Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
БХ учебник Николаев.pdf
Скачиваний:
573
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
15.53 Mб
Скачать

ва 4

БИОСИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ И БЕЛКОВ (МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ)

Первичную структуру важнейших биополимеров — белков и нуклеиновых кислот — можно сравнить с буквенной записью: и в том и в другом случае имеется не произ­ вольное, а строго определенное, «имеющее смысл» чередование элементов — мо­ номеров или букв. На этом основании нуклеиновые кислоты и белки называют информационными молекулами. Чтобы получить такие молекулы, недостаточно смешать мономеры и обеспечить условия образования пептидной или фосфодиэфирной связи: необходима еще программа, определяющая последовательность присоединения разных мономеров к растущей цепи полимера. При биосинтезе новых молекул нуклеиновых кислот и белков носителями такой программы явля­ ются нуклеиновые кислоты; в этой роли их называют матрицами. Матрица в ходе матричного синтеза не расходуется и может использоваться многократно; в этом отношении она сходна с катализатором.

Различают три основных типа матричных биосинтезов (рис. 4.1):

1)биосинтез ДНК (репликация ДНК) с использованием в качестве матрицы уже существующих молекул ДНК;

2)биосинтез РНК на матрице ДНК (транскрипция);

3)биосинтез белков с использованием мРНК в качестве матрицы (трансляция).

Возможен также биосинтез ДНК на матрице РНК (обратная транскрипция) и синтез РНК на матрице РНК (репликация РНК) (см. раздел «Особенности репли­ кации вирусного генома»).

 

 

ДНК

 

 

/

дНТФ

*■

Днк

 

 

 

 

т т т т т т т т т

 

2

 

НТФ

 

РНК

 

 

аминокислоты

т т т т т т т т т

 

 

белки

Рис. 4.1. Матричные биосинтезы:

1 — репликация; 2 — транскрипция; 3 — трансляция; дНТФ — дезоксирибонуклеозидтрифосфаты; НТФ — рибонуклеозидтрифосфаты

1 1 8 Часть I. Строение информационных молекул и матричные биосинтезы

БИОСИНТЕЗ ДНК (РЕПЛИКАЦИЯ) ДНК и наследственность

История изучения строения, биосинтеза и функций ДНК связана с возникновени­ ем и решением общебиологической проблемы наследственности.

На рубеже XIX и XX вв. генетические и цитологические исследования при­ вели к выводу, что ответственными за передачу признаков по наследству явля­ ются хромосомы. При этом можно выделить некоторый наследственный при­ знак, который передается с определенным участком хромосомы — геном. Всему набору признаков организма соответствует набор генов всех хромосом — гено­ тип. Объяснение механизма передачи признаков включало представление о са­ мовоспроизведении (репликации) генотипа; в результате самовоспроизведения генотип клетки удваивается, и при последующем делении дочерние клетки полу­ чают по полному набору генов. Это представление обосновывалось картиной удвоения и расхождения хромосом в процессе митоза.

Поскольку хромосомы содержат белок и ДНК, возник вопрос, какое из этих веществ участвует в передаче наследственных признаков. В 40-50-е годы XX в. появилось много экспериментальных указаний на то, что передача наследствен­ ной информации осуществляется молекулами ДНК. Одним из наглядных доказа­ тельств этого послужило изучение размножения бактериофагов — вирусов, па­ разитирующих на бактериях. Бактериофаг Т4, размножающийся в клетках ки­ шечной палочки, состоит из ДНК и белковой оболочки с довольно сложной морфологией (рис. 4.2). Фаг имеет головку икосаэдрической формы, в которой тесно упакована одна молекула ДНК, и полый цилиндрический хвост, от конца которого отходят шесть тонких нитей. Хвост имеет двойные стенки и представ­ ляет собой как бы трубку, вставленную в трубку большего диаметра.

Рис. 4.2. Строение бактериофага Т4 (а) и электронная микрофотография фагов, прикрепленных к стенке Е. coli (б)

Глава 4. Биосинтез нуклеиновых кислот и белков (матричные биосинтезы)

1 1 9

Процесс заражения бактерии фагом представляет собой сложную последова­ тельность молекулярных событий. Фаг присоединяется к ее поверхности с помо­ щью хвостовых нитей, и конец хвоста фиксируется на оболочке бактерии. При­ крепление фага к бактерии основано на комплементарном взаимодействии бел­ ков хвостовых нитей и конца хвоста с веществами бактериальной стенки. Затем наружная трубка хвоста сокращается, внутренняя трубка проникает через оболоч­ ку бактерии, и через нее из головки внутрь бактерии «впрыскивается» ДНК фага, тогда как белковая оболочка фага остается на поверхности. Через некоторое вре­ мя, измеряемое десятками минут, в бактерии обнаруживается уже несколько сот фаговых частиц, имеющих и белковую оболочку, и ДНК внутри нее. Из этого сле­ дует, что вся информация о структуре фага содержится в его ДНК.

Такого рода работами завершилась линия исследований, посвященных выяс­ нению материальной основы наследственности; начало этой линии восходит к первым наблюдениям и осознанию явления наследственности, роль которой ста­ ла вполне ясной после появления теории биологической эволюции.

