Информация на клеточном уровне

На клеточном уровне наиболее заметными носителями информации являются апериодические полимерные молекулы: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК (рибонуклеиновая кислота) и белки. Далее мы подробно рассмотрим физико-химические основы строения этих полимеров, а уже сейчас отметим, что существенная часть информационной сущности данных молекул заключена в определении «апериодические полимеры». Апериодические полимеры — это цепочечные молекулы, составленные из звеньев различных типов^[1], следующих в разном порядке (рис. 1.1).

Важной особенностью белков и полинуклеиновых кислот (ДНК, РНК), встречаемых в живых организмах, является «неслучайность» их последовательностей, т. е. они не являются статистически случайными полимерами, а наоборот, именно порядок следования звеньев часто определяет функциональность и (или) информационную составляющую молекулы. Наличие закономерностей в последовательности звеньев делает данные молекулы исключительно удобным объектом для анализа с помощью математических подходов. Другим аспектом, подчеркивающим необходимость анализа обозначенных полимеров, является тот факт, что в ДНК каждого организма закодирована практически вся информация как о его строении, так и о возможных сценариях функционирования. Реализуется же эта информация именно через синтез молекул РНК и белков.

Рис. 1.1. Фрагмент последовательностей белка АСВР (ацил-Коа связывающий белок) из разных организмов:

а — схематичное изображение. Каждая буква — символичное обозначение определенного тина мономера. Следует обратить внимание на то, что последовательности белка из разных организмов частично совпадают;

6 — каркасная модель химической структуры фрагмента человеческого АСВР со 2-го по 16-й мономер. Тип мономера указан в однобуквенном коде, число отражает позицию мономера от начала (N-конца) последовательности. Например, хорошо видны идентичные мономеры глутаминовой кислоты (Е5, Е7, Е12), в позициях 5, 7 и 12 соответственно Итак, ДНК, РНК и белки являются основными носителями информации в клетке. При этом в ходе функционирования организма происходят постоянные перенос и обработка этой информации. Основные пути (процессы) этого переноса сформулированы в центральной догме молекулярной биологии и приведены на рис. 1.2.

Рассмотрим эти пути несколько подробнее. Как было указано выше, ключевым носителем информации в клетке являются молекулы ДНК. Как правило, при делении клетки каждая молекула ДНК удваивается, создавая полную свою копию (копия относительно последовательности звеньев) этот процесс удвоения называют репликацией ДНК. В результате репликации ДНК каждая новая клетка получает свой «набор информации», практически полностью идентичный исходному набору. В ходе функционирования клетки с отдельных фрагментов молекул ДНК делаются короткие РНК-копии¹. Этот процесс фрагментарного копирования называется транскрипцией. РНК-копия впоследствии может претерпевать ряд модификаций, например, с помощью специальных процессов, таких как сплайсинг (см. подпараграф 1.2.3). После этого на основе информации, содержащейся в РНК-копии, происходит синтез молекул белка^[2][3] — трансляция. Молекулы белков в зависимости от последовательности звеньев способны выполнять различные функции:

• • структурную (участвуя в формировании тела организма);
• • ферментативную (катализируя и локализуя определенные химические реакции);
• • двигательную (сократительную, связанную с изменением формы белка при определенных условиях).

Рис. 1.2. Центральная догма молекулярной биологии. Основные носители информации в клетке (ДНК, РНК и белки), а также процессы переноса информации:

| — основные; — дополнительные Следует знать, что в некоторых случаях реализация информации, закодированной в ДНК, заканчивается на этапе создания РНК-копии. Возможность такого сценария вызвана тем, что молекулы РНК могут иметь дополнительные функции помимо переноса информации от ДНК к белкам. Эти дополнительные функции, выполняемые не кодирующими белки молекулами РНК, весьма разнообразны, в том числе некоторые молекулы РНК (так называемые рибозимы) способны выполнять даже ферментативную функцию.

К неклассическим потокам переноса информации можно отнести дупликацию молекул РНК: РНК-репликацию, а также создание ДНК-копий с молекул РНК — обратную транскрипцию.

Интересно отметить, что изложенные выше принципы применимы ко всем живым организмам, однако детали реализации перечисленных процессов у эволюционно далеких групп организмов могут иметь отличия.

Как уже говорилось, информация, закодированная в ДНК, проявляется в виде синтезируемых на ее основе молекул РНК и белков. Функционирование биологических полимеров определяется пространственной структурой, которую принимает полимерная цепь, а пространственная структура цепи в общем случае — последовательностью звеньев. Таким образом, к информационным процессам, происходящим на клеточном уровне, можно также отнести формирование пространственной структуры биологическими полимерами.

• [1] По четыре типа звеньев у ДНК и РНК и 20 типов звеньев для белков.
• [2] Следует напомнить, что молекулы и РНК и ДНК состоят из четырех типов звеньев, и природа процессов, происходящих в клетке, такова, что позволяет установить взаимнооднозначное соответствие между типами мономеров ДНК и РНК (см. также подпараграфы1.1.2−1.1.3).
• [3] Каждый мономер последовательности белка кодируется тремя последовательно идущими мономерами РНК-кодоном. Поскольку три мономера РНК (четырех типов) позволяютзакодировать 64 различных символа, то наблюдается избыточность генетического кода — некоторые мономеры белков могут кодироваться различными кодонами. В то же время генетический код обладает однозначностью — определенный тип кодона всегда кодирует определеннуюаминокислоту. Подробнее кодирование аминокислот рассмотрено в подпараграфе 1.2.4.