ДНК и РНК

ДНК И РНК

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, детальное изучение живых клеток и их составных частей (органелл), прослеживающее роль отдельных идентифицируемых соединений в функционировании этих структур. К сфере молекулярной биологии относится исследование всех связанных с жизнью процессов, таких, как питание и выделение, дыхание, секреция, рост, репродукция, старение и смерть. Важнейшее достижение молекулярной биологии — расшифровка генетического кода и выяснение механизма использования клеткой информации, необходимой, например, для синтеза ферментов. Молекулярнобиологические исследования способствуют и более полному пониманию других процессов жизнедеятельности — фотосинтеза, клеточного дыхания и мышечной активности.

В молекулярной биологии предпочитают работать с относительно простыми системами,

Областью молекулярной биологии, вызывающей большие споры и часто неприятие, является генная инженерия, или технология рекомбинантных ДНК, суть которой в том, что в организм растения или животного встраивают чужие гены, чтобы придать ему новые свойства или же компенсировать какие-нибудь наследственные дефекты

БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

Вплоть до начала 20 в. биологи были убеждены в том, что все живое принципиально отличается от неживого и в этом отличии есть какая-то тайна. В настоящее время благодаря значительно возросшему объему знаний в области химии и физики живой материи стало ясно, что жизнь может быть объяснена в обычных понятиях химии и физики. Ниже кратко излагаются основные концепции современной биологии, касающиеся самого феномена жизни.

Генетические механизмы и эволюция. Генетическая теория гласит, что признаки особей каждого поколения передаются следующему поколению через единицы наследственности, называемые генами. Крупные сложные молекулы ДНК состоят из четырех типов субъединиц, называемых нуклеотидами, и имеют структуру двойной спирали. Информация, содержащаяся в каждом гене, закодирована особым порядком расположения этих субъединиц. Поскольку каждый ген состоит примерно из 10 000 нуклеотидов, выстроенных в определенной последовательности, существует великое множество комбинаций нуклеотидов, а соответственно и множество различных последовательностей, являющихся единицами генетической информации.

Определение последовательности нуклеотидов, образующих определенный ген, стало теперь не только возможным, но даже довольно обычным делом. Более того, ген можно синтезировать, а затем клонировать, получив таким образом миллионы копий. Если какое-то заболевание человека вызвано мутацией гена, который в результате не функционирует надлежащим образом, в клетку может быть введен нормальный синтезированный ген, и он будет выполнять необходимую функцию. Эта процедура называется генной терапией. Грандиозный проект «Геном человека» призван выяснить нуклеотидные последовательности, образующие все гены человеческого генома.

Одно из важнейших обобщений современной биологии, формулируемое иногда как правило «один ген — один фермент — одна метаболическая реакция», было выдвинуто в 1941 американскими генетиками Дж. Бидлом и Э.Тейтемом. Согласно этой гипотезе, любая биохимическая реакция — как в развивающемся, так и в зрелом организме — контролируется определенным ферментом, а фермент этот в свою очередь контролируется одним геном. Информация, заложенная в каждом гене, передается от одного поколения другому специальным генетическим кодом, который определяется линейной последовательностью нуклеотидов. При образовании новых клеток каждый ген реплицируется, и в процессе деления каждая из дочерних клеток получает точную копию всего кода. В каждом поколении клеток происходит транскрипция генетического кода, что позволяет использовать наследственную информацию для регуляции синтеза специфических ферментов и других белков, существующих в клетках.

В 1953 американский биолог Дж. Уотсон и британский биохимик Ф. Крик сформулировали теорию, объясняющую, каким образом структура молекулы ДНК обеспечивает основные свойства генов — способность к репликации, к передаче информации и мутированию. На основании этой теории оказалось возможным сделать определенные предсказания о генетической регуляции синтеза белка и подтвердить их экспериментально.

Развитие с середины 1970;х годов генной инженерии, т. е. технологии получения рекомбинантных ДНК, значительно изменило характер исследований, проводимых в области генетики, биологии развития и эволюции. Разработка методов клонирования ДНК и проведения полимеразной цепной реакции позволяют получать в достаточном количестве необходимый генетический материал, включая рекомбинантные (гибридные) ДНК. Эти методы используются для выяснения тонкой структуры генетического аппарата и отношений между генами и их специфическими продуктами — полипептидами. Вводя в клетки рекомбинантную ДНК, удалось получить штаммы бактерий, способные синтезировать важные для медицины белки, например человеческий инсулин, гормон роста человека и многие другие соединения.

Значительный прогресс был достигнут в области изучения генетики человека. В частности, проведены исследования таких наследственных болезней, как серповидноклеточная анемия и муковисцидоз. Изучение раковых клеток привело к открытию онкогенов, превращающих нормальные клетки в злокачественные. Исследования, проводимые на вирусах, бактериях, дрожжах, плодовых мушках и мышах, позволили получить обширную информацию, касающуюся молекулярных механизмов наследственности. Теперь гены одних организмов могут быть перенесены в клетки других высокоразвитых организмов, например мышей, которые после такой процедуры называются трансгенными. Чтобы осуществить операцию по внедрению чужеродных генов в генетический аппарат млекопитающих, разработан целый ряд специальных методов.

Одно из наиболее удивительных открытий в генетике — это обнаружение двух типов входящих в состав генов полинуклеотидов: интронов и экзонов. Генетическая информация кодируется и передается только экзонами, функции же интронов до конца не выяснены.

РНК

В 1978 стал преподавателем в университете Колорадо в Боулдере. Здесь Чек сделал свое главное открытие. Был первым, кто сообщил о каталитической активности РНК. Это произошло в 1982. Годом позже С. Олтмен пришел к такому же заключению.

