Попова Н.А., Юшкова А.А., Баймак Т.Ю. Основы молекулярной генетики. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

100000 молекул Н

за 1 секунду.

Некоторые ферменты в норме постоянно циркулируют в крови

человека и выполняют физиологические функции. Эти ферменты

синтезируются в клетках печени и их концентрация в крови до-

статочно высока. Снижение количества таких ферментов или по-

явление в крови повышенного количества отсутствующих в норме

ферментов, указывает на наличие в организме заболеваний. По-

этому диагностическое значение биохимического анализа крови

очень велико.

Защитные белки – белки, помогающие организму защищаться

от других организмов, в первую очередь, конечно, от микроорга-

низмов. Например, организм млекопитающих в ответ на проник-

новение инфекции реагирует выработкой специальных защитных

белков – иммуноглобулинов (антител). Иммуноглобулины (анти-

тела) связываются с чужеродными для организма белками возбу-

дителей заболеваний, что приводит к подавлению жизнедеятель-

ности последних. Введение инфицированному организму заранее

полученных иммуноглобулинов облегчает или предотвращает

развитие заболевание. Широко известный пример – введение ан-

тител протии вируса клещевого энцефалита для предотвращения

заболевания после укуса клеща.

Другим примером защитного белка служит лизоцим. Это не-

большой (129 аминокислотных остатков) глобулярный белок, со-

держащийся в крови, слезной и межтканевой жидкости и слюне

млекопитающих. Лизоцим является ферментом, расщепляющим

полисахариды клеточной стенки бактерий, именно поэтому он и

обладает и бактерицидными (защитными) свойствами.

Ряд представителей животного мира вырабатывает защитные

белки не для защиты от инфекций. Например, полипептиды яда

пчел разрушают клетки крови, вызывают судороги у позвоночных.

Змеи используют свои яды (пептидной природы) не только для

охоты, но и для защиты. У кобры и гремучей змеи яд блокирует

проведение нервных импульсов, яд гадюки вызывает поражение

сосудов, гемолиз эритроцитов, нарушает свертываемость крови.

В многоклеточных организмах для согласованной работы раз-

ных органов вырабатываются специальные регуляторные веще-

ства. По химической природе регуляторные молекулы разно-

образны. Среди них одними из важнейших являются регуляторные

белки. В клетках организмов, например, именно они выполняют

роль ключевых регуляторов активности генов. На организменном

уровне регуляторами служат молекулы гормонов, среди которых

многие имеют белковую природу. Например, гормон поджелудоч-

ной железы инсулин отвечает за процессы утилизации глюкозы в

организме млекопитающих, гормон соматотропин и адренокорти-

котропный гормон, синтезирующиеся в передней доле гипофиза,

участвуют в сложнейших процессах нейроэндокринной регуля-

ции.

Для восприятия сигнала (из внешней среды, гормонального

сигнала внутри организма и т.д.) организмы используют специ-

альные белковые структуры – белки-рецепторы. Эти белки рабо-

тают очень специфично: каждый рецептор реагирует не просто

на один тип сигнала (свет, химическая молекула, температура),

а на определенную длину волны света, определенную молекулу

и т.д. Рецепторы «чувствуют» различия даже, на первый взгляд,

совсем незначительные. Например, основным активным компо-

нентом запаха мяты перечной является терпен карвон. Рецепто-

ры, воспринимающие запах, расположены на слизистой оболочке

носа. Оптический изомер карвона воспринимается ими как запах

тмина. Значит, первая молекула является ключом для белков-

рецепторов одного типа, а её оптический изомер – уже для других

белков-рецепторов и, следовательно, имеет другой запах. Анало-

гичная ситуация с запахами апельсина и лимона: оптические изо-

меры молекулы другого терпена (лимонена) взаимодействуют с

разными рецепторами и вызывают ощущения разных запахов.

Специфичность работы рецепторов зависит только от их про-

странственной конфигурации. Она в свою очередь определяется

первичной структурой белковой молекулы.

