Страйер Л. Биохимия. Том 3

Подождите немного. Документ загружается.

Л.Страйер

Second Edition

BIOCHEMISTRY

Lubert Stryer

Stanford University

W.H.Freeman and Company

San Francisco

Л.Страйер

В 3-х томах

Перевод с английского канд. биол. наук М.Д.Гроздовой

и канд. биол. наук А.М.Колчинского

Под редакцией академика С.Е.Северина

том

Москва «Мир»

1985

ББК 28.072

С 83

УДК

577.1

Страйер Л.

С 83 Биохимия: В 3-х т. Т.3 Пер. с англ.- М.: Мир, 1985,-

400 с., ил.

В книге ученого из США на самом современном научном уровне рассмотрены ос-

новные проблемы биохимии и молекулярной биологии.

Третий том посвящен хранению, передаче и реализации генетической информации,

а также молекулярным основам ряда физиологических процессов (иммунной защите, дей-

ствию гормонов, транспорту веществ в клетке, работе биологических мембран).

Предназначена для биохимиков, молекулярных биологов, физиологов, химиков, меди-

ков, для студентов, аспирантов и преподавателей биологических, химических и медицин-

ских специальностей.

2001040000-372

041(01)-85

св. пл. подп. изд., 1985

ББК 28.072

57.04

Редакция литературы по биологии

1975, 1981 by Lubert Stryer

перевод на русский язык, «Мир»,

1985

Часть

Информация

Хранение, передача и экспрессия

генетической информации

Модель пары дезоксирибону-

клеотидных мономеров двой-

ной спирали ДНК. В этой паре

аденин связан водородной

связью с тимином.

ГЛАВА 24

ДНК: генетическая роль,

структура и репликация

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) -

молекула наследственности. ДНК - очень

Аденин

(А)

Гуанин

(G)

Тимин

(Т)

Цитозин

(С)

длинная нитевидная молекула, состоящая

из большого числа рибонуклеотидов. Пу-

риновые и пиримидиновые основания ДНК

несут генетическую информацию, тогда

как сахарные и фосфатные группы вы-

полняют структурную роль. В настоящей

главе обсуждаются структура, генетическая

роль и репликация ДНК, причем основ-

ное внимание уделяется ДНК прокариот,

так как эти организмы устроены про-

ще и подчиняются общим для всех ор-

ганизмов законам. Хромосомы эукариоти-

ческих клеток рассматриваются в гл. 29.

24.1. Ковалентная структура

и номенклатура ДНК

Остов ДНК имеет одинаковое строение на

всем протяжении молекулы. Он состоит из

остатков дезоксирибозы, связанных фосфо-

диэфирными мостиками. 3'-гидроксильная

группа остатка сахара одного дезоксирибо-

нуклеотида соединена с 5'-гидроксильной

Часть IV.

Информация

группой соседнего сахара фосфодиэфирной

связью. Вариабельной в ДНК является по-

следовательность оснований. ДНК содер-

жит четыре типа оснований: два пури-

новых основания - аденин (А) и гуанин (G);

два пиримидиновых основания - тимин (Т)

и цитозин (С). Строение цепи ДНК показа-

но на

рис. 24.2.

Строение ДНК можно изобразить и бо-

лее кратким путем. В этом случае для обо-

значения четырех основных нуклеотидов

используются следующие символы:

Вертикальные линии в приведенных сим-

волах соответствуют остаткам сахара,

буквы A, G, С и Т - основаниям. Диаго-

нальная линия с символом (на схеме,

приведенной ниже), обозначает фосфоди-

эфирную связь. Эта диагональная линия

соединяет конец одной вертикальной ли-

нии с серединой другой. Точки соедине-

ния соответственно означают 5'-ОН- и

3'-ОН-группы. В приведенном ниже приме-

ре символ указывает, что дезоксиаде-

нилат связан с дезоксицитидином фосфо-

диэфирным мостиком. 3'-ОН-группа дезок-

сиаденилата присоединена к 5'-ОН-группе

дезоксицитидина через фосфорильную груп-

пу:

Предположим теперь, что с дезоксицити-

дином этого динуклеотида связан дезокси-

гуанилат. Соответствующий тринуклеотид

можно представить следующим образом:

Сокращенное обозначение этого трину-

клеотида - pApCpG или ACG.

