Volume1

Глава 1. Клетки и геномы 9

Итак, полинуклеотиды определяют последовательность аминокислот в соответствующих белках. Белки, в свою очередь, катализируют множество химических реакций, включая и те, в ходе которых синтезируются новые молекулы ДНК, а генетическая информация, записанная в ДНК, используется для синтеза РНК и белков. Такая петля обратной связи лежит в основе процессов автокатализа и самовоспроизводства, что присуще всем живым организмам (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Жизнь как автокаталитический процесс. Полинуклеотиды (полимеры нуклеотидов) и белки (полимеры аминокислот) не только обеспечивают клетку информацией о последовательностях, но икаталитическимифункциями,которые—черезсложныйнаборхимическихреакций—обусловливают синтезещебольшегоколичестватакихжеполинуклеотидовибелков.

1.1.5.  Все клетки транслируют РНК в белок одинаковым способом

Трансляция генетической информации из четырехбуквенного алфавита полинуклеотидов в двадцатибуквенный алфавит белков — сложный процесс. В одних отношениях правила такой трансляции кажутся четкими и рациональными, но в других — до странности произвольными, при том что они (с незначительными исключениями) идентичны у всех живых существ. Эти произвольные черты, как думают, отражают аварийные ситуации в механизмах наследования, которые возникали на ранних этапах развития жизни и были закреплены в ходе эволюции, т. е. случайно приобретенные свойства самых ранних организмов, которые, передаваясь по наследству, столь глубоко внедрились в устройство всех клеток, что уже не могут быть изменены без нарушения всей организации клетки.

Информация, закодированная в последовательности молекулы информационной РНК (мРНК), считывается кластерами: по три нуклеотида за раз. Каждый триплет нуклеотидов, или кодон, определяет (кодирует) одну аминокислоту в соответствующем белке. Итак, в распоряжении клетки имеется 64 (4 × 4 × 4) возможных кодона и лишь 20 аминокислот, а это значит, что обязательно будут встречаться случаи, когда одной и той же аминокислоте соответствует несколько кодонов. Код считывается маленькими молекулами РНК, которые выделены в отдельный класс — транспортные РНК (тРНК). На одном конце молекул тРНК прикреплена определенная аминокислота, а на другом выставлена специфическая последовательность из трех нуклеотидов — антикодон — которая и обеспечивает

10 Часть 1. Введение в мир клетки

спаривание данной тРНК со специфическим кодоном или подгруппой кодонов

впоследовательности мРНК (рис. 1.9).

Впроцессе синтеза белка очередная молекула тРНК, нагруженная соответствующей аминокислотой, должна последовательно состыковаться с молекулой мРНК и через спаривание оснований сопоставить свой антикодон с очередным кодоном мРНК. После каждого такого сопоставления новая аминокислота должна присоединяться к наращиваемой белковой цепи, а молекула тРНК, освобожденная от своего бремени, должна быть «отпущена на волю». Весь этот комплекс процессов выполняется гигантской мультимолекулярной машиной — рибосомой, которая состоит из двух главных цепей РНК, называемых рибосомными РНК(рРНК), и более

чем из 50-ти различных белков. Эта эволюционно древняя молекулярная джаггернаутова колесница надвигается на конец молекулы мРНК, затем

прокатывается по ней, подминая под себя нагруженные своими ношами молекулы тРНК, и сшивает отобранные у них аминокислоты

друг с другом, оставляя после

себя колею новой белковой цепи

(рис. 1.10).

Рис. 1.9. Транспортная РНК. а) Молеку-

ла тРНК, специфичная к аминокислоте триптофану. К одному концу молекулы тРНК прикреплен триптофан, тогда как на другом конце выставлен триплет нуклеотидов CCA (антикодон), который узнает кодон триптофана в молекулах информационной РНК. б) Трехмерная структура специфичной к триптофану молекулы тРНК. Обратите внимание, что кодон и антикодон на виде а находятся, подобнодвумцепямвдвойнойспирали ДНК (см. рис. 1.2), в антипараллельной ориентации,такчтопоследовательность антикодона в тРНК считывается справа налево, в то время как последовательность кодона в мРНК считывается слева направо.

