Глава вторая
Сладкие ядерные кислоты, или Генетика на молекулярном уровне
Современные достижения генетики позволяют выращивать апельсины на осинах и получать из апельсиновых деревьев износостойкую, хорошо обрабатываемую древесину, по качеству не уступающую осиновой.
Внимание!
Автор считает своим долгом предупредить, что все эпиграфы в этой книге шуточные, но в каждой шутке, как известно, есть только доля шутки…
В названия глав эта самая доля шутки тоже может вкрасться. Вот например – что это за сладкие ядерные кислоты такие, о которых даже Гугл Всезнающий не знает (желающие могут убедиться в этом самостоятельно)?
На самом деле это дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты – ДНК и РНК.
«Где имение, а где наводнение», – говорили в старину, когда хотели подчеркнуть отсутствие всяческой связи между чем-нибудь.
Но давайте разберемся и найдем эту связь. А заодно, и запомним два этих сложных названия, да так, чтобы можно было выговаривать их без запинки.
Начнем с конца, так будет проще.
Молекулы ДНК и РНК состоят из повторяющихся блоков, которые называются нуклеотидами. Нуклеотиды имеют схожее название со своими «родителями» нуклеозидами, которые состоят из азотистого основания и сахара (рибозы или дезоксирибозы).
Если вы подумали, что название «нуклеиновые кислоты» произошло от нуклеозидов, то ошиблись. Это нуклеозиды и нуклеотиды получили свое название от нуклеиновых кислот. А нуклеиновыми эти кислоты были названы по той причине, что их обнаружили в клеточном ядре. Nucleus переводится с латыни как «ядро».
В дебри органической химии мы с вами углубляться не станем, поскольку речь у нас идет не о химии, а о генетике. Нам достаточно будет общего представления о строении ДНК и РНК, а также понимания того, почему ДНК называется ДНК, а РНК – РНК. Ну и названия надо будет запомнить без искажений.
К азотистым основаниям относят аденин (A), гуанин (G), цитозин (C), которые входят в состав как ДНК, так и РНК. Тимин (T) встречается только в ДНК, а урацил (U) – только в РНК.
Посмотрите на таблицу – вверху изображены структурные химические формулы азотистых оснований, а внизу – соответствующих этим основаниям нуклеозидов.
Если к нуклеозиду присоединяется так называемый «фосфатный остаток» (см. рисунок), то нуклеозид превратится в нуклеотид.
А из нуклеотидов, как уже было сказано, состоят нуклеиновые кислоты. Точнее, не из нуклеотидов, а из их остатков, поскольку при соединении в цепочку каждая молекула нуклеотида отдает два «собственных» атома водорода для того, чтобы высвободить химические связи, необходимые для соединения с соседними молекулами.
Посмотрите на фрагмент молекулы ДНК, и вы увидите, что каждая молекула нуклеозида лишилась одного атома водорода фосфатной группы и одного атома водорода сахарного остатка.
Азотистое основание в нуклеозидах и нуклеотидах может быть связано с остатком одного из двух сахаров – рибозы или дезоксирибозы. На рисунках молекулы этих сахаров изображены в линейном и замкнутом (циклическом) виде. Разница между двумя сахарами небольшая – всего в один атом кислорода. «Дезокси-» переводится с латыни как «отсутствие атома кислорода», то есть дезоксирибоза – это рибоза без одного атома кислорода. Все просто, верно?
Нуклеиновые кислоты имеют в составе своих молекул сахарные остатки, и потому в названии этой главы мы условно назвали их сладкими, хотя на самом деле они сладкого вкуса не имеют.
Вы, наверное, уже догадались, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты состоит из остатков нуклеотидов, содержащих дезоксирибозу, а молекула рибонуклеиновой кислоты – из рибозных остатков. Да, так оно и есть. С химической точки зрения разница между ДНК и РНК заключена в наличии или отсутствии одного атома кислорода у нуклеотидного остатка.
С химией мы закончили, переходим к генетике.
С генетической точки зрения разница между ДНК и РНК огромна.
Молекула ДНК – хранитель наследственной информации и организатор ее передачи по назначению. Условно говоря – казначей. А молекула РНК в таком случае – помощник казначея.
