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

Подождите немного. Документ загружается.

Поскольку на протяжении всей двойной спирали напротив каждо-

го пуринового основания стоит пиримидиновое (пары всегда или

А – Т, или Г – Ц), то расстояние между отдельными нитями со-

храняется постоянным. При физиологических условиях диаметр

спирали ДНК составляет 2 нм (2 × 10

-9

м), шаг спирали ДНК равен

3,4 нм (3,4 × 10

-9

м), при этом на один виток спирали ДНК прихо-

дится 10 пар нуклеотидов.

Формирование молекулы ДНК не заканчивается образованием

двойной спирали. Каждая отдельно взятая двойная спираль очень

длинная: у человека, например, самая маленькая молекула ДНК

состоит из 47 млн. пар нуклеотидов, самая крупная – 250 млн. пар.

В форме двойной спирали длина всех молекул ДНК одной клетки

человека составила бы около 2 м. Конечно, в таком «растянутом»

виде ДНК в клетках не находится. Взаимодействуя с различными

структурными белками двойная спираль ДНК подвергается не-

скольким этапам укладки. В определенные моменты жизни клет-

ки – в период деления – молекула ДНК, связанная с различными

белками, упаковывается особенно плотно. Она становится види-

мой в световой микроскоп и называется хромосома.

ДНК-белковые комплексы в неделящихся эукариотических

клетках носят название хроматин.

В упаковке хроматина выделяют несколько уровней:

1) нуклеосомный – когда молекула ДНК формирует нуклеосо-

мы, закручиваясь вокруг специальных белков, гистонов (см. рис.

9 и 10)

2) Супербидный, или соленоидный, когда такие «нуклеосом-

ные бусы» закручиваются в спираль, образуя структуру, подоб-

ную соленоиду (рис. 11).

3) Петлевой уровень, на котором соленоидная структура укла-

дывается плотными петлями.

Рис. 9. Схематическое изображение нуклеосомного этапа

укладки ДНК.

Двойная спираль ДНК изображена линией, гистоновые бел-

ки – закрашенным кругом.

Рис. 10. Схематическое изображение нуклеосомного эта-

па укладки ДНК.

Изображены отдельные гистоновые белки (Н1-Н4).

Рис. 11. Соленоидный уровень упаковки ДНК. Толщина

отдельной нити – 30 × 10

-9

м (30 нм).

30 нм

ДНК

Большую часть жизни клеток хромосомы неразличимы в све-

товой микроскоп, в это время молекула ДНК упакована неравно-

мерно: отдельные участки молекул ДНК могут быть полностью

деспирализованы, другие скручены сильнее. У человека в ядре

каждой клетки содержится 23 пары хромосом. Двойные наборы

хромосом характерны для большинства эукариотических клеток и

называются диплоидными. Половинный набор хромосом носит

название гаплоидного.

Вся ДНК гаплоидного набора хромосом носит название геном.

В эукаритотических клетках в состав генома клетки входит также

геномы митохондрий и пластид. Размеры геномов организмов раз-

ных видов значительно отличаются друг от друга. Причем прак-

тически не наблюдается соответствия между сложностью уров-

ня организации организма и размером генома. Примеры средних

размеров геномов некоторых организмов (измеряются в парах

нуклеотидов): бактерии 2,0 ×10

; грибы 4,7 ×10

; костистые

рыбы 1,4 ×10

; птицы 1,2 ×10

; мышь 2,6 ×10

; цветковые

растения 2,7 ×10

; человек 3,5 ×10

У безъядерных организмов (прокариот) молекулы ДНК орга-

низованы несколько иначе, чем у ядерных (эукариот). В каждой

прокариотической клетке содержится только одна достаточно

крупная молекула ДНК. Её иногда называют бактериальной хро-

мосомой. Эта молекула замкнута «сама на себя» – в кольцо, в от-

личие от линейных молекул ДНК эукариотических клеток. Кроме

бактериальной хромосомы клетки прокариот могут содержать не-

которое количество плазмид – коротких кольцевых молекул ДНК.

