13.4.2. Матричный синтез путем конвариантной редупликации

Любая сложная молекулярная структура претерпевает измене­ния в результате беспорядочного теплового движения ее атомов и молекул. Поэтому происходит не абсолютно точное повторе­ние, а воспроизведение цепочек молекул ДНК с внесением не­которых изменений, хотя сама система управляющих параметров (ДНК, хромосом и генов), как матрица наследственных призна­ков имеет большую степень стабильности. Эта стабильность и обеспечивает сам процесс передачи наследственных признаков при идентичном самовоспроизведении. Несмотря на то что в природе абсолютной стабильности, конечно, нет, все основные свойства живого немыслимы без передачи наследственной ин­формации от поколения к поколению. Такой процесс самовосп­роизведения с изменениями, осуществляемый на основе матрич­ного синтеза, называется конвариантной редупликацией. Конва- риантная редупликация обеспечивает передачу по наследству не только генетической основы, но и дискретных отклонений от исходных состояний, т.е. мутаций.

13.4.3. Транскрипция *

Вторым этапом передачи наследственной информации является перенос генетического кода с молекул ДНК на молекулы РНК путем образования одноцепочечной молекулы информационной молекулы РНК (тРНК) на одной цепи ДНК. Этот процесс осу­ществляется следующим образом. Когда двойная спираль моле­кулы ДНК раскручивается и вдоль нее движется фермент, вы­страивающий нуклеотиды РНК против соответствующих нукле­отидов ДНК, мономеры соединяются и образуется длинная цепь молекул РНК. Это и есть матричный синтез информационной молекулы тРНК на ДНК, называемый транскрипцией (перепи­сыванием). Каждая биохимическая реакция в организме являет­ся по существу процессом передачи информации и протекает в присутствии определенного фермента. Молекула реагирующего вещества (субстрата) является сигнальным устройством для своего приемника — фермента. Под действием этого сигнала происходят изменение информации, структуры фермента, кото­рый таким образом играет роль устройства, перекодирующего химическую информацию, и организация соответствия типа «за­мок — ключ».

Как удачно отметил Б.М. Медников [14|, «генетическая про­грамма не признает омонимов, и каламбуры здесь строжайше за­прещены*. Регуляторным механизмом как раз и являются различ­ные системы ферментов, которые выбирают соответствующие нуклеотиды, контролируют возможные ошибки «узнавания» это­го соответствия ДНК и РНК и в случае необходимости исправ­ляют их. При этом и здесь выполняются энергетические законы. Напротив основания родительской цепи может встать любой из четырех нуклеотидов, но присоединение комплементарного бо­лее выгодно.

Роль молекул ферментов в качестве устройств для опознава­ния необходимых мест присоединения других молекул или даже «устранения использованных» в клетках живых организмов иск­лючительна велика. Так, недавно была установлена причина ис­чезновения отцовских митохондрий после слияния половых кле­ток яйцеклеток и сперматозоидов. Женская митохондрия остает­ся, а отцовская пропадает. Считается, что именно поэтому зародыш не получает излишнего генетического материала, спо­собного привести к уродству или даже смерти. Например, имен­но присутствием двойного набора митохондрий объясняется вы­сокая смертность среди новорожденных клонированных млеко­питающих.

Митохондрии наследуются исключительно от матери, однако механизм быстрого обнаружения и устранения отцовской копии до недавнего времени был неизвестен. В 1999 г. американский биохимик Сутовски установил, что эту необходимую «обязан­ность» выполняют протеиновые молекулы убиквитина, которые «помечают» белки, предназначенные для разборки на аминокис­лоты.

13.4.4. Трансляция

Процесс воспроизводства, связанный с использованием гене­тической информации, реализуется на следующем этапе. Инст­рукции в виде матричной шРНК передаются рибосомам, кото­рые отвечают за синтез клеточного белка. Теперь уже информа- имя о том, как, из чего и когда надо строить белок клетки, т.е. «технологический проект» строительства белка, заключена в тРНК. Транспортная тРНК переносит конструкцию из амино­кислот к рибосомам, и на рибосомной рРНК синтезируются молекулы белка. Образно говоря, рибосомы выступают как «фабрика» по производству молекул белка. Схема биосинтеза белка в рибосоме показана на рис. 13.2. Этот процесс переноса аминокислот на основе генетического кода информационной тРНК и образование цепей называется трансляцией. После­довательность нуклеотидов, несущая информацию в ДНК, опре­деляет через молекулы РНК последовательность аминокислот в

Аминокислоты

Рис. 13.2. Схема биосинтеза белков.