ДНК включает в себя четыре вида азотистых оснований – аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C). Всего четыре, но их комбинация дает невообразимое количество вариантов.
Вся информация о любом организме закодирована при помощи четырех «букв», четырех азотистых оснований – A, G, T и C. Лишь у некоторых организмов, в виде исключения, в составе ДНК может встречаться пятый тип азотистого основания – урацил (U). В человеческой ДНК урацила нет.
Комбинация из четырех элементов дает десять тысяч вариантов. Представили? А теперь давайте представим, что эти четырехэлементные комбинации еще и комбинируются друг с другом. При таком подходе количество вариантов уходит прямиком в бесконечность…
В молекулах ДНК зашифрована наследственная информация организма. Конкретного организма – гриба, растения, бактерии, лягушки, акулы, косули, тигра, медведя, человека… Все организмы на нашей планете разные (за исключением клонов, о которых мы поговорим позже), и ДНК у всех тоже разные. Двух полностью схожих молекул ДНК в природе не существует (за исключением ДНК тех же клонов). На этой индивидуальности и основана генетическая криминалистика и судебно-медицинская генетика – любого человека можно со стопроцентной точностью идентифицировать по его ДНК. Точно так же, как и по отпечаткам пальцев, но с отпечатками еще возможны оплошности, а вот с ДНК никаких оплошностей быть не может, это личный уникальный код организма.
Молекула ДНК не просто огромная, она гигантская, число нуклеотидов в ней может доходить до нескольких сотен миллионов. Природа стремится к некоторой компактности, поэтому гигантская молекула ДНК состоит не из одной, а из двух нуклеотидных цепочек, которые для пущей компактности еще и закручены вокруг своей оси в спираль. Получается этакая двойная пружина.
Цепочки устроены так, что остатки фосфорной кислоты и дезоксирибозы выполняют роль каркаса, похожего на перила винтовой лестницы, а нуклеотиды-«ступеньки» располагаются внутри и доступны для считывания. А как же без считывания? Последовательность нуклеотидных остатков – это код, а код должен быть читаемым.
Молекулы ДНК обладают способностью к репликации, то есть к самовоспроизведению. Без репликации никак не обойтись. Клетки размножаются делением, и каждая дочерняя клетка непременно должна получить от материнской полную копию наследственной информации. Чтобы передать ее своим потомкам…
Процесс репликации происходит очень интересно. По расплетенным цепочкам ДНК «ползут» два белковых комплекса, содержащие фермент под названием «ДНК-полимераза» и делают копии. В ходе процесса образуются две дочерние молекулы ДНК. «Расплетение» двойной спирали для копирования обеспечивает особый фермент, который называется хеликазой. Хеликаза выполняет в процессе репликации роль ножниц.
Разумеется, никакое дело не обходится без ошибок. Во время репликации вместо нужного нуклеотида в цепочку может быть встроен другой, содержащий иное азотистое основание. В результате изменится наследственный код – вот вам пример изменчивости.
У эукариотов, живых организмов, клетки которых имеют ядро, репликация протекает со скоростью от 500 до 5000 нуклеотидных пар в минуту. А у прокариотов, клетки которых не имеют ядер, скорость репликации гораздо выше – около 100 000 пар в минуту. Мы с вами, как и большинство живых организмов на планете, относимся к эукариотам. Прокариотами являются некоторые одноклеточные организмы, например бактерии.
Почему такая разница в скорости? Дело в том, что у эукариотов ДНК содержится в ядрах, а у прокариотов находится в цитоплазме – полужидкой внутренней среде клетки. Проще говоря, в клетках-эукариотах ДНК хранится в «упакованном» виде, а у прокариотов в распакованном. Прокариотам, в отличие от эукариотов, не нужно тратить время на распаковку и упаковку молекул ДНК, а также на транспортировку материала внутрь ядра через ядерную мембрану, потому и репликация у них протекает гораздо быстрее.
В отличие от молекулы ДНК, молекула РНК короче (меньше) и состоит из одной цепочки. Вместо дезоксирибозных остатков в молекуле РНК содержатся рибозные, а еще в ней вместо тимина (Т) присутствует урацил (U).
Молекулы РНК синтезируются на матрицах – молекулах ДНК. Этот процесс называется транскрипцией. Транскрипция напоминает репликацию – по матрице (молекуле ДНК) ползет фермент РНК-полимераза и по считываемому коду синтезирует молекулу РНК.
Молекулы РНК, в свою очередь, служат матрицами для синтеза молекул различных белков. Этот процесс называется трансляцией.
Более подробно о транскрипции и трансляции мы поговорим в глава девятой, которая называется «Экспрессия – это транскрипция плюс трансляция».
У кого-то из читателей может возникнуть вопрос: зачем матушке-природе понадобилось городить такой вот огород, то есть сначала синтезировать РНК на матрице ДНК, а затем на матрице РНК синтезировать белковые молекулы? Зачем нужны посредники, ведь лучше, проще и удобнее обходиться без них? И процент ошибок будет ниже…
Не всегда лучше и проще. И уж тем более – не всегда удобнее. Молекула ДНК – слишком громоздкая матрица. Маленькие матрицы РНК гораздо удобнее для синтеза белковых молекул, и это удобство оправдывает затраты на их производство. Для сравнения можно привести следующий пример – площадь помещений удобнее измерять большой двадцатиметровой рулеткой, а при изготовлении полок или табуретов удобнее использовать маленькую, метровую.
Но РНК служат не только матрицами. Они входят в состав ряда ферментов и сами по себе тоже способны проявлять ферментативную активность, которая выражается в способности разрывать другие молекулы РНК или, напротив, склеивать их фрагменты. РНК, выступающие в роли самостоятельных ферментов, называются рибозимами.
Существует также транспортная РНК, которая переносит аминокислоты к месту синтеза белков. А малютка РНК-праймер, состоящая из 10 нуклеотидов (плюс минус один), выполняет очень важную функцию – запускает процесс репликации ДНК. Так и хочется сказать: «Мал золотник, да дорог».
Если молекулы РНК, служащие матрицей для синтеза белков, имеют вид одной длинной спирали, то все прочие, «нематричные» виды РНК, состоят из многочисленных коротких спиралей, образующих нечто вроде клубка.
У многих вирусов РНК играет роль ДНК, то есть является хранителем наследственной информации.
И раз уж зашла речь о вирусах, давайте рассмотрим их подробнее. Начиная с того, что они собой представляют и чем отличаются от других живых организмов. Это знание нам пригодится, когда мы станем говорить о генной инженерии, ведь вирусы являются инструментом для генного инженера.
Одни ученые считают вирусы особой, неклеточной формой жизни, а другие – всего лишь комплексами органических молекул, которые способны взаимодействовать с живыми организмами. Вирусы могут реализовывать свою наследственную информацию, то есть воспроизводиться, только после внедрения в клетки. Самостоятельно, без использования чужих ресурсов, вирусы воспроизводиться не могут.
Схематическое изображение различных вирусов
От живых организмов вирусы отличаются полным отсутствием обмена веществ, а также отсутствием клеточной структуры и аппарата синтеза белка. Но в то же время вирусы имеют генетический материал, способны к размножению (пусть и внутри клетки-хозяина) и эволюционируют путем естественного отбора, что позволяет отнести их к живым организмам.
Хорошо подходит к вирусам поэтичное определение «организмы на краю жизни». В шутку биологи говорят о вирусах так: «Они живые, но не совсем».
С биологической точки зрения вирус представляет собой генетический материал – молекулы нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключенные в защитную белковую оболочку, называемую капсидом. Капсид выполняет не только защитную функцию. Он также обеспечивает прикрепление вируса к поверхности клеточных мембран благодаря рецепторам, способным связываться с мембранными рецепторами. Более сложные вирусы могут иметь дополнительную оболочку из липопротеина – белка, имеющего в своей молекуле жировой остаток.
Вне клетки вирус существует в форме вириона (нуклеиновая кислота, упакованная в капсид), а в клетке он существует в форме нуклеиновой кислоты. При проникновении вируса в клетку, капсид остается за пределами клетки. Вежливый вирус снимает свое пальто (капсид) прежде, чем войти в квартиру (клетку). Посредством своей нуклеиновой кислоты вирус управляет клеткой-хозяином и программирует ее системы на синтез своего, вирусного материала – нуклеиновой кислоты и белков вирусных оболочек – из веществ клетки-хозяина. Можно сказать, что вирус «подчиняет» себе клетку.