Глюкуронат

Глюкоза

Глюкуронат

Глюкоза

Цепь ДНК характеризуется поляр-

ностью. Один конец цепи несет 5'-ОН-

группу, а другой - 3'-ОН-группу, которая не

связана с другим нуклеотидом. Согласно

принятым сокращениям, символ ACG оз-

начает, что свободная 5'-ОН-группа при-

надлежит дезоксиаденозину, а свободная

3'-ОН-группа - дезоксигуанозину. Итак, по-

следовательность оснований пишется в на-

правлении 5'—>3'. Напомним, что амино-

кислотная последовательность белка пи-

шется в направлении от N-концевой ами-

нокислоты к С-концевой аминокислоте.

Следует отметить, что ACG и GCA - раз-

ные соединения, точно так же, как Glu-Phe-

Ala отличается от Ala-Phe-Glu.

24.2. Трансформация пневмококков

с помощью ДНК показала, что гены

состоят из ДНК

Бактерии пневмококки сыграли важную

роль в открытии генетической функции

ДНК.

Пневмококки обычно окружены слизи-

стой блестящей полисахаридной капсулой.

Этот наружный слой имеет существенное

значение для проявления патогенности

бактерий. Они вызывают пневмонию у че-

ловека и других чувствительных млекопи-

тающих. Мутанты, лишенные полисаха-

ридной оболочки, не патогенны. Бактерии

дикого типа обозначают буквой S (от англ.

smooth - гладкий), так как они образуют

гладкие колонии, а мутантные бактерии, не

имеющие капсулы,- буквой R (от англ.

rough - шероховатый), так как они обра-

зуют шероховатые колонии. У одной

группы R-мутантов отсутствует фермент

дегидрогеназа, превращающий UDP-глю-

козу в UDP-глюкуронат. Фермент необхо-

дим для синтеза капсульного полисахари-

да, который у этих пневмококков состоит

из чередующейся последовательности

остатков глюкозы и глюкуроната:

В 1928 г. Фред Гриффит (Fred Griffith)

обнаружил, что непатогенный R-мутант

можно трансформировать в патогенную

S-форму следующим путем. Он инъециро-

вал мышам смесь живых бактерий R-

формы и убитых нагреванием пневмокок-

ков S. Поразительное открытие Гриффита

состояло в том, что эта смесь вызывала

гибель мышей, хотя ни живые R-пневмо-

кокки, ни убитые нагреванием S-пневмо-

кокки мышей не убивали. Кровь погибших

мышей содержала живые S-пневмококки.

Следовательно, убитые нагреванием S-

пневмококки каким-то образом трансфор-

мировали живые R-пневмококки в живые

S-пневмококки. Это изменение было ста-

бильным: трансформированные пневмо-

кокки давали патогенное потомство

S-формы. Затем было установлено, что та-

кая трансформация R—>S может происхо-

дить in vitro. Некоторые клетки в растущей

культуре R-формы трансформировались

в S-форму при добавлении бесклеточного

экстракта убитых нагреванием пневмокок-

ков S. Это открытие заложило основу для

24.

ДНК: генетическая

роль,

структура и репликация

Рис. 24.1. Схема структуры ДНК. Саха-

рофосфатный остов показан

черным цветом, а пуриновые

и пиримидиновые основания

разноцветные. (Kornberg A.,

The synthesis of DNA; Scientific

American, Inc., 1968.)

изучения химической природы трансфор-

мирующего начала.

Исследователи стали фракционировать

бесклеточный экстракт убитых нагрева-

нием пневмококков S и определять транс-

формирующую активность его компонен-

тов (рис. 24.3). В 1944 г. Освальд Эйвери,

Колин Мак-Леод и Маклин Мак-Карти

(Oswald Avery, Colin MacLeod, Maclyn

McCarty) опубликовали результаты своей

работы. Оказалось, что «нуклеиновая кис-

лота дезоксирибозного типа - основное дей-

ствующее начало трансформирующего эк-

стракта пневмококка типа III.» Экспери-

ментальные доказательства этого заключе-

ния состояли в следующем: 1) при эле-

ментном химическом анализе очищенного,

высокоактивного трансформирующего на-

Часть IV.

