пей ДНК.

Бактериальная клетка Е. coli содержит одну крупную молекулу ДНК и несколько мелких. Крупная молекула ДНК состоит приблизительно из 4,5 млн. пар нуклеотидов 1. В молекуле такого размера может быть что-нибудь около 5000 генов.

Каждая хромосома клетки эукариот содержит одну молекулу ДНК. По размеру она может соответствовать молекуле Е. coli или превышать ее в 50 раз. В диплоидной клетке человека содержится 46 хромосом, а количество ДНК приблизительно в 1000 раз больше, чем у Е. coli. (Более детально этот вопрос обсуждается в гл 15.)

Выводы. Потомки одноклеточных и многоклеточных организмов похожи па своих родителей, т. е. наследуют, их признаки, благодаря тому, что палучают от родителей генетический материал. Гепетическим материалом является ДНК. Она представляет собой двухценочечный полимер, причем каждая цепь состоит из связанных в линейной последовательности нуклеотидов и обе цепи закру-чепы друг относительно друга в спираль. Самые короткие молекулы ДНК содержат приблизительно 3000 пар нуклеотидов, наиболее длинные — от 30 до 300 млн. Молекулу ДНК можно также рассматривать как набор неперекрывающихся локусов, содержащих от 500 до 6000 пар нуклеотидов. Каждый локус, или ген, отвечает за создание в живом организме определенного признака. На основании этих данных, а также данных о содержании ДНК рассчитано, что в бактериальной клетке может'быть до нескольких тысяч гепов, а в клетках растительных и животных организмов в 10— 1000 раз больше.

Гены и белки

В 30—50-х годах нашего века стало ясно, что оба высказанных ранее утверждения (о том, что признаки и функции клетки определяются, с одной, стороны, белками, из которых она состоит, с другой — ее геномом) справедливы для всех живых существ — от

^A,A,(pA,®@®iyi

Слово

Слово

Слово

Слово

Транслируются Тзшксинтетрующей системой в тетрапептыд:

метионин—аланин—серии—лейцин Рис. 2-9. Трансляция молекулы ДНК.

микроорганизмов до человека. Оказалось, что эти положения справедливы, потому что имеппо гены определяют, какие типы белков сможет создавать клетка.

Как гены определяют последовательность аминокислот: генетический код. На рис. 2-9 изображен участок цепи ДНК, содержащей 12 пар нуклеотидов. Предположим, что этот участок находится в начале гена. Задача белоксиптезирующей системы состоит в том, чтобы распознать указанную последовательность оснований 1 и транслировать ее в соответствующую последовательность аминокислот. Каждый триплет составляет слово, кодирующее вполне определенную аминокислоту. Так, например, изображенные па рис. 2-9 12 пар нуклеотидов соответствуют полипептиду, первыми четырьмя аминокислотами которого являются метиопип, аланин, серии и лейцин, расположенные имепно в таком порядке. Это означает, что последовательность оснований двухцепочечной ДНК содержит информацию, необходимую для трансляции определенного гена в определенный белок. Изменения в расположении пар оснований меняют последовательность аминокислот в белке. Таким образом, если в приведенном выше примере (рис. 2-9) в самом начале цени последовательность нуклеотидов была бы ипой, например

ill III

Г Т Л А Т Г

вместо

ЦАТ Т А Ц

Триплет для Триплет для

валина метионина

то первой аминокислотой в синтезированном нолипептиде был бы валин, а не метионин, поскольку считывание происходит только в одном панравлепии. Для белоксиптезирующей системы последовательность оснований ЦАТ столь же неравнозначна последовательности оснований ТАЦ, сколько такое обратное написание для нашего глаза или мозга.

1 Как будет показано в гл. 3, белоксинтезирующая система не прямо транслирует последовательность оснований ДНК в последовательность аминокислот, а осуществляет это с помощью информационной РНК (мРНК), копируемой непосредственно на молекуле ДНК.

Выводы. ДНК клетки состоит из неперекрывающихся локусов, или генов. Информация, которую несет ген, заключена в последовательности пар нуклеотидов. Каждый триплет образует кодирующее слово, соответствующее определенной аминокислоте, и белок-сиптезирующая система считывает и транслирует информацию постепенно, слово за словом, присоединяя определенную аминокислоту к растущей полипептидной цепи в соответствии с порядком расположения кодирующих слов. По такому способу тысячи генов клетки определяют синтез соответствующего числа разнообразных белков, и, таким образом, структурные и биохимические особенности клетки.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Lehninger A. L., Biochemistry, Baltimore, Worth Publishing, Inc., J970, 1971. (А Ленипджер, Биохимия, изд-во «Мир», М., 1974).

Stent G., Molecular Genetics, San Francisco, W. И. Freeman and Co., 1971. (Г. Стеыт, Молекулярная генетика, изд-во «Мир», М., 1974.)

WATSON J. D., Molecular Biology of the Gene, 2nd ed., New York, W. A. Benjamin, 1970. (Имеется перевод 1-го изд. Дж. Уотсоп, Молекулярная биология гена, изд-во «Мир», М., 1967.)

Глава 3

КАК СИНТЕЗИРУЮТСЯ БЕЛКИ. ЕЩЕ ОДИН ОБЗОР

Цель этой главы — кратко описать механизм синтеза белка, т. е. те процессы метаболизма, которые обеспечивают трансляцию последовательности оснований ДНК в соответствующие аминокислотные последовательности белков.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — основной компонент белоксиптезирующей системы

Как и ДНК, РНК представляет собой длинный полимер, состоящий из нуклеотидов, соединенных в линейную цепочку. В отличие от ДНК молекула РНК является одноцепочечной 1.

