ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА - ТОМ 1. ОСНОВЫ БИОХИМИИ СТРОЕНИЕ И КАТАЛИЗ - 2011

1. ОСНОВЫ БИОХИМИИ

1.4. Генетические основы биохимии

Возможно, самым замечательным свойством живых клеток и организмов является их способность воспроизводить себе подобных в бесчисленных поколениях с почти идеальной точностью. Эта непрерывность передачи наследственных черт на протяжении миллионов лет предполагает постоянство структуры молекул, несущих генетическую информацию. Лишь немногие следы цивилизации, даже выгравированные на меди или вырезанные в камне (рис. 1-29), пережили более тысячи лет. Однако существуют доказательства того, что генетические инструкции, заложенные в живых организмах, остаются практически неизменными на протяжении несравнимо более длительною периода. Многие бактерии имеют ту же форму размер и внутреннюю структуру и содержат те же виды простых молекул и ферментов, что и бактерии, жившие около четырех миллиардов лет назад. Эта общность структуры и состава — результат общности структуры генетического материала.

Рис. 1-29. Два древних манускрипта, а) Призма Сеннахериба, датированная VII в. до н. э. На призме на ассирийском языке изложены некоторые исторические события, происходившие во времена правления царя Сеннахериба. Призма содержит около 20 000 знаков, имеет вес около 50 кг и сохранилась почти в неизменном виде на протяжении 2700 лет. б) Единственная молекула ДНК бактерии Е. соИ, вытекшая из поврежденной клетки. Молекула ДНК по размерам в сотни раз превосходит саму клетку и содержит всю необходимую информацию, определяющую особенности клеточной структуры и функций. Бактериальная ДНК содержит около 4,6 млн знаков (нуклеотидов), весит менее 10^-10 г и почти не подверглась изменениям за несколько миллионов лет. (Желтые пятна и черные точки на данной окрашенной электронной микрофотографии являются артефактами приготовления образца.)

К важнейшим открытиям в биологии XX в. относится установление химической природы и трехмерной структуры генетического вещества — дезоксирибонуклеиновой кислоты, ДНК. Последовательность мономерных звеньев (нуклеотидов или, точнее говоря, дезоксирибонуклеотидов) в этом линейном полимере кодирует инструкции, необходимые для синтеза всех других компонентов клетки, и является матрицей для создания таких же молекул ДНК, передаваемых потомству при делении клетки. Непрерывность существования биологического вида требует сохранения его генетической информации в устойчивой форме, точной экспрессии и воспроизведения с минимальным количеством ошибок. Эффективное хранение, экспрессия и воспроизведение генетической информации определяют индивидуальность вила, его отличия от других и обеспечивают существование вида в последующих поколениях.

Генетическая наследственность заключена в молекулах ДНК

ДНК представляет собой длинную тонкую молекулу органического полимера. Это одна из редких молекул, которая в одном измерении (в ширину) имеет атомные размеры, а в другом измеряется по привычной человеку шкале (длина молекулы ДНК может достигать нескольких сантиметров). Человеческий сперматозоид или яйцеклетка, несущие наследственную информацию, накопленную за миллиарды лет эволюции, передают ее в виде молекул ДНК, в которых генетическая информация закодирована в линейной последовательности ковалентно связанных нуклеотидных звеньев.

Обычно, когда мы описываем свойства химических веществ, мы имеем в виду усредненные характеристики огромного числа идентичных молекул. Трудно предсказать поведение одной- единственной молекулы из набора молекул, скажем, содержащего 1 пмоль вещества (≈ 6 • 10¹¹ молекул), зато усредненные характеристики вполне предсказуемы, поскольку при усреднении оперируют с большим числом молекул. Исключением является клеточная ДНК. Весь генетический материал E. coli заключен в одной-единственной молекуле ДНК, содержащей 4,64 млн нуклеотидов. Если клетка Е. coli должна дать идентичное потомство путем клеточного деления, то эта единственная молекула ДНК обязана воспроизвести себя с точностью до мельчайших деталей, здесь нет возможности для усреднений! Все вышесказанное справедливо для всех типов клеток. Человеческий сперматозоид приносит в оплодотворяемую им яйцеклетку всего лишь по одной молекуле ДНК в каждой из 23 различных хромосом, которые комбинируются лишь с одной молекулой ДНК в каждой соответствующей хромосоме яйцеклетки. Результат этого соединения абсолютно предсказуем — образуется зародыш со всеми его ≈25 000 генов, состоящих из 3 млрд нуклеотидов. Поразительный химический феномен!

■ Пример 1-1. Точность репликации ДНК

Какое количество раз на сегодняшний день реплицировалась ДНК бактерии Е. coli, если самая первая клетка этого вида появилась 3,5 млрд лет назад? Для простоты примите, что на протяжении этого времени деление клетки Е. coli происходило один раз каждые 12 часов (это слишком большое время для современных бактерий, но, возможно, слишком малое для их древних предшественников).

Решение.

(1 деление/12 ч) (24 ч/сут.) (365 сут./год) (3,5 • 10⁹ лет) = 2,6 • 10¹² поколений.

На одной странице данной книги содержится почти 5000 знаков, следовательно, во всей книге их около 5 млн. Хромосома Е. coli также содержит около 5 млн знаков (пар оснований). Допустим, что вы переписываете эту книгу от руки, а затем вашу копию переписывает ваш одногруппник, затем его копию переписывает третий одногруппник и т. д. Насколько сильно каждая дальнейшая копия будет отличаться от оригинала? А теперь представьте себе учебник, который получился бы при переписывании книги 10¹² раз!

