Дмитрий Христофорович Шишков
Как работают гены
Рис. 1. Схема строения ДНК (DNA) и РНК (RNA)
Такая структура объясняла две самые главные функции ДНК, – каким образом это соединение может самостоятельно удваиваться, обеспечивая размножение клеток, и как осуществляет запись информации.
Удвоение или редупликация происходит, если эти две закрученные цепочки развести, а потом дать им подстроить к себе недостающие части. Тогда вместо одной молекулы получаются две, совершенно одинаковые. На этом строится процесс самовоспроизводства, который обеспечивает размножения организмов.
Запись информации осуществляется последовательностью соединения нуклеотидов по продольной оси. Эта последовательность ничем не лимитируется, и из 4 разных нуклеотидов можно получить бесконечное множество различных комбинаций. Таким образом, природе удалось решить, казалось бы, не решаемую проблему, как одним и тем же веществом, состоящим из совершенно одинаковых элементов, обеспечить разнообразие всех, обитающих на Земле живых организмов. И резерв разнообразия еще не исчерпан. Если принять, что на Земле живут около 500 тысяч видов растений, более двух с половиной миллионов животных, и около миллиона видов бактерий и вирусов, то эта цифра будет составлять порядка 4 миллионов видов, а количество сочетаний из 4 нуклеотидов на цепочке ДНК в 10 миллионов нуклеотидов будет составлять 4 10000000 . Так что еще далеко не все освоено.
Расшифровка структуры ДНК стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За это открытие ученым Джеймсу Уотсону, Фрэнсису Крику и Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 года.
Вопрос второй. Каким образом химическая молекула обеспечивает физическую форму и физиологическую активность организмов?
В период шестидесятых и последующих лет двадцатого века развитие молекулярной биологии пошло еще более бурными темпами. Открытия следовали одно за другим. Каждое поражало воображение и ставило новые вопросы. После того, как стало известно, что молекулы ДНК есть в каждой клетке каждого организма, и что у всех строение этой молекулы принципиально одинаково, встал вопрос о том, как же достигаются различия в работе разных клеток, и столь разнообразные результаты их работы?
Рис. 3. Ядро живой растительной клетки (фото автора)
Основная масса ДНК находится в ядре и никогда его не покидает (рис. 3). Что же происходит в цитоплазме клеток? Основную часть цитоплазмы составляют белки. Белков много и они разные. Почему? Ответ на этот вопрос был получен при расшифровке генетического кода.
2.3. Генетический код
Естественно весь научный мир интересовало, есть ли связь между ДНК и белками. В 1957 –1963 годах множество ученых из разных стран работали над этой проблемой. Исследовалось строение белков, изучались белки бактерий, формировалось учение о вирусах и их взаимоотношениях с клетками других организмов, синтезировались искусственно молекулы РНК и некоторые участки ДНК (Г. Гамов 1957, Ф. Крик, Л Барнет 1961, 1963, М. Ниренберг и Дж. Маттеи 1961, 1963, К. Корана 1966, и многие другие). К 1966 году связь между ДНК и белками была не только доказана, но и расшифрована.
Самым удивительным результатом этого научного штурма было установление того факта, что – код шифрования – это генетический код, является универсальным и одинаков для всех земных организмов от вирусов до человека.
На основании многочисленных работ теперь можно коротко сформулировать основные свойства генетического кода.
Генетический код – это механизм, определяющий зависимость строения белков от наследственной информации, заключенной в молекулах ДНК.
Специфика белковых молекул определяется последовательным соединением в длинные цепочки молекул аминокислот (amino acids).
Аминокислоты – это низкомолекулярные органические соединения, состоящие из углерода, кислорода, водорода и азота. Обязательными группами в них являются кислотная группа СООН и аминогруппа – NH2.
Аминокислот, участвующих в синтезе белка – 20.
Соединение аминокислот в белковые цепочки происходит на структурах клетки – рибосомах.
План соединения аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК.
За положение одной аминокислоты в молекуле белка отвечает не один, а три нуклеотида – триплет (кодон).
Всего таких групп–сочетаний из четырех нуклеотидов по три – насчитывается 64 (4 в третьей степени). Каждая аминокислота кодируется несколькими триплетами (как бы запасный вариант, обеспечивающий скорость синтеза).
Информация о расположении триплетов на молекуле ДНК переносится в цитоплазму на рибосомы с помощью молекул – информационной РНК (и-РНК, m-RNA), которая предварительно синтезируется в ядре.
Различные аминокислоты доставляются к рибосомам с помощью специфических коротких молекул – транспортных РНК (т-РНК)
Источником и поставщиком аминокислот в клетки является пища.