12 Часть 1. Введение в мир клетки

1.1.6.  Фрагмент генетической информации, соответствующий одному белку, представляет собой один ген

Молекулы ДНК, как правило, очень большие и содержат инструкции для синтеза тысяч белков. Индивидуальные сегменты полной последовательности ДНК транскрибируются в отдельные молекулы мРНК, причем каждый сегмент кодирует отдельный белок. Каждый такой сегмент ДНК представляет собой один ген. Однако не все так просто: молекулы РНК, транскрибированные с одного и того же сегмента ДНК, нередко могут обрабатываться не одним, а несколькими разными способами и давать начало целому набору альтернативных версий соответствующего белка; в особенности это относится к сложно устроенным клеткам, как например, клеткам растений и животных. Поэтому понятие «ген» в общем и целом звучит как сегмент последовательности ДНК, соответствующий одному белку или набору альтернативных вариантов одного белка.

Во всех клетках экспрессия отдельных генов подчинена регуляции: вместо того чтобы производить полный ассортимент возможных белков на полной скорости в течение всего времени своей жизни, клетка подбирает интенсивность транскрипции и трансляции различных генов независимо от других — согласно ислючительно своей потребности. Между сегментами, которые кодируют белки,

вкраплены отрезки регуляторной ДНК, и такие некодирующие области связываются со специальными молекулами белка, которые локально управляют скоростью транскрипции (рис.1.11). В геноме присутствуют также другие некодирующие ДНК, некоторые из них, например, служат как бы знаками пунктуации, определяющими, где информация для синтеза отдельного белка начинается, а где заканчивается.

Количество и организация регуляторной и других некодирующих ДНК варьируются в широких пределах — от одного класса организмов к другому, но основная стратегия их работы универсальна. Таким

Рис.1.11.Регуляцияэкспрессиигеновпутемсвязывания белков с регуляторными элементами ДНК.

а) Схема малой части генома бактерии Escherichia coli, содержащей гены (названные LacI, LacZ, LacY иLacA),кодирующиечетыреразличныхбелка.Между кодирующими белок сегментами ДНК (красные) расположенысегментырегуляторнойипрочейнекодирующейДНК(желтые).б)ЭлектронномикроскопическаяфотографияэтойжеобластиДНКсбелком (кодируетсягеномLacI),связаннымсрегуляторным сегментом; этот белок управляет скоростью транскрипциигеновLacZ, LacYиLacA.в)Зарисовкаструк- туры,показаннойнаснимкеб.(Снимокб—любезно предоставленJackGriffith.)

Глава 1. Клетки и геномы 13

образом, геном клетки, то есть совокупность генетической информации, заключенной в полной последовательности ее ДНК, предписывает не только природу белков клетки, но также время и место их синтеза.

1.1.7.  Жизнь нуждается в свободной энергии

Живая клетка — это динамичная химическая система, далекая от химического равновесия: она обладает большой внутренней свободной энергией; это означает, что если клетке позволить умереть, то при распаде в окружающую среду высвободится огромное количество энергии. Чтобы клетка смогла произвести на свет новую клетку по своему образу и подобию, она должна вобрать из окружающей среды свободную энергию, а также сырье, которые нужны ей для осуществления необходимых реакций синтеза. Потребление свободной энергии лежит в основе жизни: как только оно прекращается, клетка распадается согласно законам химического равновесия и умирает.

Генетическая информация также имеет фундаментальное значения для всего живого. Прослеживается ли здесь какая-либо связь? Ответ — да: свободная энергия требуется для распространения информации, и, действительно, между этими двумя величинами существует точное количественное соотношение. Чтобы определить один бит информации, то есть один раз сделать выбор типа да/нет между двумя равновероятными решениями, надо затратить определенное количество свободной энергии (измеряемой в джоулях), и эта величина зависит от температуры. Количественная оценка этой взаимосвязи включает сложные параметры причинно-следственных явлений из области статистической термодинамики и зависит от точного определения термина «свободная энергия» (обсуждается в главе 2). Основную идею, однако, нетрудно понять на интуитивном уровне.

Попробуем представить имеющиеся в клетке молекулы в виде роя обладающих тепловой энергией частиц, совершающих беспорядочные движения и соударяющихся друг с другом. Для того чтобы задать генетическую информацию – например,

вформе последовательности ДНК, — молекулы должны быть выхвачены из этой буйной толчеи, выстроены в особом порядке, предопределяемом уже имеющейся

враспоряжении клетки матрицей, и связаны воедино в упорядоченную структуру. Связи, что удерживают молекулы в надлежащих позициях на матрице и соединяют их между собой, должны быть достаточно сильны, чтобы противостоять разупорядочивающему действию теплового движения. Этот процесс протекает за счет потребления свободной энергии, благодаря чему образуются лишь необходимые связи и, образовавшись, остаются устойчивыми. В простейшем случае молекулы можно уподобить взведенным пружинным затворам, готовым защелкнуться и перейти

вболее устойчивое состояние с более низкой энергией, как только представится подходящий случай; когда молекулы «замыкаются» в единую упорядоченную структуру, запасенная в них энергия – их свободная энергия, – подобно энергии пружины в затворе, высвобождается и рассеивается в виде теплоты. Происходящие

вклетке химические процессы, которые лежат в основе передачи информации, гораздо сложнее, но подчиняются тому же основополагающему принципу: для создания порядка необходимо затратить свободную энергию.