Структура ДНК позволяет осуществлять репликацию и репарацию с почти абсолютной точностью

Способность живых клеток сохранять свой генетический материал и удваивать его для передачи следующему поколению является результатом комплементарности двух цепей, составляющих молекулу ДНК (рис. 1-30). Основная единица ДНК представляет собой линейный полимер, построенный из четырех различных мономерных звеньев дезоксирибонуклеотидов, организованных в строго определенной линейной последовательности. Именно в этой линейной последовательности закодирована генетическая информация. Две такие полимерные нити обвивают друг друга, образуя двойную спираль ДНК, в которой каждый дезоксирибонуклеотид одной нити образует специфическую пару с комплементарным дезоксирибонуклеотидом из другой нити. Перед тем как клетка начинает делиться, две нити ДНК расходятся, и каждая служит матрицей для синтеза новой комплементарной нити, в результате чего образуются две идентичные двуспиральные молекулы — по одной для каждой из двух дочерних клеток. Если одна нить повреждена, неизменность генетической информации обеспечивается наличием второй нити, служащей матрицей для репарации (восстановления) повреждения.

Рис. 1-30. Комплементарность двух цепей ДНК. ДНК — линейный полимер из соединенных ковалентной связью дезоксирибонуклеотидов четырех типов: дезоксиаденилата (А), дезоксигуанилата (G), дезоксицитидилата (С) и дезокситимидплата (Т). Каждый нуклеотид имеет специфическую трехмерную структуру и способен специфически (нековалентно) связываться с одним нуклеотидом в комплементарной цепи: А всегда образует пару с Т, а G образует пару с С. Таким образом, в двухцепочечной молекуле ДНК полная последовательность нуклеотидов одной цепи комплементарна последовательности другой цепи. Две цепи (или нити) удерживаются вместе водородными связями (показаны вертикальными светло-синими черточками), образованными между всеми парами нуклеотидов. Кроме того, две цепи ДНК обвивают одна другую, образуя двойную спираль. При репликации (удвоении) ДНК две нити (синие) расходятся и синтезируются две новые (красные), каждая из которых комплементарна одной из исходных нитей. В результате образуются две двуспиральные молекулы ДНК, идентичные исходной молекуле.

Линейная последовательность ДНК кодирует белки с трехмерной структурой

Информация в ДНК закодирована в виде линейной (одномерной) последовательности дезоксирибонуклеотидных звеньев, однако экспрессия этой информации приводит к образованию трехмерных клеточных структур. Этот переход от одного к трем измерениям происходит в два этапа. Линейная последовательность дезоксирибонуклеотидов в ДНК кодирует (через промежуточную стадию образования РНК) белок с соответствующей линейной последовательностью аминокислот (рис. 1-31). Белок принимает определенную трехмерную форму, которая определяется его аминокислотной последовательностью и стабилизируется в первую очередь нековалентными взаимодействиями. Хотя окончательная форма свернутого белка диктуется его аминокислотной последовательностью, для процесса сборки (фолдинга) необходима помощь «молекулярных шаперонов» (см. рис. 4-29). Точная трехмерная структура белка, т. е. его нативная конформация, является необходимым условием нормального функционирования.

Рис. 1-31. От ДНК к РНК, от РНК к белку и далее к ферменту (на примере гексокиназы). Линейная последовательность дезоксирибонуклеотидов в ДНК, кодирующая фермент гексокиназу, сначала транскрибируется в комплементарную последовательность рибонуклеотидов (РНК). Далее последовательность РНК (матричная, или информационная, РНК) транслируется в линейную белковую цепь, которая принимает строго определенную пространственную структуру, вероятно, при участии молекулярных шаперонов. Принявшая нативную конформацию молекула гексокиназы обладает каталитической активностью: она катализирует фосфорилирование глюкозы, используя АТР в качестве донора фосфорильной группы.

Белок в нативной конформации может образовывать нековалентные комплексы с другими макромолекулами (другими белками, нуклеиновыми кислотами или липидами), в результате чего возникают такие надмолекулярные структуры, как хромосомы, рибосомы и мембраны. Молекулы, входящие в состав этих комплексов, имеют специфические высокоаффинные участки для связывания других молекул этого комплекса, так что внутри клетки они могут спонтанно собираться в целые рабочие комплексы.

Хотя сама белковая последовательность несет необходимую информацию для правильного свертывания и принятия нативной конформации, тем не менее успешное выполнение этой процедуры зависит от внутриклеточных условий — pH, ионной силы, концентрации ионов металлов и т. д. Таким образом, самой по себе последовательности ДНК недостаточно для образования клеточных структур.

Краткое содержание раздела 1.4 Генетические основы биохимии

■ Генетическая информация закодирована в линейной последовательности четырех типов дезоксирибонуклеотидов в составе ДНК.

■ Двойная спираль ДНК служит матрицей для собственной репликации и репарации.

■ Линейная последовательность аминокислот в белке, закодированная в гене данного белка, определяет уникальную трехмерную структуру белка, которая также зависит от внутриклеточных условий.

■ Некоторые макромолекулы с высоким сродством к другим макромолекулам способны самостоятельно образовывать надмолекулярные комплексы.