белке. Этот процесс схематически представляется как ДНК <н> РНК -> белок (рис. 13.3).

Таким образом, передача генетических инструкций происхо­дит наиболее сжатым и экономичным способом по единому принципу конструкции матрицы. Суть матричного синтеза прос­та: исходные молекулы ДНК и РНК являются матрицами, рядом с которыми строятся соответствующие макромолекулы, и «счи­тывание» информации также происходит матричным способом, так что матрица как чертеж для исполнения (синтеза) — это изо­бретение природы, название же потом придумал человек. В мо­лекулярной биологии эти представления широко используются, и, например, С.Э. Шноль считает, что выживают матричные элементы, способные к быстрому размножению. Можно сказать, что и сама жизнь — это матричное копирование с последующей самосборкой копий.

полимераза щт^-

f Разделение кг Цепи

Разделение

Цепь ДНК

митинг

ЕШ

⁺Амино- 1

Полисомная структура мРНК

Рис. 13.3. Основные этапы процесса передачи генетической информации.

13.4.5. Отличия белков и нуклеиновых кислот

Молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК образуют линей­ные последовательности, а молекулы белка представляют собой трехмерные конструкции. Может быть, это связано с тем, что в молекулах нуклеиновых кислот основания соединены слабой во­дородной химической связью и как бы уже предрасположены к изменчивости, в то время как молекулы белка — сильной кова- лентной связью, обеспечивающей стабильность и устойчивость

ч

его структуры. Кроме того, благодаря хиральности органических молекул живых организмов, отраженной в их оптической актив­ности и способности поворачивать плоскость поляризации, мо­лекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК образуют правую пространственную так называемую D-конфигурацию, а молеку­лы белка — левую L-конфигурацию.

Пока науке достоверно не известна причина именно такой хиральности белков и нуклеиновых кислот. Однако глубокое различие белковых и нуклеиновых макромолекул в структуре и функциональности позволяет предположить, что они не могли появиться одновременно в ходе химической эволюции и потому маловероятно их сосуществование в протобиологической систе­ме. Экспериментально установлено, что полимеры хирально не­чистого состава медленнее растут, менее прочны и быстрее раз­рушаются, чем хирально чистые. Может быть, в этом также про­является стабильность и устойчивость жизни.

Обобщая, можно сказать, что обеспечивают молекулы ДНК и РНК информационное взаимодействие, а материальную энерге­тическую структуру жизни составляют белки. Мутации како­го-либо гена в ДНК приводят к сбою генетической программы и через кодирование могут изменить белки. В результате этого мо-, жет произойти перестройка части передаваемой информации или даже ее потеря. Хотя природа предусмотрела, чтобы (для здорового консерватизма!) мутации были достаточно редкими, они очень важны для эволюции как начальный источник гене­тической изменчивости. Жизнь в этом смысле зависит от точ­ности передачи информации.

В целом под изменчивостью понимают способность живых организмов приобретать новые признаки и свойства. Она обус­ловлена взаимосвязью организма с внешней средой. При этом

давно уже было замечено, что по наследству передаются только признаки, закрепленные в наследственной изменчивости, а не­наследственная, или модификационная, изменчивость лишь дает возможность организму приспособиться к окружающей среде. Такие приобретенные каждым организмом признаки не наследуются. Изменения фенотипа не сказываются на нукле- отидных последовательностях ДНК. Это похоже на житейскую ситуацию, когда брюнетка перекрашивается в блондинку: фе­нотип меняется, а генотип — нет. В молекулярной генетике это Объясняется тем, что процесс передачи наследственной инфор­мации идет только от ДНК через РНК к белкам и никогда на­оборот.