Скорость синтеза огромна – за одну секунду в клетках образуется тысячи белковых молекул. Главная функция их – ферментативная. Ни одна реакция в клетках не происходит самопроизвольно, все контролируется ферментами. Жизнь белковых молекул недолговечна. Большинство из них живут и работают только по нескольку часов, потом распадаются и строятся вновь. Т.е. конвеер – «ДНК – РНК – белок» работает постоянно. Никто не сидит без дела. Вот поэтому главным условием существования организмов на нашей планете – это регулярное питание. Человек не исключение. В основном его белки-ферменты живут по 8 часов. Отсюда, установившееся веками трехразовое питание.
Рис. 4. Схема процесса белкового синтеза в клетках
Так осуществляется реализация той наследственной информации, которую каждый организм получает от материнского и отцовского организма в момент оплодотворения. Но ведь белки – это вещества, а конкретные признаки организма так структурны, а органы так различны по строению и функциям!
Молекулы ДНК не имеют четких разделительных знаков. С какого участка списывать информацию? Какой длины должна быть молекула информационной РНК, где начало, где конец нужного участка? И вообще существуют ли они?
Поиски ответа на эти вопросы заставили молекулярных биологов вспомнить о классической генетике, где уже прочно установилось понятие ген. Так что же такое ген применительно к молекулярным механизмам клетки?
2.4. Что такое ген?
Получая наследство от своих родителей, мы часто ссылаемся на гены. В каком же виде принимаем мы это наследство, и каким образом полученная нами информация реализуется в конкретные и сугубо индивидуальные черты нашей личности? И что потом мы передадим нашим будущим потомкам?
Когда родители сердятся на своих детей, особенно маленьких, за то, что они не такие, как нам хотелось бы, надо им – родителям – напомнить, что дети не виноваты. Они не сами сформировали свой генотип – они получили его уже в готовом виде от предков. Это родительские гены гуляют. Но оказывается и родители тоже не виноваты!!! Они не властны над теми комбинациями генов, которые создаются в их половых клетках. У каждой женщины за свою жизнь образуется порядка 4,5 миллионов половых клеток. Многие из них погибают еще в процессе эмбрионального развития, к моменту рождения девочки в ее организме их будет около 2 миллионов, но до стадии зрелых яйцеклеток доходит только порядка 450 клеток и каждая будет генетически разной. Как за этим уследишь, если все происходит независимо от нашего сознания?
Так что такое ген? Выше мы уже говорили, что наследственная информация записывается на молекуле ДНК путем последовательности нуклеотидов. При расшифровке генетического кода (Ниренберг, Маттеи, 1961) было установлено и экспериментально проверено, что минимальной информационной единицей ДНК является триплет – комбинация из трех нуклеотидов. Поскольку нуклеотиды отличаются друг от друга только азотистыми основаниями, их обозначают условно начальной буквой названия этого азотистого основания. Так аденин обозначается как А, гуанин – Г, Цитозин – Ц, тимин – Т, урацил – У. Если на молекуле ДНК нуклеотиды располагаются в порядке азотистых оснований – аденин-гуанин-тимин, то триплет получится АГТ.
Каждый из триплетов генетически связан с какой–то аминокислотой, которая должна включиться в состав белка. Следовательно, порядок триплетов в ДНК будет определять последовательность аминокислот в белке. Это, в свою очередь, будет определять структуру белковой молекулы и ее функции. Расшифровка связи ДНК и белка сделана по информационной РНК Триплеты РНК комплементарны триплетам ДНК. Выше названный типлет ДНК – АГТ будет соответствовать триплету РНК УЦА, и он будет отвечать за включение в белковую молекулу серосодержащей аминокислоты – серин (табл. 1). Но! От функции данной белковой молекулы до внешнего вида вашего лица и физиологического здоровья еще довольно далеко.
Таблица 1. Основы универсального генетического кода – состав нуклеотидных триплетов и кодируемые ими аминокислоты
1–й
нуклеотид
Второй нуклеотид
3–й
нуклеотид
У
Ц
А
Г
У
УУУ – ф–аланин
УУЦ – ф–аланин
УУА – лейцин
УУГ – лейцин
УЦУ – серин
УЦЦ – серин
УЦА – серин
УЦГ – серин
УАУ – тирозин
УАЦ – тирозин
УАА – охр
УАГ – Янт
УГУ – цистеин
УГЦ – цистеин
УГА – стоп
УГГ – триптоф
У, Ц
А, Г
Ц
ЦУУ – лейцин
ЦУЦ – лейцин
ЦУА – лейцин
ЦУГ – лейцин
ЦЦУ – пролин
ЦЦЦ – пролин
ЦЦА – пролин
ЦЦГ – пролин
ЦАУ – гистидин
ЦАЦ – гистидин
ЦАА – глутамин
ЦАГ – глутамин
ЦГУ – аргинин
ЦГЦ – аргинин
ЦГА – аргинин
ЦГГ – аргинин
У, Ц
А, Г
А
АУУ – изолейцин
АУЦ – изолейцин
АУА – изолейцин
АУГ – метионин
АЦУ – треонин
АЦЦ – треонин
АЦА – треонин
АЦГ – треонин
ААУ – аспарагин
ААЦ– аспарагин
ААА – лизин
ААГ – лизин
АГУ – серин
АГЦ – серин
АГА – аргинин
АГГ – аргинин
У, Ц
А, Г
Г
ГУУ – валин
ГУЦ – валин
ГУА – валин
ГУГ – валин
ГЦУ – аланин
ГЦЦ – аланин
ГЦА – аланин
ГЦГ – аланин
ГАУ – аспар.кис
ГАЦ – аспар.кис
ГАА – глут.кис.
