Глава 10

БИОГЕНЕЗ КЛЕТОЧНЫХ СТРУКТУР И ОНТОГЕНЕЗ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

«То, что называют структурой, является медленным процессом большой продол­жительности: то, что называют функцией, есть быстрый процесс короткой продолжительности».

Л. Берталанфи

Вода и питательные вещества — сахароза, амиды, аминокис­лоты и другие органические соединения, минеральные катионы и анионы, поступающие в клетки из проводящих пучков, — ис­пользуются для синтеза веществ, из которых состоят сами клетки, т. е. белков, нуклеиновых кислот и других азотсодер­жащих соединений, Сахаров и полисахаридов, липидов, веществ вторичного метаболизма, таких, как витамины, фитогормоны, полифенолы, терпеноиды, алкалоиды и т. д.

В этих процессах первостепенную роль играют нуклеиновые кислоты, служащие для хранения и передачи информации, — и белки, структура которых кодируется нуклеиновыми кислота- ми. Белки составляют основу всей жизнедеятельности клетки, в том числе и биогенеза клеточных структур. Один из ос- новных принципов биогенеза клеточных структур — самосборка ''О-! надмолекулярных комплексов.

'■^■ияяинёмн^ин! Каждая клетка содержит два типа нуклеиновых кислот: де- Синтез зоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты

нуклеиновых (РНК). У эукариот ДНК локализована в ядре, где является ос-

кислот и белков новным компонентом хромосом. В митохондриях и хлоропла­стах содержатся кольцевые ДНК прокариотического типа. Все три типа РНК — мРНК, рРНК и тРНК — синтезируются на матрице ДНК {транскрипция), причем транскрипты с ядерной ДНК отличаются по коэффициентам седиментации от анало­гичных РНК, синтезированных в хлоропластах и митохон­дриях.

Синтез белков с участием всех форм РНК в составе поли­сом (трансляция) осуществляется как в цитоплазме, так и в хлоропластах и митохондриях. Коэффициенты седиментации (осаждения) рибосом цитоплазмы, митохондрий и хлоропла­стов равны соответственно 80S, 77 —78S и 70S.

В ДНК хранится информация о всех процессах, связанных с ростом, развитием и жизнедеятельностью организма, в виде сочетаний четырех нуклеотидов. Информация записывается вдоль цепи двойной спирали ДНК (триплетный код) в форме специфической для данного организма последовательности со­бранных в тройки азотистых оснований. Исходящая от ДНК информация кодирует аминокислотную последовательность синтезируемых белков. В свою очередь последовательность аминокислот в белке определяет специфичность структуры и функции белка. Но в белке информация записана в виде кода из 20 аминокислот. Перевод информации с кода ДНК на двад-цатибуквенный код белка осуществляется с помощью рибону­клеиновых кислот.

По сравнению с прокариотами геном эукариотических кле­ток имеет значительно более сложное строение, что обусловле­но огромным объемом информации, необходимой для разви­тия и функционирования многоклеточного организма, диффе­ренцированного на большое количество специализированных клеток, тканей и органов. В связи с этим в ходе эволюции воз­растает масса ДНК в хромосомах и усложняется система упра­вления и регуляции экспрессией генов.

Хромосомный аппарат эукариот характеризуется следую­щими особенностями.

1. В хроматине ядра ДНК связана с комплексами основных белков (гистонов) и негистоновыми белками, а также с неболь- шим количеством липидов и РНК. Двойная спираль ДНК и гистоны организованы в правильную периодическую структу- ру, состоящую из нуклеосом и участков молекулы ДНК между ними. Нуклеосомой называют комплекс, состоящий из восьми молекул гистоновых белков Н2А, Н2В, НЗ и Н4 (по 2 моле- кулы), на который «намотаны» петли ДНК из 140 — 200 пар ну- клеотидов. Диаметр нуклеосомы около 10 нм. Между нуклео- сомами локализованы участки ДНК из 30 — 50 пар нуклеотидов (длиной 10 — 20 нм), связанные с гистоном HI. Такая организа- ция ДНК в хроматине позволяет ее молекуле укладываться в петли и в более сложные структуры. В составе нуклеосомы

Hijtwouuwi, ДНК менее доступна для действия нуклеаз, которые легче рас-

щепляют межнуклеосомные участки молекулы. В развернутом состоянии петли активны (осуществляется синтез ДНК или РНК), в неактивном состоянии петли свернуты в компактные структуры.

