадцати аминокислот, из которых

построены белковые молекулы, соответствует определенное «слово», состоящее из трех

«букв» — нуклеотидов. Например, аминокислоте лизин соответствует триплет нуклео-

тидов ААГ (аденин – аденин - гуанин), а аминокислоте аргинин — ЦГА (цитозин –

гуанин

- аденин). Эти триплеты

получили название «кодоны». Не-

сложно заметить, что такой код —

«вырожденный»: возможных соче-

таний из трех «букв» намного

больше, чем аминокислот. Поэтому

отдельные аминокислоты могут

быть закодированы разными «сло-

вами-синонимами». Например, тот

же аргинин может быть закодиро-

ван и кодонами ЦГЦ, ЦГГ, АГА,

АГГ. Из всех аминокислот

только

метионин и триптофан не имеют

«синонимов». Тем не менее, код яв-

ляется «неперекрывающимся»: ко-

доны, кодирующие какую-либо

аминокислоту, не могут служить

кодом для другой аминокислоты.

Благодаря этому запись последова-

тельности кодонов в ДНК полно-

стью соответствует последователь-

ности аминокислот в соответст-

вующем белке (табл. 1.1).

Участок ДНК, на котором закодирована информация о каком-то одном белке, на-

зывается геном. Средняя длина ДНК, кодирующая один ген, соответствует приблизи-

тельно 1000 пар нуклеотидов. На одной молекуле ДНК обычно располагается большое

количество генов, а также последовательности, оказывающие влияние на их актив-

Таблица 1.1

Генетический код: аминокислоты и кодоны

(триплеты нуклеотидов мРНК), которые им

соответствуют (по Глик, Пастернак, 2002)

Аминокислоты Кодоны

Глицин

ГГГ, ГГА, ГГУ, ГГЦ

Глютаминовая кислота

ГАГ, ГАА, ГАУ, ГАЦ

Валин

ГУГ, ГУА, ГУУ, ГУЦ

Алании

ГЦГ ГЦА, ГЦУ, ГЦЦ

Лизин

ААГ, ААА

Аспарагин

ААУ, ААЦ

Метионин, старт

АУГ

Изолейцин

АУА, АУУ

Треонин

АЦГ АЦА, АЦУ, АЦЦ

Триптофан

УГГ

Цистеин

УГУ, УГЦ

Тирозин

УАУ, УАЦ

Фенилаланин

УУУ, УУЦ

Серии

УЦГ УЦА, УЦУ, УЦЦ, АГУ, АГЦ

Аргинин

ЦГГ, ЦГА, ЦГУ, ЦГЦ, АГГ, АГА

Глютамин

ЦАГ, ЦАА

Гистидин

ЦАУ, ЦАЦ

Лейцин

ЦУГ, ЦУА, ЦУУ, ЦУЦ, УУГ, УУА

Пролин

ЦЦГ ЦЦА, ЦЦУ, ЦЦЦ

Стоп-кодоны: УГА, УАГ, УАА