ГАГ – глут.кис
ГГУ – глицин
ГГЦ – глицин
ГГА – глицин
ГГГ – глицин
У, Ц
А, Г
Примечание: триплеты УАА – (охр), УАГ (янт), УГА – являются «стоп»-кодонами
Основу органов составляют клетки. Основу клеток составляют белки. Белки – это крупные полимерные молекулы. Образующие их аминокислоты могут соединяться в длинные цепи в любом порядке, чередуясь и повторяясь многократно. Если в белке́ всего 100 аминокислот (небольшая молекула инсулина), а за каждую отвечал один триплет, значит, в молекуле ДНК должно быть 100 триплетов или 300 нуклеотидов. Вот этот участок ДНК, отвечающий конкретно за одну простую молекулу белка и будет ген. От других участков он будет отграничен так называемыми нонсенс-триплетами (или стоп-кодонами), которые не несут связи с аминокислотами. Их всего три – АТТ, АТЦ, АЦТ. (На комплементарной молекуле РНК они будут соответствовать триплетам УАА, УАГ, УГА). Эти триплеты будут обозначать начало и конец гена. Значит ГЕН – это определенный участок длинной молекулы ДНК. Участок, который отвечает всего за одну из многочисленных простых белковых молекул клетки (полипептидную цепочку). Большинство белков клетки являются сложными соединениями, образованными несколькими полипептидными цепочками, они формируются на основе многих генов. Размеры генов тоже различны. Строение их у высших организмов – эукариот – заметно сложнее, чем у простейших. Работают они не в одиночку, а слаженными ансамблями. Сумма всех генов данного организма (гены диплоидного набора плюс гены митохондрий) образует его генотип, а совокупность внешних признаков строения и поведения данного существа составляет его фенотип.
Как увязать работу генов с внешними признаками, т.е. как генотип связан с фенотипом? Так помидор при созревании из зеленого становится красным, а форма его округлая. А почему он круглый, а не длинный, как огурец, и почему сам огурец никогда не станет таким ярко красным? Или почему вы при загаре приобретаете красивый золотистый оттенок кожи. Где ген? Где признак?
Признак – это свидетельство работы гена, – это результат этой работы. Он (признак) базируется на конкретных веществах, которые вырабатываются в клетках. Отдельные группы клеток, объединенные одинаковыми или сходными свойствами, образуют отдельные органы. (Красные пигменты помидор синтезируются в клетках плода, а зеленые пигменты активнее синтезируются листьях). Гены, отвечающие за эти пигменты, есть во всех клетках растения, даже в корне, но работают они по принципу разделения труда. Включаются не сразу, а по мере надобности. Поэтому в незрелых плодах, сначала вырабатывается много хлорофилла (зеленый пигмент), а затем эстафета передается генам, обеспечивающим синтез каротинов, и плод постепенно приобретает красную окраску.
При формировании признака гену нужны помощники. И такими помощниками, незаменимыми и обязательными участниками процесса, являются молекулы РНК. Их несколько типов: 1) информационная РНК – и-РНК, она односпиральна, и размеры ее соответствуют размеру гена, на котором она образуется; 2) рибосомальная РНК р-РНК – она составляет основу белковых фабрик рибосом, расположенных в цитоплазме; 3) транспортная РНК – т-РНК, она доставляет аминокислоты к рибосомам; 4) малые ядерные РНК – мя-РНК, которые выполняют регуляторные функции. Вот эта команда под руководством молекулы ДНК и формирует признаки – фенотип данной особи.
Теперь следует обобщить свойства гена и пройти путь от гена до признака.
Можно выделить следующие основные свойства гена:
Ген это участок молекулы ДНК, отвечающий за синтез молекул РНК и белка, состоящий из сотен и даже тысяч нуклеотидов, сгруппированных в триплеты (кодоны), и отграниченный от других участков нонсенс-триплетами.
Большая часть генов располагается в ядре клетки и никогда его не покидает.
Передача генетической информации с гена на белки происходит через обязательный промежуточный синтез молекулы информационной (матричной) РНК (и-РНК, m-RNA).
