3.4. Механизм биологической наследственности

Безусловно, выдающимся успехом в познании структуры клетки и живой материи вообще стало открытие в 1953 г. английским биофизиком Френсисом Криком и американским биохимиком Джеймсом Уотсоном структуры носителей наследственности.

Было известно, что в составе клетки (в ее центральной области – ядре) имеются так называемые нуклеиновые кислоты. В их состав входят простые углеводы (моносахариды) двух видов: дезоксирибоза и рибоза. Соответствующие кислоты стали называть дезоксирибонуклеиновыми и рибонуклеиновыми, или, сокращенно, ДНК и РНК. Сегодня эти аббревиатуры знает практически каждый, кто учился хотя бы в средней школе.

Дж. Уотсон и Ф. Крик выдвинули, а затем экспериментально подтвердили гипотезу относительно строения молекулы ДНК как носителя наследственной информации и построили ее модель – знаменитую двойную спираль.

Здесь следует вернуться несколько назад, к тому времени, когда в 1865 г. Г. Мендель установил, что наследственная информация передается дискретными порциями, названными впоследствии генами. Ген, этот своеобразный квант наследственности, рассматривался как единица наследственного материала, ответственная за формирование того или иного элементарного признака. Но вот что представляет собой ген как материальное образование стало ясно только с выяснением роли ДНК в механизме наследственности.

Установлено вполне достоверно, что генам соответствуют отдельные участки молекул ДНК, точнее, единицей генетического кода является тройка рядом расположенных нуклеотидов (фосфорных соединений, входящих в состав ДНК). Эти тройки, или триплеты, называемые кодонами, в совокупности составляют генетический код, определяющий порядок расположения 20 различных аминокислот в том или ином полипептиде (белке).

Молекула ДНК состоит из сахара (дезоксирибозы), фосфорной кислоты и двух цепочек комплементарно спаренных нуклеотидов (аденина, цитозина, гуанина и тимина), закрученных одна вокруг другой в спираль. Аденин (А) одной цепочки (нити) ДНК всегда взаимодействует с тимином (Т), а гуанин (G) – с цитозином (С) другой. Эти пары и называются комплементарными. Поскольку кодирование обеспечивается четырьмя основаниями (по три в кодоне), всего может быть 64 триплета. Кодоны расположены в линейной последовательности, т. е. друг за другом. Как правило, каждый из кодонов содержит информацию, необходимую для синтеза определенной аминокислоты. Контролируя образование белков, гены управляют соответствующими химическими реакциями в организме.

Передача генетического кода в клетке происходит в два этапа. Первый из них (так называемая транскрипция) происходит в ядре и состоит в синтезе молекул информационной (матричной) РНК из свободных рибонуклеотидов на соответствующих участках молекул ДНК. Исключительно важная роль при этом отведена определенным ферментам, которые обеспечивают расщепление двойной спирали ДНК, синтез РНК и восстановление ДНК. В результате содержащая генетический код последовательность нуклеотидов ДНК дублируется в виде соответствующей последовательности нуклеотидов информационной (матричной) РНК. Молекула РНК отличается от ДНК по одному нуклеотидному основанию – место тимина в ней занимает урацил (U), комплементарный к аденину.

Второй этап (трансляция) протекает в особых клеточных частицах – рибосомах, функция которых состоит в синтезе белков. Записанная на информационной РНК последовательность кодонов (троек нуклеотидов) переводится в последовательность аминокислот, из которых синтезируется белок.

После транскрипции молекула ДНК, спаривая расщепленные основания, сохраняет наследственную информацию и остается в ядре клетки, а матричная РНК, «переписав» хранимую в ДНК информацию, покидает ядро и переносит ее в рибосомы, где при посредничестве специфической транспортной РНК происходит синтез белков (полипептидов). В каждой клетке имеется 20 разновидностей транспортной РНК, каждая из которых содержит один триплет (называемый антикодоном) и транспортирует определенную аминокислоту. За счет комплементарного спаривания каждого антикодона с соответствующим кодоном матричной РНК аминокислоты выстраиваются в полипептидную цепочку, которая затем ферментативно отделяется от РНК и поступает в цитоплазму совместно с другими полипептидами или самостоятельно. возникший полипептид функционирует в качестве структурного или ферментативного белка, принимая участие в процессах обмена веществ.

Важнейшая особенность функционирования генетического аппарата была открыта французскими микробиологами Франсуа Жакобом, Жаком Моно и Андре Львовым, которые установили, что по своим функциям все гены разделены на регуляторные, кодирующие структуру наследственности, и структурные, кодирующие синтез продуктов обмена веществ (метаболитов). За счет этого обеспечивается выполнение организмами их важнейших функций: воспроизводства и обмена веществ с окружающей средой. И всё это происходит на уровне клетки.