Гены (цистроны), кодирующие функционально связанные белки, как правило, рассредоточены по разным участкам хро­мосом (за исключением гистоновых генов и генов рРНК), а не объединены в опероны, как у прокариот.

Большинство молекул РНК синтезируется в виде более высокомолекулярных предшественников (проРНК). После образования первичного транскрипта происходит его процес-синг (созревание), который, как будет показано ниже, включает в себя копирование (от англ. cap — шапочка) и метилирование, полиаденилирование, фрагментацию и сплайсинг (от англ. spli­cing — сращивание двух концов). Полупериод жизни большин­ства молекул мРНК эукариот составляет от 3 — 6 до 48 ч.

В ДНК эукариот помимо уникальных последовательно­стей нуклеотидов, встречающихся, как правило, один раз (большинство структурных генов, кодирующих мРНК), имеет­ся огромное количество повторяющихся последовательно­стей — повторов (см. рис. 2.3). Число повторов колеблется от десятков и сотен (среднечастотные повторы) до 10⁶ раз на ге-нрм (высокочастотные повторы). У высших растений доля уни­

кальных участков в геноме часто составляет всего 20 — 30%. Часть повторов необходима для синтеза рРНК и гистонов, но большинство повторов, по-видимому, необходимо для регуля­ции экспрессии генов. Большую часть генома занимают ин-троны — участки ДНК, включенные в состав структурных ге­нов, но не кодирующие их специфический продукт (в отличие от экзонов — участков ДНК, на которых синтезируется специ­фический транскрипт данного гена). В состав генов входят так­же спейсеры (от англ. spacer — прокладка), которые либо не считываются вообще, либо транскрибируются, но затем разру­шаются (см. рис. 2.2).

Структура ДНК. ДНК — высокомолекулярный полимер, со­стоящий из сочетаний четырех нуклеотидов. Нуклеотиды ДНК включают пуриновое (аденин, гуанин) и пиримидиновое (цито-зин, тимин) азотистые основания, сахар — дезоксирибозу и остатки фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух спирально закру­ченных полимерных цепей, в каждой из которых нуклеотиды ковалентно связаны через остатки фосфорной кислоты в 3' — 5'-положениях дезоксирибозы. Между собой две полинуклео-тидные цепи взаимодействуют водородными связями, возни­кающими между повернутыми внутрь спирали пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. При взаимодействии азо­тистых оснований аденин всегда взаимодействует с тимином, гуанин — с цитозином (5-метилцитозином). Таким образом, возможны четыре варианта пар оснований: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г. Это строго избирательное стерическое взаимодействие (комплементарностъ, или дополнительность) является важным принципом, лежащим в основе воспроизводства самой ДНК, ДНК-зависимых синтезов всех РНК и синтеза белков в клетке. В молекулах ДНК эукариот насчитывается 10⁹—10^й пар оснований.

Синтез ДНК. Синтез ДНК {репликация, т. е. копирование) в ядре происходит в определенный период митотического ци­кла (см. 10.3.1) в присутствии трифосфатов всех четырех дезок-синуклеотидов, ионов Mg²⁺, ДНК-затравки и ДНК-полиме-разы. Репликация ДНК осуществляется полуконсервативным способом, который заключается в том, что молекула ДНК удваивается путем репликации каждой из двух ее цепей. Поэтому каждая двойная спираль ДНК состоит из «старой» и «новой» полинуклеотидных цепей.

В процессе репликации двуспиральная структура ДНК ло­кально расплетается в нескольких местах одновременно. Из этих мест репликация идет в обоих направлениях до встречи реплицирующихся участков. Новая цепь синтезируется ДНК-полимеразой и на всех участках соблюдается полярность сбор­ки полимера: считка идет от З'-конца одной цепи к ее 5'-концу, а синтезируется комплементарная цепь в направлении 5' -* 3'. В процессе репликации ДНК взаимодействует комплекс факто­ров, включающий ДНК-полимеразу, факторы начала реплика­ции и компонент, ответственный за локальное расплетание двойной цепи ДНК (см. схему).

Схема

5' 3' 5' 3'

3' 5' 3' 5' 3' 5'

10.1.2