Для многоклеточных организмов актуальны вопросы снаб-

жения всех органов и тканей питательными веществами и кис-

лородом и удаление продуктов обмена веществ. У большинства

многоклеточных животных в процессе эволюции развилась си-

стема кровообращения, служащая для транспорта веществ. Белки,

входящие в состав клеток крови или свободно циркулирующие в

ней, осуществляют транспорт различных молекул по организму.

Например, содержащийся в клетках крови гемоглобин переносит

молекулы кислорода или углекислого газа. Свободные белки (на-

пример, альбумин) выполняют роль переносчиков гидрофобных

соединений, которые не могут переноситься кровью в свободном

виде. Кроме транспортных белков крови существуют и внутри-

клеточные белки-переносчики.

Двигательная функция – сокращение мышц и передвижение

организма в пространстве – характерна для мышечных белков, ра-

ботающих в паре: актин и миозин.

Хотя в организме нет запаса белков, аналогичных запасу жиров

или углеводов, но определенные белки могут выполнять роль за-

паса питательных веществ. Это белки яйцеклеток, служащие

для питания и построения тканей развивающегося зародыша.

Организмы могут использовать свои белки в качестве энерге-

тического субстрата, но происходит это лишь в самых крайних

случаях, когда исчерпаны запасы углеводов и жиров.

Глава 3

Нуклеиновые кислоты

Структура нуклеиновых кислот

Уникальная по своему биологическому значению группа био-

полимеров – нуклеиновые кислоты. Эти соединения играют

основную роль в сохранении и реализации генетической инфор-

мации – информации, предаваемой от родительских организмов к

потомкам, а также от материнской клетки к дочерним при делении

клеток, и представляющую собой информацию о самых много-

численных и многофункциональных молекулах в организме.

Наиболее разнообразные функции в живых организмах принад-

лежат белкам, поэтому генетическая информация – это инфор-

мация прежде всего о строении белков. Именно она хранится

в нуклеиновых кислотах. Хотя липиды и углеводы играют очень

важную роль в живых организмах, их структуры непосредственно

в нуклеиновых кислотах не закодированы. Однако, они закодиро-

ваны опосредованно, через белки, участвующие в синтезе липи-

дов и углеводов.

Различают два типа нуклеиновых кислот (НК): рибонуклеи-

новые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты

(ДНК). Сохранение генетической информации обеспечивают мо-

лекулы ДНК (хотя у ряда вирусов носителем информации служит

РНК), а молекулы РНК принимают участие в процессе реализа-

ции этой информации, т. е. в процессе синтеза белка. По своей

структуре молекулы ДНК и РНК являются нерегулярными линей-

ными биополимерами, мономерами которых служат нуклеотиды.

Нуклеотиды представляют собой соединения, в состав кото-

рых входят три обязательных компонента: азотсодержащее осно-

вание, пятиуглеродный моносахарид (пентоза) и фосфатная груп-

па (остаток фосфорной кислоты Н

РО

) (рис.5).

Азотсодержащие (азотистые) основания имеют циклическую

структуру, в состав которой наряду с атомами углерода входят

атомы азота. При всем многообразии природных азотсодержа-

щих оснований, те из них, которые входят в состав нуклеотидов,

формируются на основе двух: пурина и пиримидина. Пуриновые

азотистые основания имеют в составе молекулы две кольцевые

структуры, поэтому они крупнее пиримидиновых. Наиболее часто

встречающиеся в живых организмах производные пурина: аденин

(А) и гуанин (G или Г). Главными производными пиримидиновых

оснований являются: тимин (Т), цитозин (С или Ц) и урацил (U

или У).

Помимо этих азотистых оснований, наиболее широко распро-

страненных у всех живых организмов, известны и другие. Некото-

рые из них присутствуют только у бактерий и вирусов, но многие

найдены и у эукариотических организмов. Например, широко из-

вестны фармакологически активные азотистые основания расте-

ний: кофеин (кофе), теофилин (чай), теобромин (какао).