Механизм репликации

После установления химической природы наследственного материала проблема самовоспроизведения (репликации) хромосом, а точнее —генотипа превратилась в проблему репликации ДНК. Первостепенное значение для решения этой про­ блемы имела разработка модели строения ДНК Ф. Криком и Дж. Уотсоном в 1953 г. Структура двойной спирали позволяла представить простой механизм реплика­ ции ДНК: двойная спираль сначала раскручивается, цепи расходятся, а затем каж­ дая одноцепочечная половина молекулы ДНК достраивается до целой, двухцепо­ чечной молекулы:

G— С— С— А— T— А —►

G— С—С— А—T— А

 

: : : : : :

G - С— С— А— Т— А

С—G - G - Т— A—T

С— G— G— Т— A—T

G - C - C - A - - T - А

^ С— G - G— Т— A—T —►

С—G - G - ’Г— A— T

Последовательность нуклеотидов вновь синтезирующихся цепей определяет­ ся правилом комплементарности оснований и последовательностью нуклеотидов имеющейся цепи. Иначе говоря, имеющиеся нуклеотидные цепи служат матрицей для синтеза новых цепей; в результате получаются две двухцепочечные молекулы ДНК, идентичные исходной молекуле.

Такой способ репликации получил название полуконсервативного (в принци­ пе возможен и другой механизм — консервативный, при котором вновь синтези­ руемая нуклеотидная цепь образуется прямо на двойной спирали ДНК, без ее рас­ кручивания). Полуконсервативный механизм репликации ДНК нашел подтверж­ дение в экспериментах с клетками кишечной палочки. Культуру Е. coli на протяжении нескольких поколений выращ ивали на среде, содержащей в каче­ стве единственного источника азота 15NH4Cl. После этого все вещества кле­ ток Е. coli, в которые входит азот, содержали не обычный изотоп азота 14N, а

120

Часть I. Строение информационных молекул и матричные биосинтезы

тяжелый 15N. ДНК с 15N имеет большую плотность, чем ДНК с 14N, и это можно обнаружить методом центрифугирования (рис. 4.3). Если культуру, содержащую 15№ДНК, пересеять на среду с немеченым азотом (14NH4Cl), то ДНК клеток пер­ вого поколения имеет плотность, промежуточную между плотностями 15№ДНК и 14№ДНК; в клетках второго поколения обнаруживается два типа ДНК: с про­ межуточной плотностью и легкая (14№ ДНК). Эти результаты легко объясня­ ются, если исходить из полуконсервативного механизма репликации ДНК (см. рис. 4.3). Позднее было установлено, что в клетках эукариот репликация ДНК происходит также полуконсервативным способом.

О

0

0

Рис. 4.3. Эксперимент, доказывающий полуконсер-

вативный механизм репликации ДНК. Заштрихован­

ные зоны в пробирках указывают положение ДНК

после центрифугирования:

 

 

 

а и б — ДНК из клеток Е. coli, выращенных на среде с 14NH4CI

 

 

 

(а) и 15NH4CI (б); в и г — ДНК из клеток первого (в) и второго

 

 

_ _

(г) поколений после пересева со среды с 15NH4CI на среду с

 

 

N 4

14NH4CI. Внизу — схема, объясняющая результаты центри­

 

 

 

фугирования. Каждая пара горизонтальных линий изобра­

жает двухцепочечную ДНК: тонкая линия — легкая нуклео­ тидная цепь, толстая — тяжелая цепь (содержащая 15N)

ДНК-полимераза

Синтез новых полинуклеотидных цепей при репликации катализирует фермент ДНК-полимераза. Реакцию удается осуществить и изучать in vitro, используя фер­ менты, выделенные из организма. Ее можно представить такой схемой:

т (дАТФ + дТТФ) + п (дГТФ + дЦТФ)

ДНК матрица

-----------► ДНК + (т + п) H4P2O7

 

затравка

Отметим важнейшие особенности реакции.

1.Субстратами служат трифосфаты дезоксирибонуклеозидов. В ходе реакции от каждого из них отщепляется пирофосфатный остаток; таким образом, включение каждого мономера в молекулу ДНК требует расхода энергии высокоэнергетических связей.

2.Реакция идет только в присутствии уже готовой ДНК, выполняющей роль матрицы. Все вновь синтезируемые молекулы ДНК имеют первичную струк­ туру, идентичную первичной структуре ДНК-матрицы.

3.Поскольку в молекуле ДНК нуклеотидные остатки образуют пары А—T и G—С, в реакции расходуются одинаковые количества дАТФ и дТТФ (стехи­ ометрический коэффициент т) и одинаковые количества дГТФ и дЦТФ (стехиометрический коэффициент п).

ДНК-полимераза не способна начинать синтез новой цепи с ее первого нукле­ отида; она может лишь удлинять уже имеющуюся цепь, присоединяя к ее З'-концу новые нуклеотиды. Поэтому для начала реакции требуется затравка (праймер; рис. 4.4).

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.