Информация

чала результат был близок к расчетному

для ДНК; 2) оптические, электрофоретиче-

ские свойства, поведение при ультрацен-

трифугировании и диффузия очищенного

материала соответствовали свойствам

ДНК; 3) при экстрагировании белков или

липидов не происходило потери трансфор-

мирующей активности; 4) трипсин и химо-

трипсин не влияли на трансформирующую

активность; 5) рибонуклеаза (которая, как

известно, гидролизует рибонуклеиновую

кислоту) не влияла на трансформирующее

начало; 6) при добавлении дезоксирибону-

клеазы трансформирующая активность, на-

оборот, терялась.

Эта работа - памятная веха в истории

биохимии. До 1944 г. считалось, что гене-

тическую информацию несут хромосомные

белки, а ДНК играет вторичную роль. Та-

кая преобладающая точка зрения была ре-

шительно опровергнута открытием строго

доказанного факта, что очищенная ДНК

обладает генетической специфичностью.

В 1943 г. Эйвери (Avery) живым языком

описал это исследование и его последствия

Рис. 24.2. Строение одной цепи ДНК.

Показана часть цепи.

Рис. 24.3. Трансформация непатогенного

пневмококка R (мелкие коло-

нии) и возникновение патоген-

ного пневмококка S (крупные

блестящие колонии) под дей-

ствием ДНК из убитых нагре-

ванием пневмококков S.

[Avery О. Т., MacLeod С. М.,

McCarty M., J. Exp. Med., 79,

158 (1944).]

в письме, направленном брату в другой

университет (рис. 24.4).

Новое подтверждение генетической ро-

ли ДНК было получено при изучении од-

ного вируса (бактериофага), заражающего

Е. coli. Бактериофаг Т2 состоит из сердце-

вины (ДНК), заключенной в белковую обо-

лочку. В 1951 г. Роджер Херриот (Roger

Herriott) предположил, что «вирус, очевид-

но, действует, как крошечный шприц для

подкожных инъекций, наполненный транс-

формирующим началом; вирус как тако-

вой никогда не проникает в клетку; только

отросток вступает в контакт с клеткой-хо-

зяином и, возможно, ферментативно про-

делывает небольшое отверстие в наружной

мембране (рис. 24.5). Затем нуклеиновая

кислота из головки вируса перетекает

внутрь клетки». Чтобы проверить это

предположение Альфред Херши и Марта

Чейз (Alfred Hershey, Martha Chase) поста-

вили следующий опыт. Фаговую ДНК по-

метили радиоактивным изотопом

Р,

а белковую оболочку - изотопом

S. Эти

метки весьма специфичны, так как ДНК не

содержит серы, а в белковой оболочке нет

фосфора. Культуру Е. coli заразили поме-

ченным фагом, который за непродолжи-

тельное время инкубации прикреплялся

к бактерии. Суспензию обрабатывали в те-

чение нескольких минут в гомогенизаторе

Уоринга при 10000 об/мин. В этих усло-

виях зараженные фагом клетки подверга-

лись воздействию значительных сил сдви-

га, которые разрушали связи между виру-

сами и бактериями. Затем суспензию цен-

трифугировали, чтобы осадить бактерии на

дно пробирки. Полученный осадок содер-

жал зараженные бактерии, а надосадочная

фракция - более мелкие частицы. Исследуя

содержание

Р и

S в осадке и надоса-

дочной фракции, определяли локализацию

фаговой ДНК и белка оболочки. В ре-

зультате были получены следующие

данные.

1. Большая часть фаговой ДНК обнару-

живалась в бактериях.

2. Большая часть фагового белка обна-

руживалась в надосадочной фракции.

3. Обработка в гомогенизаторе почти не

влияет на способность зараженных бакте-

рий продуцировать вирусное потомство.

Дополнительные эксперименты показа-

ли, что менее 1%

S было перенесено из

родительских фаговых частиц фаговому

потомству; 30% родительской

Р-метки,

наоборот, обнаруживалось в потомстве.