Рис. 5. Схематическое изображение нуклеотида.

АО – азотистое основание, П – пентоза, Ф – остаток фос-

форной кислоты.

АО

Пентоза в нуклеотидах представлена рибозой или дезоксири-

бозой, молекула пентозы всегда замкнута в кольцо. В нуклеотидах

рибоза и дезоксирибоза представлены только одной формой опти-

ческого изомера (а именно D-формой). Две нуклеиновые кислоты,

ДНК и РНК, отличаются по типу пентозы, входящей в их состав.

В нуклеотидах атомы углерода, входящие в состав азотистого

основания, нумеруются обычным образом (1, 2, …); атомы угле-

рода в составе моносахарида нумеруются со штрихом (1', 2', …,

5'). Установлено, что в составе нуклеотида азотистое основание

присоединяется к 1'-углероду в пентозе, а фосфатная группа – по

5'-положению. Как и азотистые основания, нуклеотиды принято

обозначать соответствующими заглавными буквами. Произво-

дные нуклеотидов присутствуют во всех без исключения живых

клетках и принимают участие во множестве биохимических про-

цессов. Так, с другими молекулами нуклеотиды образуют веще-

ства, важнейшие для процесса генерации энергии в клетке (СоА,

НАДН). В роли энергетической «валюты» клетки выступает глав-

ный переносчик энергии АТФ – аденозинтрифосфорная кислота

(аденин + рибоза + три остатка фосфорной кислоты). Цикличе-

ская аденозинмонофосфорная кислота (цАМФ) играет в клетке

роль переносчика сигналов с поверхностных рецепторов внутрь

клетки.

Но наиболее важная, ранее упоминавшаяся, роль нуклеотидов

состоит в том, что они являются мономерами-предшественниками

синтеза нуклеиновых кислот.

ДНК и РНК – это длинные неразветвленные (линейные) по-

лимеры, в которых отдельные нуклеотиды соединяются прочной

ковалентной связью между 3'-атомом углерода пентозы одного

нуклеотида и фосфатной группой следующего. Направление всей

полимерной цепочки считают от свободной фосфатной группы.

Азотистые основания находятся несколько сбоку от сахарофос-

фатного остова; они чередуются без какой-либо видимой зако-

номерности (нуклеиновые кислоты – нерегулярные полимеры).

По аналогии с белками можно говорить о том, что нуклеиновые

кислоты обладают первичной структурой, которая есть ни что

иное, как последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной

цепи. Наиболее упрощенная схема строения нуклеиновой кисло-

ты представлена на рис. 6, более подробная – на рис. 7.

Рис. 6. Схематическое изображение нуклеиновой кислоты.

АО – азотистое основание, П – пентоза, Ф – остаток фос-

форной кислоты.

Рис. 7. Схематическое изображение участка цепочки ДНК.

АО

Сахарофосфатный

остов

Общее направление цепочки нуклеотидов следует считать 5' →

3'. Это правило возникает потому, что фосфатная группа присое-

диняется по 5'-положению, т. е. началом цепочки является 5'-атом

углерода в пентозе. Соответственно, в конце нуклеотидной цепи у

3'-атома углерода в пентозе находится гидроксильная группа.

Несмотря на то, что принципы организации цепочки нуклеоти-

дов одинаковы у разных типов нуклеиновых кислот (ДНК и РНК),

ДНК и РНК существенно отличаются друг от друга по структуре

и составу. Кроме того, что в состав их нуклеотидов входят разные

пентозы (рибоза в РНК и дезоксирибоза в ДНК), различен и набор

азотистых оснований. В состав ДНК входят только аденин, тимин,

гуанин, цитозин (А, Т, Г, Ц), а в состав РНК – аденин, урацил,

гуанин, цитозин (А, У, Г, Ц). Различна и длина полимерной цепи

у этих типов молекул. Молекулы РНК состоят из десятков, сотен

или тысяч мономеров, а ДНК состоят из миллионов и даже сотен

миллионов нуклеотидов. В состав самой длинной молекулы ДНК

человека (хромосомы № I) входит 250×10

мономеров, её длина в

«расправленном» состоянии больше 8 см.

