Е. Котина
Дезоксирибону… и так далее

Цепочка ДНК
Цепочка ДНК
Начало биографии ДНК не слишком романтично. Швейцарский врач Иоганн Фридрих Мишер, который в 1868 году выделил из ядер лейкоцитов гноя некое новое органическое вещество, конечно же не подозревал, что открыл Самую Главную Молекулу. Свою находку Мишер назвал нуклеином (от нуклеус — ядро). Он же шесть лет спустя установил кислотные свойства нуклеина сперматозоидов лосося. Позднее выяснилось, что в состав нуклеиновой входит также сахар дезоксирибоза (в отличие от другого похожего вещества, содержащего рибозу), и название ещё удлинилось: дезоксирибонуклеиновая кислота. Знали бы первооткрыватели, как часто в XX веке будут повторять это слово, может, и придумали бы что-нибудь покороче. Материальную основу наследственности теперь на всех языках называют трёхбуквенной аббревиатурой. Английская DNA, немецкая DNS, французская ADN — это всё она же, ДНК.

Об открытии Уотсона и Крика, сделанном в 1953 году, в связи с недавним юбилеем этого открытия написано достаточно. (Например, в этом же номере журнала, в статье Б.Ф. Ванюшина, посвящённой метилированию ДНК. Там же можно увидеть и формулы спаренных азотистых оснований — мы решили не рисовать их дважды.) К определению „жизнь есть форма существовования белковых тел“ пришлось добавить „и нуклеиновых кислот“: оказалось, что белки — материалы и машины, а ДНК — чертёж.

Хромосомы
Хромосомы
Волга впадает в Каспийское море, Земля вращается вокруг Солнца, а ДНК состоит из нуклеотидов. Каждый нуклеотид, кроме остатка дезоксирибозы, включает в себя остаток фосфорной кислоты и одно из четырёх азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин, цитозин. Фосфатная группа и делает ДНК кислотой; правда, в жидком содержимом клетки, богатом ионами, она представляет собой „дезоксирибонуклеиновую соль“.

„Буквы“ ДНК — это, собственно, только азотистые основания. Но любой химический „текст“, который хранится в растворе, может быть записан только без отрыва руки — знаки должны быть ковалентно связаны, иначе запись просуществует недолго. Дезоксирибозы и фосфаты соседних нуклеотидов последовательно соединяются и образуют каркас ДНК, над которым, как буквы над линией строки, возвышаются азотистые основания.

Сразу отметим, что без белков всё же никуда. Столь сложный полимер, к тому же с определённой последовательностью мономеров, сам по себе возникнуть в растворе не может — только с помощью ферментативных реакций. Ферменты отвечают за синтез азотистых оснований, нуклеозидов (азотистое основание плюс дезоксирибоза), нуклеотидов, да и знаменитое матричное копирование ДНК происходит не само, а с помощью целой команды белков.

Ламповые щётки
„Ламповые щётки“. Петли ДНК, возможно, освобождаются, чтобы в них могла идти транскрипция.
Клетка хранит ДНК в смотанном виде, опять-таки в комплексе с белками. Сначала спираль наматывается на специальные „катушки“, каждая из которых образована восемью белками гистонами. Нитка с катушками скручивается в фибриллу, фибрилла уложена петлями, а уже петли образуют хромосомы, которые видны в световой микроскоп во время деления клетки. (Менее компактную укладку этих петель можно наблюдать на ДНК некоторых типов клеток: например, хромосомы типа „ламповых щёток“ характерны для яйцеклеток.) Иначе и быть не может: длина ДНК, входящей в состав одной хромосомы, — десятки сантиметров (!), и, если эти путаные нитки не смотать как следует, их не удастся разделить между двумя новыми клетками.

С другой стороны, чтобы копировать ДНК, её надо размотать. Для копирования цепи разъединяются, в двойной спирали образуется так называемая репликативная вилка. Каждая цепочка ДНК, как и положено осмысленному тексту, имеет начало и конец — читать её полагается от 5’- к З’-концу (такие обозначения пошли от атомов углерода в составе дезоксирибозы — цифрами без штрихов нумеруются углероды азотистого основания). Именно в таком направлении, от 5’ к 3’, растут новые цепи ДНК. Причём, поскольку цепи в спирали направлены противоположно, фермент ДНК-полимераза ползёт по старой цепочке от 3’ к 5’. Поэтому только одна из новых цепочек синтезируется сразу целиком, от начала до конца — вторая склеивается из кусочков, так называемых фрагментов Оказаки. Склеиванием занимается фермент ДНК-лигаза. А чтобы ДНК-полимераза могла начать синтез очередного фрагмента, ещё один фермент, РНК-праймаза, синтезирует коротенькие кусочки РНК — затравки, или праймеры, каждый из нескольких нуклеотидов. (Перед слиянием соседних фрагментов другая ДНК-полимераза заменяет РНК-участки на ДНК.) Кроме того, есть специальные белки, которые раскручивают двойную спираль на пути полимеразы, есть белки, которые предотвращают повторное соединение нитей. Есть ферменты, отвечающие за замену повреждённых нуклеотидов в цепочке… В общем, драгоценную наследственную информацию сохраняет и копирует такая мощная белковая машинерия, что удивительно, как мутации всё-таки происходят!