В плазмидах содержится информация об одном или нескольких

белках, например, определяющих резистентность (устойчивость)

к антибиотикам.

Удвоение ДНК

Для передачи наследственной (генетической) информации

от родительских клеток к дочерним, каждая материнская клетка

должна копировать (удвоить) всю свою ДНК перед делением. Про-

цесс удвоения молекулы ДНК носит название репликации. Этот

процесс весьма сложен, в нем участвует множество ферментов.

Сначала молекула ДНК раскручивается с помощью фермента

хеликазы. На участке, где происходит процесс репликации, во-

дородные связи между отдельными нитями ДНК нарушаются. В

результате обе цепи становятся пространственно доступными для

работы других ферментов. Теперь к работе может подключиться

основной фермент, непосредственно осуществляющий синтез по-

линуклеотидной цепи ДНК. Этот фермент носит название ДНК-

полимераза. Работа её подчиняется строгим законам. Во-первых,

она может наращивать цепь только в одном направлении, двигаясь

от 3'-конца исходной нити ДНК к 5'-концу. Во-вторых, этот фермент

не может начинать работу с пустого места. Чтобы закрепиться на

молекуле ДНК и начать синтез второй цепи, ДНК-полимеразе тре-

буется небольшая последовательность нуклеотидов, «затравка»,

или праймер. Поэтому ещё до начала работы ДНК-полимеразы

должен поработать другой фермент – РНК-полимераза, или прай-

маза. Именно он синтезирует небольшую последовательность из

РНК-овых нуклеотидов, которая послужит затравкой (праймером)

для работы ДНК-полимеразы.

В живой природе все эти ферменты представлены не од-

ним вариантом: существуют, например, разнообразные ДНК-

полимеразы (в частности, они различны у прокариот и эукариот).

ДНК-полимераза млекопитающих включает в растущую цепь око-

ло 100 нуклеотидов в секунду, бактериальная – примерно в десять

раз больше. Основной принцип работы каждой ДНК-полимеразы

– комплементарное построение новой цепи вдоль матричной.

Если дана матричная цепь, то комплементарную цепочку

удобно записывать прямо под ней:

Матричная цепь

5′

А А Т Г Ц Ц Ц Т А Т Ц Т Ц Г А

3′

              

Новая цепь

3′

Т Т А Ц Г Г Г А Т А Г А Г Ц Т

5′

При репликации для синтеза дочерних цепей используются не

«готовые» нуклеотиды, а нуклеотидтрифосфаты (содержат три

остатка фосфорной кислоты, вместо одного). В молекулах нуклео-

тидтрифосфатов присутствуют макроэргические связи и их энер-

гия сразу тратится на синтез полимерной цепочки. Полная репли-

кация ДНК в клетках млекопитающих заканчивается примерно за

9 часов. В клетках прокариот процесс репликации завершается

быстрее. Этому способствует не только более высокая скорость

работы ДНК-полимеразы, но и значительно меньший размер бак-

териального генома.

Репликация кольцевых бактериальных хромосом начинается в

одной точке, называемой origin (т.е. сайт инициации репликации).

Репликация каждой линейной молекулы ДНК в эукариотических

клетках начинается сразу на многих участках, фрагменты молекул

потом соединяются ферментами между собой.

Репликация ДНК у прокариот и эукариот происходит одно-

временно на обеих цепях ДНК. Вы помните, что цепи ДНК анти-

параллельны (напротив 3'-конца одной цепи находится 5'-конец

другой), поэтому легко догадаетесь, что новые цепочки строятся

ДНК-полимеразами, движущимися в разные стороны (см. рис.

12).