Молекула РНК представляет собой длинный неразветвленный

полимер, но эти цепи укладываются в сложные пространствен-

ные структуры. В клетках живых организмов молекулы РНК при-

нимают сложную конфигурацию за счет образования множества

внутримолекулярных водородных связей. Существует несколько

функциональных разновидностей РНК, все они принимают уча-

стие в процессе синтеза белка клетками.

Молекулы РНК, выполняющие непосредственного перенос

информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка,

называются матричными РНК (мРНК) или информационными

(иРНК). Таких РНК в клетке немного, примерно 0,5 – 1 % от об-

щего содержания РНК в клетке.

Другой вид РНК – рибосомная (рРНК) – входит в состав ри-

босом (структур, непосредственно осуществляющих процесс син-

теза белка). Каждая рибосомная РНК включает в себя от 3 000 до

5 000 нуклеотидов. На долю всех рРНК приходится около 90 % от

общего содержания РНК в клетке.

Молекулы транспортных РНК (тРНК) невелики, обычно из

75-86 нуклеотидов. В клетках содержится несколько десятков ви-

дов тРНК, но третичная структура всех тРНК очень близка. Функ-

цией тРНК является доставка к месту синтеза белка аминокислот.

На долю всех тРНК приходится около 10 % от общего содержания

РНК в клетке.

Хотя молекулы рРНК наиболее массовы в клетках, но разно-

образие их невелико (в эукариотических клетках в состав рибо-

сомы входит только 4 различных рРНК). Молекулы тРНК более

разнообразны по своей первичной структуре (их 61 вариант), но

наибольшее разнообразие принадлежит мРНК. Эти молекулы яв-

ляются самыми разнородными и по размеру, и по стабильности.

Есть еще целый класс малых РНК, которые принимают уча-

стие в процессах сплайсинга, редактирования, регуляции транс-

крипции и трансляции и генной активности.

Молекулы ДНК гораздо крупнее молекул РНК и устроены

более сложно. В отличие от одноцепочечной (однонитевой) мо-

лекулы РНК, каждая молекула ДНК состоит из двух полину-

клеотидных цепей, т. е. является двухцепочечной (двунитевой)

молекулой. Модель вторичной структуры ДНК была предложена

Дж.Уотсоном и Ф.Криком в 1953 году и впоследствии полностью

подтверждена различными экспериментальными исследования-

ми. Согласно этой модели ДНК представляет собой двойную

спираль, в которой сахарофосфатный остов находится снаружи, а

внутри расположены азотистые основания.

Две цепи удерживаются друг около друга при помощи водо-

родных связей, возникающих между определенными парами азо-

тистых оснований. В каждой отдельной цепи нуклеотиды соеди-

нены между собой ковалентными (фосфодиэфирными) связями

между пентозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кис-

лоты следующего. Азотистые основания двух цепей направлены

друг к другу (внутрь структуры). Цепи антипараллельны (см. рис.

8): 5'-концу одной цепи соответствует 3'-конец второй.

Водородные связи, возникающие между азотистыми основани-

ями относительно слабы, но каждая молекула ДНК содержит так

много пар, что в физиологических условиях цепи никогда само-

стоятельно не разделяются. Про пары азотистых оснований, спо-

собные образовывать между собой водородные связи, говорят, что

они комплементарны друг другу (комплементарность – струк-

турное соответствие). В ДНК комплементарными парами являют-

ся аденин – тимин (две водородные связи) и гуанин – цитозин (три

водородные связи).

Рис. 8. Схематическое изображение участка двойной

цепи ДНК.

А, Т, Г, Ц – азотистые основания, П – пентоза (дезоксири-

боза), Ф – остаток фосфорной кислоты; водородные связи

изображены пунктирными линиями.

5′

3′