Репликативная вилка
Репликативная вилка
Всё сказанное выше касается митотического деления, за счёт которого многоклеточные организмы растут. А есть ещё мейотическое деление, при котором образуются половые клетки. В этом варианте парные хромосомы обмениваются фрагментами (читатель помнит, что геном у нас диплоидный — представлен двумя копиями, материнской и отцовской). После этого хромосомы расходятся по новеньким половым клеткам и ждут своего часа — оплодотворения. Таким образом, в каждом, новом поколении образуются новые комбинации генов.

Белки отвечают и за синтез молекул РНК, с которых, в свою очередь, считывается белок. Эта РНК называется матричной, мРНК. Полную расшифровку генетического кода провели М. Ниренберг и С. Очоа, эта работа была завершена в 1966 году. То, что код должен быть триплетным (один знак — три нуклеотида), впервые предположил Г. Гамов в начале 50-х. Из четырёх нуклеотидов, как нетрудно подсчитать, возможно построить 64 триплета (кодона). Если каждому триплету поставить в соответствие аминокислоту, такого количества знаков хватит с избытком — различных аминокислотных остатков в белках всего 20, поэтому код вырожденный: одной аминокислоте соответствуют несколько кодонов. Кроме того, необходимы триплеты, кодирующие „пробелы“, — это три так называемых нонсенс-кодона, или стоп-кодона. Им не соответствует никакая аминокислота, так что любой из этих кодонов обрывает синтез белка.

Нуклеотидный код одинаков практически у всех живых организмов, один и тот же триплет у бактерии, у цветка и у человека кодирует одну и ту же аминокислоту. Именно поэтому возможен перенос генов одного вида в геном другого. Некоторые нарушения универсальности кода обнаружены только у митохондрий. Эти органеллы живой клетки имеют, как известно, свою собственную ДНК, и её „алфавит“ немного отличается от того, который использован в хромосомной ДНК.

Интересный нюанс: по-русски „код“ — система знаков для записи информации, а по-английски code может означать и запись, сделанную этими знаками. Русское слово означает шифр, английское — шифрованное послание. Отсюда происходит чепуха вроде сообщения, что „в 2001 году расшифрован генетический код человека“. На самом-то деле была расшифрована последовательность нуклеотидов в геноме человека, а код человека, такой же, как и у всех, расшифровали в 60-е. Просто кто-то очень быстро переводил с английского.

Но триплетные „тексты“ занимают не столь уж большую часть генома. Остальное пространство, как и должно быть в хорошей книге, отведено на иллюстрации, заставки, виньетки. Известно множество сигнальных последовательностей ДНК. Промоторы — это участки, которые узнает РНК-полимераза (точнее, РНК-полимеразы — их несколько): фермент садится на них и начинает синтез РНК с положенного места. Терминаторы — конечные остановки, приказывающие ферменту завершить синтез и слезать с ДНК. Многие другие участки узнаются белками, которые облегчают или, наоборот, затрудняют присоединение РНК-полимеразы (всё это нужно для тонкой регуляции активности генов). Есть последовательности, определяющие судьбу РНК, в состав которой они войдут, например время её жизни в клетке, а значит, количество белка, который успеет синтезироваться на её основе. Но всё это вместе — тоже лишь малая часть генома.

Протяжённые некодирующие последовательности эукариотического генома прежде называли паразитической ДНК, имея в виду, что она бесполезна для клетки и передаётся из поколения в поколение лишь за компанию с действительно нужными участками. Но теперь уже ясно, что эти иллюстрации к нуклеотидному тексту для чего-то нужны, хотя исполнены в чрезвычайно абстрактной манере. Например, повторяющиеся последовательности ДНК — не просто авангардная раскраска в полосочку. Впрочем, повторы ДНК — это отдельная большая тема.

В маленькой заметке немыслимо рассказать всё о ДНК. Чтобы узнать хотя бы самое важное, придется прочесть книгу. Читатели старше тридцати, вероятно, помнят изумительную книжку М.Д. Франк-Каменецкого „Самая главная молекула“ (М.: Наука, серия „Библиотечка „Квант“, второе издание вышло в 1988 году). Кто в своё время не купил её или потерял, может зайти в интернет.

Но поскольку за полтора десятилетия в науке о ДНК произошли огромные перемены, полезнее будет дождаться очередного издания. Только теперь это будет перевод с английского (издательский проект финансирует Российский фонд фундаментальных исследований). Автор „Самой главной молекулы“ в настоящее время живёт и работает в Америке, и так вышло, что именно зарубежные издатели заказали ему новую книгу о ДНК, в то время как с российской стороны заказа не поступило… Впрочем, будем надеяться, что у молекулы ДНК и у тех, кто её изучает, всё ещё впереди.

Химия и жизнь — XXI век

Статьи близкой тематики:
Как увидеть ДНК.  В. Артамонова.
Недостающее звено.  Е. Котина.
Первые, они же белые.  М. Литвинов.
Сладкое топливо, прочные конструкции и другие углеводы.  М. Клейстер.
Жидкое золото организмов.  М. Литвинов.
Малые молекулы организмов.  М. Литвинов.
«Амины» с аминогруппами и без.  Е. Котина.
От убийства до исцеления.  М. Ускарин.
Серьёзные игры гормонов.  Е. Котина.
Переносчики мыслей.  Е. Котина.
Закодированная эволюция.  Стивен Фриленд, Лоренс Херст.
Каждому — по геному!  Джордж Черч.
Читаем ДНК: в сто раз быстрее, в тысячу раз дешевле.  Е. Клещенко.


AthleticMed магазин спортивной медицины по низким ценам!
2007 Copyright © GenDNA.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт. Партнёрская программа.
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования