Министерство здравоохранения и социального развития Российской Федерации
Казанский государственный медицинский университет
Кафедра медицинской биологии и генетики
Основные свойства и функции наследственного материала. Генетический код и его свойства.
Казань, 2005
Рассматриваемые вопросы
Общие представления о матричном принципе передачи информации.
Основные свойства и функции наследственного материала..
Генетический код и его свойства
а. Триплетность.
б. Вырожденность или избыточность.
в. Однозначность.
г. Полярность.
д. Неперекрываемость.
е. Компактность.
ж. Универсальность.
1. Общие представления о матричном принципе передачи информации.
Первые представители живого на Земле скорее всего жили недолго – окружающая среда была достаточно агрессивной, а системы защиты ещё не были способны эффективно ей противостоять. Поэтому можно считать вполне закономерным формирование в эволюции механизмов направленных на длительное сохранение возникших в первичном океане органических веществ. Сейчас мы уже не узнаем, по каким конкретно путям осуществлялась конструкция механизмов обеспечивающих сохранение жизни на Земле. Скорее всего, в эволюции апробировались несколько вариантов. Часть из них были забракована, а некоторые сохранились и постоянно усовершенствуясь, сохранились до наших дней. К последним можно отнести механизмы в основе которых лежит создание некоторых органических молекул в соответствии с заранее намеченным планом. Это уже был не прежний способ формирования органических молекул за счёт случайнойвстречи активных соединений в благоприятных (а потому немногочисленных) местах Мирового океана.
Новый способ включал механизмы, которые по заранее намеченному планувоспроизводили информациюв структуруорганических молекул. При наличии определённых условий и инградиентов, этот процесс способен был в короткое время воспроизвестигромадное число полимеров. Имеются свидетельства, что самой первой воспроизводящей молекулой была РНК. Эта функция РНК сохранилась и до наших дней: короткие молекулы РНК могут синтезироваться на РНК-матрице в ходе чисто химических реакций, без участия каких либо ферментов. С появлением и совершенствованием полипептидов, способствующих репликации РНК, образовались примитивные белки, которые катализировали образование на РНК первых молекул ДНК. Эволюционное усовершенствование новых молекул привело к тому, что они по целому ряду физико-химических свойств оказались намного эффективней других молекул в сфере воспроизводства.
Не будем обсуждать вопрос, почему природа поскупилась на создание механизмов, обеспечивающих воспроизведение всех содержащихся в организме высокомолекулярных веществ – белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и т.д. Созданные механизмы были предназначены для воспроизведения всего 3 типов молекул – молекул ДНК, РНК и белков. Причём ДНК воспроизводила сама себя, РНК синтезировалась на ДНК и затем участвовала в синтезе белка.
В любом случае между нуклеиновыми кислотами и белками произошло своеобразное разделение функций. Нуклеиновые кислоты хранили и передавали информацию белкам, а белки осуществляли фенотипическое выражение этой информации (через реакции метаболизма). Принцип, по которому поток информации передаётся от ДНК через РНК на белок, имеет в биологии специальное название – «центральная догма биологии» (рис. 31).
В настоящее время центральная догма биологии претерпела существенные изменения. Исследования показали, что поток информации может осуществляться не только в направлении ДНК-РНК-белок, но и в других направлениях (см. рис. 31).
Например, при размножении вируса в клетке человека, на вирусной РНК с участием фермента обратной транскриптазы происходит синтез ДНК. О синтезе на РНК молекул других РНК мы уже писали выше.
Стоит упомянуть об открытых недавно белковых инфекционных частицах – прионах. Они вызывают такие заболевания как «коровье бешенство». Проникая в клетку прионы «навязывают» свою структуру нормальным клеточным белкам-аналогам. Последние приобретают свойства патогенна, что приводит к быстрому развитию заболевания. В этом случае информация передаётся от белка к белку, что также не предусмотрено центральной догмой.
Принцип сохранения жизни на Земле путём
самовоспроизведения оказался настолько
эффективным, что был закреплён практически
у всех живущих на земле организмов и
получил название – матричный. Появление
этого принципа, скорее всего, было
связано с двумя уникальными химическими
свойствами нуклеотидов, которые были
подтверждены в экспериментальных
условиях:
Репликация Транскрипция Трансляция
Р Н К
Обратная транскрипция
Не осуществляется
Репликация РНК
Рис. 31. Схема информационных потоков между ДНК, РНК и белками. Движение информации от белка к белку, от белка к ДНК и от белка к РНК не выявлено.
Одноцепочечный полинуклеотид Двухцепочечный полинуклеотид
Спонтанное
образование
Свободные нуклеотиды второй нити
Рис. 32. Спонтанная полимеризация нуклеотидов в одноцепочечный и двухцепочечный полинуклеотид.
Нуклеотиды в водном растворе спонтанно соединятся друг с другом в линейные полинуклеотидные цепочки.
Сформировавшаяся полинуклеотидная цепочка способна спонтанно формировать другую параллельную с ней дочернюю цепочку за счёт присоединения нуклеотидов из раствора (см. рис. 32 ).
Вышеперечисленные свойства нуклеотидов во многом определяются уникальной химической структурой и связями между составляющими элементами (см. раздел 1).
МЗ. Центральная догма биологии заключается в утверждении, что генетическая информация передаётся с молекулы ДНК на иРНК, а с неё на белки. Обратный процесс возможен только с РНК на ДНК и с РНК на РНК.