Именно поэтому для точной и безошибочной репликации своей генетической информации и синтеза всех своих сложных молекул в соответствии с точными инструкциями клетка нуждается в свободной энергии, которая тем или иным образом должна поступать в нее из окружающей среды.

14 Часть 1. Введение в мир клетки

1.1.8.  Все клетки работают подобно биохимическим фабрикам, обрабатывающим одни и те же стандартные молекулярные компоновочные блоки

Поскольку все клетки синтезируют ДНК, РНК и белок и в каждом случае эти макромолекулы состоят из одного и того же набора субъединиц, все клетки должны обладать и управлять всей совокупностью этих маленьких молекул, к которым относятся простые сахара, нуклеотиды и аминокислоты, а также другие вещества, которые повсеместно требуются для их синтеза. Всем клеткам, например, необходим фосфорилированный нуклеотид аденозинтрифосфат (adenosine triphosphate; ATP) в роли стандартного блока для синтеза ДНК и РНК; кроме того, все клетки производят и потребляют эту молекулу в качестве носителя свободной энергии и фосфатных групп, нужных для осуществления многих других химических реакций.

Хотя все клетки функционируют как биохимические фабрики подобного в общих чертах типа, многие нюансы деятельности их малых молекул отличаются; и в данном случае гораздо труднее, чем для информационных макромолекул, указать особенности, которые являются безусловно универсальными. Некоторые организмы, например растения, нуждаются лишь в наиболее простых питательных веществах и используют энергию солнечного света, для того чтобы самостоятельно синтезировать из них почти все свои маленькие органические молекулы; другие организмы, вроде животных, питаются живыми существами и получают многие из необходимых им органических молекул в готовом виде. Позже мы возвратимся к этому пункту.

1.1.9.  Все клетки заключены в плазматическую мембрану, через которую проникают питательные вещества и выводятся отходы метаболизма

Однако существует по крайней мере еще одна особенность клеток, которая является универсальной: все они заключены в мембрану — плазматическую мембрану. Этот контейнер служит избирательным барьером, который позволяет клетке концентрировать питательные вещества, полученные из окружающей среды, и сохранять продукты, которые она синтезирует для собственных нужд, и в то же время выделять отходы своего метаболизма. Без плазматической мембраны клетка не могла бы сохранять свою целостность как согласованная химическая система.

Эта мембрана образована из набора молекул, обладающих простым физикохимическим свойством амфифильности, или амфипатичности, то есть состоящих из двух частей, одна из которых является гидрофобной («не любящей воду»), а другая — гидрофильной («любящей воду»). Когда такие молекулы помещают в воду, они спонтанно объединяются, выстраивая свои гидрофобные части так, чтобы они были в возможно более тесном контакте друг с другом (чтобы укрыть их от воды), при этом их гидрофильные части остаются выставленными наружу. Амфипатические молекулы соответствующей формы, например молекулы фосфолипидов, которые составляют бóльшую часть плазматической мембраны, спонтанно объединяются в воде и формируют двойной слой, или бислой, который ограничивает маленькие замкнутые пузырьки (рис. 1.12). Это явление можно продемонстрировать в пробирке: для этого просто достаточно смешать фосфолипиды с водой; при соответствующих условиях образуются маленькие пузырьки, водное содержимое которых изолировано от внешней среды.

Глава 1. Клетки и геномы 15

Рис. 1.12. Образование мембраны из амфипатических молекул фосфолипидов. Такие молекулы состоят из гидрофильной («любящей воду»), фосфатной группы — «головы» и гидрофобного («избегающеговоды»),углеводородногохвоста.Наповерхности раздела между маслом и водой они выстраиваютсяввидеодинарнойпленки,приэтом их головные группы смотрят в воду, а хвостовые — в масло. При погружении в воду такие молекулы агрегируютсобразованиемдвойногослоясводной полостьювнутри.

