Химические основы наследственности

1.2 Химические основы наследственности

Химические основы наследственности. Доказательства хранения и передачи генетической информации нуклеиновыми кислотами. Первые экспериментальные данные о хранении и передаче генетической информации нуклеиновыми кислотами были получены в 1944 г. Эвери и сотрудниками при работе с бактериями. Опыты проводили с двумя генетически различными штаммами пневмоккоков. В одном штамме бактерии были заключены в полисахаридные капсулы, во втором лишены их. В каждом штамме соответствующий признак стойко наследовался при размножении бактерий. Из бактерий капсульного штамма (штамма-донора) выделяли ДНК и ее раствором обрабатывали бактерий бескапсульного штамма (штамма-реципиента), после чего среди потомков подвергшихся этому воздействию бескапсульных бактерий, некоторые приобретали полисахаридную капсулу и передавали этот признак своему потомству, среди которого он затем стойко наследовался в течение любого числа поколений. Тщательная очистка экстракта ДНК от белковых примесей и обработка его протеазами (ферментами, разрушающими белки) и другими разрушающими белки воздействиями не лишала его способности превращать бескапсульных бактерий в бактерий, имеющих капсулу, но если на такой же экстракт действовали дезоксирибонуклеазой (ферментом, специфически разрушающим ДНК), то способность эта полностью утрачивалась. Таким образом, было установлено, что ДНК, выделенная из бактерий, несущих ген, определяющий образование полисахаридной капсулы, может переносить этот ген в бактерии, его содержащие. Явление это, получившее название генетической трансформации, было затем изучено многими исследователями и было показано, что оно воспроизводимо не только у пневмококков, но и у других бактерий, причем посредством ДНК можно передавать из одного бактериального штамма в другие (а в ряде случаев даже другим видам бактерий) самые разнообразные гены, например определяющие их устойчивость к различным антибиотикам или сульфаниламидам, особенности роста культуры, способность сбраживать разные сахара, синтез тех или иных аминокислот, серологические свойства и т. д. Если исследуются штаммы, различающиеся по нескольким генам, то с помощью ДНК можно переносить из одного штамма в другой не только каждый ген в отдельности, но в некоторых случаях трансформация идет по двум генам сразу, т. е. оба гена переносятся вместе, что указывает на относительно большую величину включившегося в реципиент фрагмента молекулы ДНК, содержащего минимум два гена донора. Такая совместная передача при трансформации двух генов бывает только тогда, когда эти гены лежат близко друг к другу в бактериальной хромосоме

1.3 Нуклеиновые кислоты

Организмы содержат еще один тип гигантских макромолекул, называемых рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислотами, сокращенно РНК и ДНК. Структуры и функции этих молекул коренным образом отличаются от таковых для белков. Молекулы ДНК заключают в себе всю информацию и "правила", необходимые для синтеза совершенно любого биологического материала, включая свое собственное образование, увековечивая тем самым биологические виды.

Фрагменты ДНК, содержащие один остаток сахара, один основания и один или более фосфата, называются нуклеотидами. Они играют очень важную роль в жизни клетки как предшественники ДНК или кофакторы ферментов. Один из этих нуклеотидов, аденозинтрифосфат (АТФ), играет значительную роль в клеточном метаболизме. Эта молекула является "энергетической валютой" всех живых организмов.

Очень важная особенность нуклеиновых кислот состоит в апериодичности строения их гигантских молекул. Множество нуклеотидов четырех типов, представляющих звенья этих молекул, следует в линейной молекуле друг за другом в самых различных сочетаниях, но сочетания эти строго постоянны для каждого рода ДНК или РНК данного организма. Такое чередование нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот можно сравнить с порядком чередования букв в письменном тексте, где буквы расположены в разной последовательности, но последовательность эта вполне определенна и специфична для слов и предложений, составляющих данный конкретный текст. Именно такая специфичность строения полимерных молекул нуклеиновых кислот определяет возможность хранения в них обширной и сложной генетической информации.

"Алфавит" жизни включает всего четыре молекулы, которые относятся к двум различным классам химических веществ: пуринам и пиримидинам. Два пурина аденин и гуанин и два пиримидина цитозин и тимин - основания, а также существует еще одно основание - урацил, которое входит только в структуру РНК. Принято обозначать основания соответствующими начальными буквами: аденин - А, гуанин - Г, цитозин - Ц, тимин - Т и урацил - У. Подобно этому, матрицы живых организмов состоят из длинной последовательности фосфатных и углеводных молекул, образующих остов, к которому прикреплены четыре основания. ДНК содержит сахар дезоксирибозу, а РНК – некоторый отличный сахар рибозу. РНК имеет тоже четыре типа оснований, из которых три (аденин, гуанин и цитозин) такие же, как в ДНК, а тимин заменен здесь другим пиримидином – урацилом.