Нуклеотиды в молекуле РНК содержат сахар рибозу вместо де-зоксирибозы. Из азотистых оснований молекулы РНК три — адеОН

о

f онч

Рибоза вместо дезоксирибозы

н

нс-он

ч

?с

он

н

нс-он

?с

он

HN

о

II

С \

II

УРАЦИЛ ВМЕСТО ПРМИНА

о

""*\ II

1 ....^сч

с \н J

II

HN I

Н

Аденин

<ат

Рибоза

Фоар!

Четыре нуклеотида* Шанин

Рибоза

Фосфат

Уродил

Рибоза I

Чросрат

г ц

Рис. 3-1. Состав РНК.

Упрощено. В некоторых типах РНК очень небольшая часть оснований слегка модифицирована избыточными метальными группами. Такие основания следует рассматривать как другие нуклеотиды.

ннп, гуапип и цитозип — представлены также в ДНК, а четвертое — урацил не входит в состав ДНК. Одпако урацил сходен с тпмином и, как мы увидим в дальнейшем, функционально ему эк-нивалентен. Эти основания могут располагаться в любой последовательности и многократно повторяться вдоль цепи РНК (рис. 3-1).

Информационная, или матричная, РНК (мРНК) — промежуточное звено между генами и белками

Все клетки содержат фермент, называемый РНК-полимеразой. Двигаясь вдоль молекулы ДНК, этот белок обеспечивает объединение нуклеотидов в цепь РНК. Схематически процесс синтеза РНК изображен на рис. 3-2. На рисунке показаны три молекулы РНКРНК

л.

Ч >

1 ^

Рис. 3-2. Транскрипция РНК с ДНК.

Верхняя стрелка указывает место прикрепления молекул полимеразы, нижние — направление их перемещения.

полимеразы. Каждая связывается с ДНК в одной и той же стартовой точке. Молекула Ш, стартовавшая первой, прошла, как видно из рисунка, наибольшее расстояние, и к моменту, изображенному на рисунке, синтезировала наиболее длинную молекулу РНК. Пз, стартовавшая последней, прошла лишь небольшое расстояние; в этом случае синтезирована самая короткая молекула РНК.

В молекуле РНК, синтезированной с помощью РНК-полимера-зы, последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований является точной копией их последовательности в той цепи ДНК, вдоль которой двигался фермент, и синтезированная молекула РНК комплемептарна другой цепи ДНК. (Тимин матричной молекулы ДНК замещен на урацил во вновь синтезированной молекуле РНК.) Как РНК-полимераза решает, какую из цепей.ДНК она должна копировать, до сих пор неизвестно.

Процесс копирования назван транскрипцией. Поэтому принято говорить, что ДНК транскрибируется в информационную РНК. Бе-локсинтезирующая система способна считывать последовательности оснований мРНК. Как уже говорилось (см. гл. 2, а также рис, 3-3), каждый триплет оснований кодирует определенную ами• 1 i

f + t т

ЛУГ гцц щу ууг

для для dim для

лшишиж—сшшит—сериш—лейимна

Белок

Рис. 3-3. Трансляция ипформациопной РНК.

покислоту. Таким образом, молекула мРНК содержит информацию для образования одного и только одного типа белковой молекулы.

В живой клетке транскрипция никогда не начинается и не заканчивается в любом месте ДНК-матрицы. Молекулы РНК-поли-мераз узнают специфические стартовые точки и присоединяются к ним; они узнают и специфические конечные точки и в этих участках высвобождаются. Можно думать, что стартовые точки соответШ~1 Тёк 2

Хромосома.

о

1'

мРНК1

MPHKZ

ОЛАЛЛ/Ъ

УЧЛЛЛЛ, АМЛЛ

Белок 1 Белок 2

Рис. 3-4. Механизм выражепия гепа.

1 Единица молекулярного веса пазвана дальтопом в честь зпамепитого химика Дж. Дальтопа. Один моль содержит 6-1023 молекул. Если одип моль вещества весит 1 г, то масса одной молекулы будет равпа 1/6-1023, что составит 0,17-10~23 г. По определению 0,17-10-23 г и есть 1 дальтоп. В разобрап-пом выше примере масса одной белковой молекулы равна 50 000 дальтоп. Это значит, что масса одного моля этих молекул будет составлять 50000 г.

ствуют началу генов, а точки остановки — их концам. Транскрибируемые таким способом молекулы мРНК могут обеспечить синтез завершенных, функционально полноценных полипептидов (рис. 3-4). Размеры молекул мРНК можно вычислить, зная размеры тех белковых молекул, которые они кодируют. Молекула РНК, кодирующая белок среднего размера с .молекулярным весом около 50 ООО дальтон \ состоящий приблизительно из 400 аминокислот, должна содержать по крайней мере 1200 нуклеотидов (по 3 для каждой аминокислоты), и ее молекулярный вес должен быть около 500 000.

Молекулы транспортных РНК (тРНК) обеспечивают трансляцию информации

Все клетки содержат особый класс молекул РНК — транспортные РНК (тРНК). Они способны узнавать порядок оснований в молекуле мРНК и переносят аминокислоты к месту синтеза белка в соответствии с последовательностью триплетов.

Q Q Q Q Q Q Q

С"~7 мРНК

Кодон

Рис. 3-5. Аланиновая -тРНК дрожжей.

кое-то время присоединяется к перво