Хотя химические нюансы могут варьировать, гидрофобные хвосты преобладающих в мембранах молекул во всех клетках образованы углеводородными полимерами

(–CH2–CH2–CH2–), и их самопроизвольная сборка в двухслойный пузырек — всего лишь один из многих примеров важного общего принципа: клетки производят мо-

лекулы, химические свойства которых побуждают их самопроизвольно собираться в структуры (так называемая «самосборка»), в которых нуждается клетка.

Оболочка клетки не может быть абсолютно непроницаема. Если клетке надлежит расти и воспроизводиться, то она должна быть способна импортировать сырье и экспортировать отходы сквозь свою плазматическую мембрану. Поэтому во всех клетках имеются специализированные белки, внедренные в мембрану, которые осуществляют транспорт определенных молекул с одной ее стороны на другую (рис. 1.13). Некоторые из таких мембранных транспортных белков, подобно части белков, которые катализируют важнейшие реакции малых молекул внутри клетки, так хорошо сохранились

входе эволюции, что по ним можно распознать семейные сходства при сравнениях даже наиболее отдаленно родственных групп живых организмов.

Транспортные белки, находящиеся в мембране, в значительной степени определяют, какие молекулы входят в клетку, а каталитические белки внутри клетки определяют те реакции, которым эти молекулы подвергаются. Таким образом, прописывая набор белков, которые клетке надлежит производить, генетическая информация, записанная

впоследовательности ДНК, предписывает всю химию клетки; и не только ее химию, но также форму и поведение, поскольку последние тоже выстраиваются и управляются

восновном белками клетки.

1.1.10.  В живой клетке может быть меньше 500 генов

Основные принципы передачи биологической информации достаточно просты, но насколько тогда сложны реальные живые клетки? В частности, каковы их минимальные требования? Приблизительные ответы на эти вопросы мы можем получить, рассматривая вид, который имеет наименьший из известных геномов, — бактерию Mycoplasma genitalium (рис. 1.14). Этот организм живет как паразит в теле млекопитающих, и среда обитания обеспечивает его многими из необходимых ему малых молекул в готовом виде. Тем не менее ему все же приходится самому синтезировать все большие молекулы: ДНК, РНК и белки, востребованные для протекания основных

16 Часть 1. Введение в мир клетки

Рис. 1.13. Мембранные транспортные белки.

а) Структура молекулы бактериородопсина ар-

хеи (архебактерии) Halobacterium halobium. Этот транспортный белок использует энергию поглощенного света, чтобы перекачивать протоны (ионыH+)изклетки.Полипептиднаяцепьнесколько раз пронизывает мембрану туда и обратно; в нескольких областях она закручена в спиральную конформацию, и спиральные сегменты расположенытак,чтобыформироватьстенкиканала, черезкоторыйтранспортируютсяионы.б)Схема набора транспортных белков, обнаруженных вмембранебактерииThermotogamaritima.Цифрывкруглыхскобкахобозначаютчислоразличных мембранныхтранспортныхбелковкаждоготипа. Большинство белков в пределах каждого класса эволюционносвязаныдругсдругомисиханалогамиудругихвидов.

процессов наследования. Эта бактерия содержит лишь 477 генов в своем геноме из 580070 пар нуклеотидов (п. н.), соответствующих 145 018 байтам информации — приблизительно столько же места

занимает запись текста одной из глав этой книги. Конечно, клеточная биология может быть трудна для объяснения,

но не до такой же степени!

Минимальное число генов, необ-

ходимое для поддержания жизнеспо-

собности клетки в современных средах обитания, по всей вероятности, должно быть не менее 200–300. Хотя, как будет показано в следующем разделе, при сравнении

даже наиболее далеко разошедшихся ветвей древа жизни мы обнаружим, что все организмы содержат общий для всех базовый набор, состоящий всего лишь из 60 генов.

Заключение

Живые организмы воспроизводят себя в потомках, передавая им генети- ческую информацию. У всех видов живых организмов отдельная клетка пред- ставляет собой минимальную самовоспроизводящуюся единицу жизни и носитель для передачи генетической информации. Все клетки на нашей планете хранят свою генетическую информацию в одной и той же химической форме — в виде двухцепочечной молекулы ДНК. Клетка реплицирует содержащуюся в ней информацию путем разделения спаренных цепей ДНК и использования каждой из них в качестве матрицы в реакции полимеризации, в ходе которой синтези- руется новая цепь ДНК с комплементарной последовательностью нуклеотидов. Та же самая стратегия матричной полимеризации используется и для того, чтобы транскрибировать «порции» информации из ДНК в молекулы близкого по типу полимера — РНК. Эти молекулы, в свою очередь, направляют синтез