Когда расплетенный участок увеличится, то синтез одной но-

вой цепи будет продолжен без образования новой затравки, эта

цепь синтезируется непрерывно. Для продолжения синтеза вто-

рой снова потребуется затравка. Верхняя нить, изображенная на

рис. 12, синтезируется непрерывно, она называется ведущей. Вто-

рая новая цепь (на рис. 12 она нижняя) реплицируется не целиком,

а отдельными участками. В начале каждого участка праймазой

строится своя затравка, от которой и начинает свою работу ДНК-

полимераза. Молекула ДНК должна быть цельной, поэтому фраг-

менты нуждаются в сшивке. Эту работу осуществляет фермент

лигаза. В результате цепь реплицируется с некоторой задержкой

и называется запаздывающей.

Необходимость образования праймера для репликации ДНК

накладывает на этот процесс определенные трудности. Естествен-

но, что РНК-овые праймеры не могут остаться в составе ДНК и

должны быть удалены из синтезированных цепочек. Это делает

5' исходная ДНК новая нить ДНК

3' новая нить ДНК

Рис. 12. Схема репликации отдельного участка ДНК.

Стрелками показано направление синтеза новых цепочек,

РНК-праймеры обозначены темными овалами.

фермент ДНК-полимераза: еще в процессе синтеза нити ДНК, до-

ходя до промежуточного праймера на запаздывающей нити, она

замещает этот праймер ДНК-нуклеотидами. Однако концевые

праймеры не могут быть замещены, так как ДНК-полимераза дви-

гается только в одном направлении. Для удаления этих послед-

них «чужеродных участков» используется фермент нуклеаза. Но

в результате отщепления участка новая нить ДНК оказывается

укороченной по сравнению с исходной. Не взаимодействующий

с комплементарной нитью 3' конец исходной нити затем тоже

удаляется. Получается, что в каждом акте репликации концы ДНК

укорачиваются на размер праймера. Однако это не приводит к на-

рушению функции ДНК, так как в концевых участках, теломерах,

не содержится генов, а имеются повторяющиеся последователь-

ности нуклеотидов. Тем не менее они выполняют важные функ-

ции – предотвращают деградацию и слияние хромосом. Через

определенное число актов репликации и деления клеток концевая

недорепликация приводит к дестабилизации генома и гибели кле-

ток. В этом феномене и заключается механизм биологических ча-

сов – счетчика деления клеток, постулированного Л. Хейфликом.

Постепенное укорочение хромосом при делении клеток лежит в

основе ограниченного для каждого вида потенциала деления. Эта

гипотеза была высказана нашим соотечественником А.М. Оловни-

ковым и подтверждена, когда был обнаружен фермент теломера-

за. Этот фермент достраивает укороченные теломерные участки.

Ген этого фермента есть во всех соматических клетках, но активен

только в стволовых клетках, в предшественниках половых клеток

и (увы!) в опухолевых клетках. В них фермент достраивает укоро-

ченные теломеры, обеспечивая этим клеткам бессмертие.

Итогом репликации каждой молекулы ДНК являются две двух-

цепочечные ДНК. У человека, например, после завершения ре-

пликации в клетке содержится 46 × 2 = 92 молекулы ДНК. Каждая

молекула состоит из одной родительской и одной вновь синтези-

рованной комплементарной цепи. После деления клетки, которое

следует за репликацией, каждая дочерняя клетка содержит по 46

хромосом, идентичных хромосомам материнской клетки.

Генетическая информация кодируется последовательностью

нуклеотидов в ДНК и поэтому изменения в их структуре или по-

следовательности приводят к искажениям информации. Передача

наследственной информации в неискаженном виде – важнейшее

условие выживания, как для каждого конкретного организма, так

и вида в целом. Следовательно, в ходе эволюции должна была

сформироваться система, позволяющая клеткам исправлять нару-

шения ДНК, вызванные ошибками репликации или повреждаю-

щими воздействиями окружающей среды. Изменения структуры

ДНК называются мутациями, а причины их вызывающие – му-

тагенными факторами. Наиболее существенными мутагенами

являются ионизирующая радиация, коротковолновый ультрафио-

летовый свет и ряд химических соединений.

