Генетика - Гуляев Г.В.
Скачать (прямая ссылка):
белков, поэтому один из главных вопросов наследственности заключается в выяснении того, как генетическая информация, записанная в химической структуре молекул ДНК, передается в процессе биосинтеза специфических белков, каким образом она претворяется во все вещественные и функциональные признаки и свойства, которыми определяются особенности последующих поколений клеток и организмов. Проблема взаимоотношения белков и нуклеиновых кислот — центральная в учении о наследственности.
Белки — биологические полимеры. Макромолекулы их состоят всего из 20 мономеров — аминокислот. Аминокислоты могут входить в молекулы белков в неодинаковых количествах, по-разному в них соединяться и чередоваться между собой и различно располагаться в пространстве. Таким образом, несмотря на огромное многообразие белков, они отличаются друг от друга в своей первичной структуре только порядком расположения аминокислот.
Двадцать аминокислот могут образовать 1024 комбинаций. Так как любые различия в признаках сводятся к различиям в белках, то ясно, что такое количество белков создает практически бесконечное разнообразие признаков и свойств организмов. Оно может обеспечить продление эволюции жизни на Земле не менее чем до 10 млрд. лет. Различие хотя бы в одной аминокислоте достаточно, чтобы изменить свойство белка, а следовательно, и признак организма. Например, замена в белковой молекуле гемоглобина, состоящей примерно из 600 аминокислот, одной электрически заряженной глутаминовой кислоты на электрически нейтральную аминокислоту валин ведет к тяжелому малокровию — болезни, получившей название серповидноклеточной анемии. Красные кровяные тельца (эритроциты) у таких больных приобретают форму полу-луний, теряют электрический заряд и не способны поэтому связывать молекулы кислорода. Дети, больные серповидноклеточной анемией, умирают в раннем возрасте. Подобные болезни, возникающие в результате мутаций, затрагивающих молекулярное строение белков, называются молекулярными болезнями.
Каким образом молекулярное строение ДНК определяет биосинтез различных белков? ДНК такой же биополимер, как и белок. Цепь ДНК также построена из чередующихся мономерных звеньев. Но если у белков их 20, то у ДНК — всего 4. Это известные нам нуклеотиды: А, Г, Ц, Т. Так как сахар и фосфорная кислота во всех нуклеотидах одинаковы, то различаются они только азотистыми основаниями. Поэтому различия между ДНК сводятся лишь к порядку размещения азотистых оснований. Их последовательность в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в молекуле белка.
Рис. 59. Формирование молекулы ц-РНК на ДНК-матрице.
Следовательно, формы и функции всех организмов, их индивидуальные и видимые различия определяются комбинацией четырех азотистых оснований молекулы ДНК. Последовательность расположения азотистых оснований в ДНК, определяющая размещение аминокислот в синтезируемом белке, называется генетическим кодом, или кодом наследственности.
Идея генетического кода допускает сравнение азотистых оснований, входящих в ДНК, с буквами алфавита. Возможна, следовательно, аналогия между запись'ю и передачей путем различного •сочетания букв любых слов и звуков и содержащихся в них сведений (информации) и определением, «записью» структуры и -функций белковых молекул посредством различного сочетания четырех азотистых оснований в молекуле ДНК. Именно в этом смысле говорят, что наследственная информация «записана» в молекулах ДНК.
Поскольку одна и та же наследственная информация «записана» в нуклеиновых кислотах четырьмя знаками (азотистыми основаниями), а в белках — двадцатью знаками (аминокислотами), проблема генетического кода сводится к установлению соответствия между ними. Работа по расшифровке генетического кода потребовала приложения усилий ученых различных специальностей: генетиков, физиков, химиков, математиков. Особенно большую роль в решении этой проблемы сыграли исследования физика Г. Гамова и генетика Ф. Крика — одного из авторов модели строения молекулы ДНК-
Для расшифровки генетического кода прежде всего необходимо было выяснить, какое минимальное число нуклеотидов может •определять (кодировать) образование одной аминокислоты. Если бы каждая из 20 аминокислот кодировалась одним основанием, то ДНК должна была бы иметь 20 различных оснований, фактически же их только четыре. Очевидно, сочетание двух нуклеотидов также недостаточно для кодирования 20 аминокислот. Оно может кодировать лишь 16 аминокислот (42 —16 сочетаний). Сочетание же трех нуклеотидов дает 64 комбинации (43 = 64 сочетания) и, следовательно, способно кодировать более чем достаточное число аминокислот для образования любых белков. Такое сочетание трех нуклеотидов называется триплетным кодом. В триплетном коде аминокислоты кодируются тройками оснований (например, УУУ, ЦГЦ, АЦА и т. д.). Участок цепи ДНК из трех нуклеотидов, определяющий включение в белковую молекулу строго определенной аминокислоты, называется кодоном.
После обоснования принципа генетического кода необходимо было экспериментальным путем установить, какие конкретные триплеты кодируют каждую из 20 аминокислот. Начало решению этой сложной задачи было положено в опытах американских биохимиков М. Ниреиберга и Дж. Маттеи. В 1961 г. на V Международном биохимическом конгрессе в Москве М. Ниреиберг доложил об открытии триплета, кодирующего синтез аминокислоты фенилаланина. Ниреиберг и Маттеи использовали в своих опытах самую