На языке ДНК все слова, или кодоны, написаны тремя буквами и они указывают "старт", "остановку" или кодирование одной из 24 аминокислот. полное "предложение", или ген, кодирует специфический белок. Понятия "язык ДНК", или генетический код, очень часто являются синонимами. Например, оба триплета оснований ЦАУ и ЦАЦ кодируют аминокислоту гистидин. Молекула ДНК данного организма является законченной "книгой сказаний" этого организма. Вся древняя история и будущее развитие организма отпечатаны на матрице ДНК.

Если матрица не используется, она должна быть заключена в оболочку для защиты от времени, эрозии и вредного окружения. Организмы совершают это путем обертывания двух идентичных молекул - полинуклеотидных спиралей - вокруг друг друга, так что образуется двойная спираль молекулы ДНК. Все основания, несущие информацию, в целях их лучшей сохранности обращены внутрь двойной спирали. Однако две цепи имеют противоположное направление, так что пиримидины образуют водородные связи с пуринами комплементарного тяжа.

Пространственная конфигурация (конформация) молекул ДНК была установлена в 1953 г. Уотсоном и Криком на основании рентгенографического исследования и биохимических данных. Согласно предложенной ими модели, подтвержденной позже множеством других работ, молекула ДНК состоит из двух нитей, образующих правовидную спираль. Азотистые основания обеих нитей ориентированы в направлении к середине спирали, причем аденин одной нити всегда находится напротив тимина другой нити, а гуанин одной нити – напротив цитозина другой нити. В каждом из этих пар основания соединены друг с другом водородными связями; две такие связи имеются в паре аденин-тимин и три - в паре гуанин-цитозин. Вследствие такой комплементарности азотистых оснований порядок чередования нуклеотидов в обеих нитях ДНК оказывается взаимообусловленным, а обе нити спирали расположены антипараллельно и представляют как бы реплики друг друга.

Комплементарность двух нитей молекулы ДНК приводит к тому, что число пуринов в ней равно числу пиримидинов. Молекулы ДНК бывают либо линейными, либо замкнутыми в кольцо, обычно еще перекрученныое; такие кольцевые молекулы ДНК характерны для хромосом и плазмид бактерий, для ряда ДНК – содержащих вирусов, для митохондрий, пластид, кинетопластов. В редких случаях молекулы ДНК не двунитевые, а однонитевые; подобную структуру имеют ДНК некоторых мелких фагов.

Молекулы разных ДНК сильно различаются своими размерами, но все они очень крупные (макромолекулы) и состоят из огромного числа (тысяч, миллионов или миллиардов) мономеров – нуклеотидов и соответственно этому характеризуются очень большими молекулярными весами. По-видимому, все ДНК являются геномными, т. е. всегда служат хранителями генетической информации и везде, кроме РНК-содержащих вирусов, вся генетическая информация сосредоточена в ДНК и при размножении передается ею следующим поколениям.

Наиболее замечательный факт, обнаруженный в "живых" системах, заключается в том, что генетический код идентичен для трех с половиной миллионов видов известных растений и одного миллиона видов животных.

В отличие от ДНК молекулы РНК, как правило, однонитевые. Построены они аналогично нитям ДНК. Однонитевое строение молекул большинства РНК обусловливает относительную лабильность их конформаций и в растворе они нередко образуют клубообразные структуры. Однако во многих РНК в пределах одной нити встречаются участки с одинаковой, но противоположно ориентированной ("палиндромной") последовательностью комплементарных оснований, что приводит к возникновению "шпилек", хорошо видимых в электронном микроскопе, в которых два комплементарных друг другу участка одной нити сближены и соединены водородными мостиками между парами оснований. Если нить РНК имеет несколько таких комплементарных друг другу участков, то образуется несколько "шпилек" и конфорация молекулы приобретает значительную жесткость, что особенно характерно для так называемых транспортных РНК.

В зависимости от функций, присутствующих молекулам РНК, все РНК могут быть разделены на несколько классов. Из них только РНК, находящиеся в РНК-содержащих вирусах, являются геномными, т.е. хранят и передают следующему поколению соответствующую генетическую информацию. Остальные РНК (рибосомные РНК, матричные РНК, транспортные РНК и др.) выполняют иные функции, главным образом связанные с реализацией генетической информации. Размеры молекул РНК очень различны, но в общем они меньше молекул ДНК. Геномные РНК вирусов относятся к самым крупным.

Кроме перечисленных главных азотистых оснований, в состав некоторых нуклеиновых кислот в небольшом количестве входят еще друге азотистые основания, получившие название минорных. Так, у высших животных и высших растений в ДНК небольшая часть цитозинов заменена 5-метилцитозином, а ДНК ряда фагов весь цитозин заменен 5-оксиметилцитозином. В некоторых типах РНК в незначительном количестве встречаются псевдоуридин, метилгуанин и другие минорные основания.

Различные виды РНК служат посредниками для переноса генетичекой информации с ДНК на белки. Только они находятся в контакте с аминокислотами и белками. Поэтому естественно предположить, что РНК - первая информационная биомолекула, возникшая в предбиологической среде.