Биологическое значение нуклеиновых кислот

К настоящему времени основные механизмы синтеза белка в организме уже не являются белым пятном молекулярной биологии. ДНК и РНК, которые (по крайней мере, одна из них) входят в состав любого живого организма, играют в этих процессах решающую роль. ДНК содержит информацию наследственности. Отдельные участки длинной цепи ДНК содержат азотистые основания в определенной последовательности. Эти участки и являются носителями определенных наследственных признаков. В длинной цепи ДНК возможно очень большое число вариантов сочетания различных азотистых оснований, и поэтому одна молекула ДНК может нести громадное количество самой разнообразной информации. Эти отдельные участки цепи ДНК, собственно, и являются «генами*, ответственными за тот или иной наследственный признак.

В клетке существует также три вида РНК:

^информационные (матричные) РНК (и-РНК), несущие информацию о том, какой именно белок должен синтезироваться в конкретной клетке;

• 2) рибосомальные РНК (р-РНК), осуществляющие в рибосомах синтез белка;
• 3) транспортные РНК (т-РНК), осуществляющие перенос отдельных аминокислот в рибосомы для использования их в синтезе белка (их около 20, по числу имеющихся в организме аминокислот).

Выяснение детальной роли ДНК и всех трех типов РНК является задачей биохимии. Мы же коротко остановимся на том, каким образом происходит воспроизведение (репликация) молекул ДНК или похожий процесс «считывания* информации с молекулы ДНК молекулой и-РНК в развивающейся клетке. В простейшем случае в развивающемся зародыше имеется всего одна молекула ДНК, и информация, заключающаяся в ней, определяет весь дальнейший ход развития организма.

В самых общих чертах репликация молекулы ДНК происходит следующим образом. Двойная цепь ДНК под действием ферментов деспирализуется. На деспирализованном участке строятся новые цепи молекул ДНК, последовательность азотистых оснований которых точно соответствует последовательности оснований в цепи исходной ДНК (комплементарность), но в обратном порядке. ДНК как бы играет роль матрицы, с которой печатаются тождественные отпечатки. По окончании процесса деспирализации получаются уже две абсолютно тождественные исходной и друг другу молекулы ДНК. Аналогично на деспирализующейся молекуле ДНК происходит репликация молекул и-РНК, последовательность нуклеотидов в которой определяет всю информацию о синтезе белков в организме (рис. 93).

Генетическим кодом в и-РНК называется соответствие определенной последовательности нуклеотидов различным аминокислотам.

Общие свойства генетического кода в и-РНК к настоящему времени уже расшифрованы: он является троичным, вырожденным и неперекрывающимся.

Понятие троичный означает, что число оснований, кодирующих одну аминокислоту, равно трем. Эти тройки — кодоны — известны для всех 20 аминокислот. Например, кодон — УУУ (урацил — урацил — урацил) — соответствует фенилаланину, ГГУ (гуанин — гуанин — урацил) — глицину, ЦЦЦ (цитозин — цитозин — цитозин) — пролину и т. д.

Понятие вырожденный означает, что одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими сочетаниями нуклеотидов по три. Например, лейцин может кодироваться четырьмя кодонами — УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУА.

Понятие неперекрывающиися означает, что в линейной цепи последова;

Рис. 93. Возможный механизм репликации.

ДНК.

Рис. 94. Схема неперекрывающегося кода тельных нуклеотидов каждый из них участвует в кодировании лишь одной аминокислоты. Система же в целом имеет закодированное начало отсчета, т. е. в ряду последовательности нуклеотидов кодоны непосредственно следуют один за другим (рис. 94, нижняя часть схемы).

Как же в самых общих чертах происходит синтез белка в клетке? Предположим, что на молекуле ДНК синтезирована молекула комплементарной информационной РНК, т. е. ее кодоны точно соответствуют.

Рис. 95. Схема синтеза белка в клетке кодонам исходной ДНК. Далее в рибосоме, где находятся все виды РНК, происходит следующий процесс. Транспортные РНК подносят к рибосомам молекулы аминокислот (каждая свою, рис. 95, а), которые располагаются в последовательности, определяемой последовательностью кодонов в информационной РНК. Рибосомальные РНК осуществляют образование амидной связи между молекулами аминокислот (рис. 95,0), а освободившиеся транспортные РНК отправляются за новыми аминокислотами (рис. 95, в). Кодоны информационной РНК точно соответствуют антикодонам транспортной РНК (они подходят друг к другу, как ключ к замку), и ошибки (мутации) очень редки. Большая заслуга в доказательстве строения транспортных РНК и механизма их действия принадлежит А. А. Баеву, получившему в 1968 г. за разработку этой проблемы Государственную премию.

Последние десятилетия ознаменовались новыми успехами молекулярной биологии. В 1968 г. А. Корнбергу удалось впервые синтетически получить копию ДНК бактериофага. Правда, следует отметить, что в качестве матрицы для синтеза была использована уже готовая молекула ДНК.

В 1989 г. С. Альтману и Т. Цеху из США была вручена Нобелевская премия за открытие ферментативных свойств РНК. Это был первый случай, когда ферментными (см. дальше) свойствами обладала небелковая система с относительно короткой цепью полинуклеотидов.

Вместе с отмирающими животными и растительными организмами пуриновые и пиримидиновые основания ДНК в больших количествах попадают в почву и принимают активное участие в образовании гумуса.