Сложившейся центральной догмой молекулярной биологии была взаимосвязь: ДНК? РНК? фермент. Ранее считалось, что и ДНК, и РНК служат только носителями генетической информации, в то время как белки в форме ферментов катализируют химические процессы жизни. Чек и независимо от него C. Олтмен опровергли эту догму.

В 1970;1980;х годах Чек и Олтмен изучали, каким образом генетический код переносится от ДНК к РНК. Им было известно, что часть генетической информации не является обязательной и от нее надо избавиться в молекуле РНК, прежде чем та начнет использоваться клеткой. В поисках решения этой задачи Олтмен и Чек открыли, что ферментативную функцию берет на себя не белок, а каталитическая РНК.

Чек изучал молекулу РНК примитивного одноклеточного организма Tetrahymena. Он нашел, что ненужную часть можно удалить из средней части молекулы этой РНК, причем после удаления этого фрагмента оставшиеся отрезки соединяются вместе. Сенсационным было, что молекула РНК сама по себе катализирует данную реакцию. Удаленный фрагмент РНК сам себя модифицирует таким образом, что оказывается способным функционировать, помимо прочего, в роли фермента, синтезирующего РНК. Каталитическая РНК может создавать новую РНК.

Работы Олтмена и Чека показали, что каталитическая активность молекул РНК зависит от их трехмерной структуры, как это имеет место и в случае белковых ферментов.

Открытие каталитической РНК, которую называют также рибозимом, важно как для науки, так и для производства.

Каталитическая РНК, возможно, выполняет не только функцию разрезания и воссоединения РНК, но и играет главную роль во многих других биологических процессах. Химические процессы жизни часто требуют взаимодействия белок — РНК. Может быть, РНК, а не белковые ферменты играют в них ведущую роль.

Каталитическая РНК — новое мощное средство генной инженерии. Прослеживаются очевидные применения каталитической РНК в биотехнологии и медицине. Например, растения, приготовленные методом генной инженерии, можно сделать устойчивыми к воздействию вирусов, если создать рибозим, который будет разрывать и разрушать генетический материал вируса. То же представляется совершенно очевидным и при конструировании лекарств против вирусных инфекций.

Наконец, возник новый подход к истолкованию проблемы химического механизма происхождения жизни на Земле. Какая биомолекула появилась на Земле первой? Как могла возникнуть жизнь, если молекулы ДНК генетического материала могут воспроизводиться лишь с помощью белковых ферментов, в то время как сами белки могут быть построены лишь с помощью генетической информации, заключенной в ДНК?

Открытие Олтмена и Чека показало, что такой молекулой могла быть и не белковая молекула, и не молекула ДНК. Молекула РНК отвечает требуемым параметрам — она одновременно может служить и генетическим материалом, и обладать свойствами фермента.

В 1989 Чеку и С. Олтмену была присуждена Нобелевская премия «за открытие каталитических свойств РНК».

Свойством воспроизведения себе подобных обладают нуклеино-вые кислоты и даже отдельные фрагменты молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая) — обнаружена в 1868 г. в клеточных яд-рах — являются веществом наследственности. В 1953 г. — Ф. Крик и Д. Уотсон построили модель ДНК, кото-рая состоит из двух полимерных цепо-чек, закрученных одна вокруг другой с образованием двойной спирали. Со-гласно этой модели каждая из цепочек молекулы ДНК состоит из четырех типов мономеров — нуклеотидов. В свою очередь, в состав нуклеотидов входят три компонента, со-единенные прочными химическими связями:

1) азотистое основание;

углевод (дезоксирибоза);

остаток фосфорной кислоты.

Азотистые основания — это пурины, имеющие двойное углеродно-азотное кольцо, и пиримидины. имеющие одно такое кольцо. Пури-ны представлены — аденином (А) и гуанином (Г), пиримидины — ти-мином (Т) и цитозином (Ц). За счет фосфорной кислоты нуклеотиды могут соединяться друг с другом за счет химической связи, образуя нуклеиновые кислоты. Модель Крика — Уотсона подтвердилась. Ин-тересно, что спираль — самая распространенная форма во Вселенной, от атомов до галактик. Не случайно, что молекулы ДНК имеют форму двойной спирали. Эта форма выгодна в тесноте микромира. У некоторых растений длина ДНК достигает 40 м и заключается в кле-точном ядре размером ~ микрон.

Функция ДНК — информационная — порядок расположения ее че-тырех нуклеотидов несет важную информацию, определяет порядок расположения аминокислот в линейных молекулах белков, т. е. их первичную структуру. Набор белков (ферментов, гормонов) опреде-ляет свойства клетки и организма. Молекулы ДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их в поколениях потомков, т. е. ДНК-носитель наследственной информации.

Ген — часть ДНК.

РНК — рибонуклеиновая кислота — похожа на ДНК и тоже по-поена из мономерных нуклеотидов 4 типов. Только в состав РНК вместо тимидинового нуклеотида входит похожий на него — уридиловый (У) (урацил). Также в состав РНК входит сахар — рибоза. Но Равное отличие: спираль — одинарная. РНК участвуют в реализа-ции наследственной информации, хранящейся в ДНК, через синтез белка.

Так вот, можно ли считать молекулы ДНК носителями жизни? доказано, что самокопирование ДНК и реализация заключенной в ней информации происходит только при наличии ферментов, источ-ников энергии — молекул АТФ. воды и других соединений. Очевидно, что отдельные молекулы нуклеиновых кислот тоже не являются жи-выми.

АТФ — аденозинтрифосфорная кислота — универсальный биоло-гический аккумулятор энергии: световая энергия Солнца и энергия, заключенная в потребляемой пище, запасается в молекулах АТФ.