Процесс восстановления ДНК называется репарацией. Суще-

ствует довольно большой набор ферментов, которые отвечают за

восстановление – они осуществляют непрерывный осмотр ДНК и

удаляют поврежденные нуклеотиды, заменяя их «правильными».

Такую возможность восстановления обеспечивает наличие непо-

врежденной копии (второй нити в двойной спирали). Принцип

комплементарности – основополагающий принцип организации

молекулы ДНК.

Глава 4

Транскрипция

Наследственная информация – информация о структуре бел-

ков данной клетки, о том, какие белки и когда необходимо синте-

зировать – хранится в ядре клетки. Носителями этой информации

(наследственной, биологической, генетической) являются хро-

мосомы – молекулы ДНК. Единица наследственной информации

– определенный участок молекулы ДНК – носит название ген.

Другое определение гена уточняет его функцию: ген – это уча-

сток молекулы ДНК, отвечающий за синтез одного белка. Сред-

ний размер гена – около 50 тыс. пар нуклеотидов. Самые короткие

гены содержат около десятка нуклеотидов. Самый длинный ген у

человека содержит 2,5 млн. пар нуклеотидов (этот ген кодирует

мышечный белок миодистрофин).

Что касается непосредственно количества генов, то, напри-

мер, у человека их не так уж и много – порядка 25 000 штук. Они

распределены по 23 хромосомам. Большинство клеток у ядерных

организмов содержит два полных набора хромосом. Такой хро-

мосомный набор называется диплоидным. Соответственно, ди-

плоидный хромосомный набор человека состоит из 46 хромосом.

Хромосомы неодинаковы по размерам и содержат разное количе-

ство ДНК. Самая большая хромосома человека содержит 250 млн.

пар нуклеотидов, самая маленькая – 47 млн. пар. У других орга-

низмов – свои диплоидные наборы, иногда во много раз больше,

чем у человека, иногда – меньше. Например, у бабочки Lysandra

380 хромосом, а у амфибии Amphiuma – только 28. Интересно,

что размер каждой её хромосомы намного больше человеческих

и, т.о., общее количество ДНК у этой амфибии почти в 30 раз пре-

вышает аналогичное у человека.

Число хромосом в клетках организма видоспецифично, т.е. для

каждого вида живых организмов характерен свой хромосомный

набор. Внутри организма клетки генетически идентичны. Это

происходит потому, что перед делением клеток вся ДНК копиру-

ется (происходит процесс репликации) и каждая дочерняя клетка

в процессе деления получает полный набор хромосом, равный ма-

теринскому.

Генетический материал ядерных и безъядерных организмов

организован по-разному. У эукариот молекулы ДНК линейны, ко-

личеством, как правило, 2n (диплоидный набор), находятся они

в ядре. Безъядерные организмы содержат только одну молекулу

ДНК, замкнутую в кольцо и расположенную непосредственно в

цитоплазме клетки. У бактерий 80-90 % всей ДНК функционально,

т.е. приходится непосредственно на гены, кодирующие структуру

белков. У ядерных организмов, в том числе и у человека – коли-

чество кодирующей ДНК гораздо меньше (около 5 %). Остальная

ДНК, называемая избыточной, либо несет важную регуляторную

информацию: о том, в каком порядке должны включаться гены; в

ответ на какие сигналы и т.д., либо функции её пока неизвестны.

Но для чего бы ни служила избыточная ДНК, клетки не страдают

от её наличия, даже когда важные кодирующие последовательно-

сти прерываются длинными некодирующими участками.

Реализация генетической информации, хранящейся в ДНК, т.е.

синтез молекул белка происходит постепенно, в несколько этапов.

Сначала среди всего многообразия наследственной информации,

хранящейся в ядре клетки, находится тот ген, в котором записана

структура нужного белка. Затем этот участок копируется на ма-

тричную (информационную) РНК – мРНК (иРНК), которая до-