ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА - ТОМ 3. ПУТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ - 2017

ЧАСТЬ III. ПУТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Третья, заключительная, часть книги посвящена биохимическим механизмам, обеспечивающим процессы передачи наследственной информации и эволюции живых существ.

Какова молекулярная основа генетического материала? Как генетическая информация с высокой точностью передается из поколения в поколение? Как возникают редкие изменения в генетическом материале, которые служат исходным материалом для эволюции? Как генетическая информация превращается в аминокислотные последовательности белковых молекул?

Современное понимание метаболических путей передачи информации сформировалось на стыке генетики, физики и химии — основ современной биохимии. Джеймс Уотсон и Френсис Крик в 1953 г. сформулировали гипотезу двухцепочечной структуры ДНК (см. рис. 8-15 в т. 1). Генетическая теория помогла сформировать концепцию кодирования информации в генах. Выдающиеся открытия в физике позволили установить молекулярную структуру гена. Вклад химии в генетическую теорию состоял в определении состава ДНК. Особая ценность гипотезы Уотсона-Крика заключалась в том, что она смогла обобщить разнообразные наблюдения, полученные в различных областях науки.

Революция в наших представлениях о структуре ДНК неизбежно породила вопросы о функции ДНК. Двухцепочечная структура сама подсказывает механизм копирования ДНК, позволяющий передавать из поколения в поколение закодированную информацию. Открытие матричной и транспортной РНК, а также расшифровка генетического кода позволили понять, как ДНК преобразуется в функциональные белки.

Эти и другие открытия позволили сформулировать основную догму молекулярной биологии, отражающую три главных процесса обработки генетической информации в клетке. Первый процесс — репликация, суть которой заключается в копировании ДНК и создании на основе материнской ДНК молекулы дочерней ДНК с идентичной последовательностью. Второй процесс — транскрипция, в результате которой часть генетической информации, закодированной в ДНК, превращается в молекулы РНК. Третий процесс — трансляция, при которой генетическая информация, закодированная в РНК, переносится на рибосомы, где транслируется в полипептид с определенной последовательностью аминокислот.

Основная догма молекулярной биологии указывает направление передачи информации в клетке: от репликации к транскрипции и трансляции. Термин «догма» не совсем верен и сохранился только по историческим причинам. Он был введен Френсисом Криком в то время, когда существовало мало доказательств, подтверждавших выдвинутые идеи, позже ставшие хорошо обоснованной теорией.

Основная концепция (догма) молекулярной биологии, которая объясняет главные метаболические пути передачи информации — репликацию, транскрипцию и трансляцию. Говорить, что это «догма», не совсем верно. Ведь эта концепция как догма была предложена Френсисом Криком, когда было мало доказательств, подтверждающих выдвинутые идеи, позже ставшие хорошо обоснованной теорией.

В части III обсуждаются эти и другие процессы, связанные с передачей информации. В главе 24 мы рассмотрим структуру, топологию и упаковку хромосом и генов. Процессы, лежащие в основе догмы, рассматриваются в главах 25-27. В заключение мы рассмотрим процесс регуляции экспрессии генетической информации (глава 28).

Важнейший вопрос, обсуждающийся во всех этих главах, касается сложных процессов биосинтеза информационных макромолекул. Сборка нуклеотидов и аминокислот в определенные последовательности нуклеиновых кислот и белков служит для сохранения и точного копирования матрицы, а ведь на этом основана сама жизнь. Можно подумать, что образование фосфодиэфирных связей в ДНК или пептидных связей в белках — тривиальная задача для клеток, обладающих целым арсеналом ферментативных и химических инструментов, описанных в части II. Однако, чтобы учесть механизмы сохранения и передачи информации, нам придется значительно расширить систему наших взглядов, сформулированную на основе анализа метаболических путей. Химические связи должны возникать между конкретными субъединицами информационных биополимеров с минимальной вероятностью появления и закрепления ошибок. Это требование оказывает очень серьезное влияние на термодинамику, химию и энзимологию процессов биосинтеза. Образование пептидной связи требует затраты энергии, примерно равной 21 кДж/моль, и может происходить с участием относительно простых ферментов, выступающих в качестве катализаторов. Но для синтеза связи между двумя определенными аминокислотами в конкретной точке полипептида требуется примерно 125 кДж/моль, причем в этом процессе задействовано более 200 ферментов, молекул РНК и специфических белков. Химический процесс образования пептидной связи тот же самый, но здесь подключаются дополнительные процессы, гарантирующие образование этой связи строго между определенными аминокислотами. Информация стоит дорого.

Еще одна важная тема, затрагиваемая в части III, касается динамического взаимодействия между нуклеиновыми кислотами и белками. За исключением тех редких случаев, когда в роли катализаторов выступают молекулы РНК (эта тема обсуждается в гл. 26 и 27), метаболические процессы, связанные с передачей информации, катализируются и регулируются белками. Изучение этих ферментов и других белков имеет не только научное, но и прикладное значение, поскольку позволяет применять их в технологиях, основанных на рекомбинантных ДНК (см. гл. 9 в т. 1).

И вновь возвратимся к теме эволюции. Многие процессы, рассмотренные в части III, возникли миллиарды лет назад, а некоторые прослеживаются вплоть до последнего универсального общего предшественника — LUCA (от англ. last universal common ancestor). Рибосомы, практически весь трансляционный аппарат и некоторые элементы транскрипционного аппарата есть у всех живых организмов на нашей планете. Генетическую информацию можно рассматривать в качестве своеобразных молекулярных часов, которые позволяют установить родственные отношения между видами. Общие информационные пути связывают человека со всеми ныне живущими на Земле организмами, а также со всеми прежде существовавшими видами. Изучение этих путей помогает ученым приоткрыть занавес в первом акте пьесы, повествующей о возникновении жизни на Земле.

Супер-скручивание значит для ДНК больше, чем просто силовой фактор; оно сохраняет буйную раскидистую ДНК в узких рамках внутриклеточных условий.

— Николас Коззарелли, Лекции в Харви, 1993