Эти простые, убедительные эксперименты

показали, что фаг Т2 можно физически

разделить на генетическую и негенетиче-

скую части... Серусодержащий белок по-

коящихся фаговых частиц содержится

только в защитной оболочке, которая

обеспечивает прикрепление фаговой ча-

стицы к бактериальной клетке и функцио-

нирует в качестве приспособления для вве-

дения фаговой ДНК в клетку. Этот белок,

возможно, не несет никакой функции, необ-

24. ДНК: генетическая роль,

структура и репликация

В течение последних двух лет, вначале с Мак-Леодом, а в настоящее время с д-ром Мак-Кар-

ти, я пытаюсь выяснить, какова химическая природа того вещества в бактериальных экстрак-

тах, которое вызывает это специфическое изменение. В неочищенном экстракте бактерий типа

III полно капсульных полисахаридов, углевода С (соматического), нуклеопротеинов, свободных ну-

клеиновых кислот дрожжевого и тимусного типа, липидов и других клеточных компонентов. По-

пробуй найти в таких сложных смесях активное начало! Попробуй выделить и химически иден-

тифицировать именно то вещество, которое само, придя в соприкосновение с R-клетками типа II,

заставляет их вырабатывать капсульный полисахарид типа III и приобрести все аристократиче-

ские особенности того самого типа клеток, из которых был приготовлен экстракт! Вот это ра-

бота, полная проблем и неожиданных затруднений. Но, ВОЗМОЖНО, мы наконец достигли

своего.

...Если окажется, что мы правы - а это, разумеется, очень весомое «если»,- тогда можно счи-

тать, что нам известна и химическая природа индуцирующего начала, и химическая структура

вещества, которое в результате образуется. Первое - это тимусная нуклеиновая кислота, вто-

рое - полисахарид типа III. Оба они впоследствии воспроизводятся в дочерних клетках, и через бес-

численное множество переносов без повторного добавления индуцирующего агента можно выде-

лить то же самое активное и специфичное трансформирующее начало в количестве, значительно

превышающем то, которое было использовано в самом начале для индуцирования реакции. Это

напоминает вирус. Возможно, это - ген. Но механизм явления меня сейчас не интересует. Всему

свое время, и первым шагом должно быть выяснение химической природы трансформирующего

начала. Остальные вопросы пусть решает кто-нибудь еще. Конечно, с каждым шагом работа

обрастает трудностями. Она затрагивает биохимию нуклеиновых кислот тимусного типа, ко-

торые, как известно, составляют основную часть хромосом, но которые до сих пор считали

сходными независимо от их происхождения. Она затрагивает генетику, энзимологию, клеточный

метаболизм и синтез углеводов. Но сегодня, только располагая множеством надежно обосно-

ванных данных, можно убедить кого бы то ни было в том, что натриевая соль дезоксирибозной

нуклеиновой кислоты, свободная от белка, могла бы обладать специфической биологической ак-

тивностью. Именно такие данные мы и пытаемся теперь получить. Тут хватает всяких весе-

леньких неожиданностей, чтобы пойти на дно, но разумнее справиться с ними самому, прежде

чем кто-нибудь другой попытается это сделать.

Рис. 24.4. Из письма Освальда Эйвери

брату Рою, написанного в мае

1943 г. (Из статьи Hotchkiss

R. D. In: Phage and the Origin of

Molecular Biology, J. Cairns,

S. Stent, eds., Cold Spring

Harbor Laboratory, 1966, pp.

185-186.)

ходимой для роста фаговых частиц внутри

клетки. ДНК же выполняет какую-то функ-

цию в размножении фага. Представленные

эксперименты не позволяют сделать более

далеко идущие выводы относительно хи-

мической природы наблюдаемых явлений».

Осторожный тон этого вывода не дол-

жен умалять его значения. Вскоре генети-

ческая роль ДНК стала общепризнанной.

Эксперименты Херши и Чейз убедительно

подтвердили факты, открытые восемью го-

дами раньше Эйвери, Мак-Леодом и Мак-

Карти на другой системе. Дополнительные

доказательства были получены при иссле-

довании содержания ДНК в отдельных

клетках. Они показали, что для данного

вида содержание ДНК одинаково во всех

Часть IV.

Информация

клетках с диплоидным набором хромосом.

Гаплоидные клетки имеют вполовину мень-

ше

ДНК.

24.3. Гены некоторых вирусов состоят

из РНК

Гены всех прокариотических и эукариоти-

ческих организмов построены из ДНК,

гены вирусов - из ДНК или из РНК. Вирус

табачной мозаики, заражающий листья

Рис. 24.5. Схема бактериофага Т2, вводя-

щего свою ДНК в бактериаль-

ную клетку. (Wood W.B.,

Edgar R.S., Building a Bacterial

Virus, Scientific American. Inc.,

1967.)