Только в клетке вирус живет «полноценной жизнью». Вне клетки он находится в неактивном состоянии.
Паразитируя в клетках, вирусы нарушают их нормальную жизнедеятельность, вызывая болезни. Вирусы поражают все живое – животных, растения, микроорганизмы. Грипп, различные гепатиты, СПИД – это все вирусные заболевания.
Размеры вирусов очень малы, поэтому их величину измеряют не в микронах (миллионных долях метра), а в нанометрах (миллиардных долях метра). «Мелкий» вирус полиомиелита имеет размер около 20 нм, а «гигантский» вирус желтухи свеклы – 1500 нм. Одну клетку могут заселять одновременно несколько десятков вирусов.
Впервые ДНК (не как хранилище наследственной информации, а всего лишь как химическое вещество), была выделена в далеком 1869 году из такой прозаической субстанции, как гной. Поскольку в составе молекулы ДНК был обнаружен фосфор, открытое вещество долгое время считали формой запаса фосфора в организме. Ясное дело. Чем еще могли считать ДНК в догенетическую эпоху, как не формой запаса фосфора или, скажем, азота? И только в 1944 году, в опытах по трансформации бактерий было установлено, что ДНК обеспечивает перенос наследственной информации. А девятью годами позже, в 1953 году, была расшифрована структура ДНК. Таким образом, от момента выделения ДНК до получения относительно полного представления о ее структуре прошло восемьдесят четыре года! Впрочем, для науки это не такой уж и долгий срок.
РНК была открыта вместе с ДНК и точно так же сначала считалась «копилкой» фосфора. В 1939 году была выдвинута гипотеза об участии РНК в синтезе белков, а структуру РНК впервые удалось расшифровать в 1965 году, двенадцатью годами позже расшифровки структуры ДНК. Ученые, расшифровавшие структуры ДНК и РНК получили ни много ни мало, а Нобелевские премии. Столь высокая награда была полностью заслуженной, поскольку расшифровка структуры ДНК и РНК стала переломным моментом в развитии генетики, стимулом к научному прогрессу и опорной точкой для него.
А знаете ли вы, что в нашем организме существует так называемая «мусорная ДНК»? Так называют участки молекул ДНК, не выполняющие никакой функции, то есть не хранящие никакой информации. С учетом того, что к «мусору» относится более 90 % молекулы ДНК, можно с уверенностью предположить, что нам просто неизвестны функции этих участков.
Почему «с уверенностью»?
Да потому что у природы ничего лишнего и ненужного не бывает. У природы все продумано до мельчайших деталей, и ради нескольких «работающих» процентов не будут синтезироваться гигантские молекулы ДНК. В свое время, по мере развития генетики, количество «мусорной» ДНК будет сокращаться, а количество полезной – расти.
ЛИРИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ, ПОСВЯЩЕННОЕ СТРОЕНИЮ КЛЕТКИ
Давайте отвлечемся ненадолго от генетики и займемся «чистой» биологией, самыми ее азами, – вспомним, из чего состоит живая клетка. В школе это все учили, но потом благополучно забыли. За ненадобностью. А сейчас нам это знание необходимо для продолжения бесед на генетические темы.
Не бойтесь – наше «лирическое отступление» будет недолгим.
Клетка является самой маленькой структурной и функциональная единицей всего живого, а целый организм представляет собой совокупность клеток. Но существуют и одноклеточные организмы, состоящие всего из одной-единственной клетки. Например – бактерии.
Клетки могут быть самыми разными – самостоятельными организмами или частью многоклеточного организма, животными или растительными, нервными или мышечными, и так далее, но, несмотря на это многообразие, все они имеют схожее строение.
Основными функциональными частями клетки являются:
– поверхностный комплекс, основу которого составляет клеточная мембрана, ограничивающая содержимое клетки и отделяющая клетку от внешней среды;
– ядерное вещество, содержащее ДНК;
– цитоплазма, в которой располагаются клеточные органы – органоиды (органеллы) и различные включения (например – капельки жира).
Схема строения животной клетки
Ядерное вещество может быть оформленным в ядро со своей оболочкой или неоформленным, свободно «плавающим» в цитоплазме.
Клетки подразделяются на две большие группы – прокариоты, не имеющие оформленного ядра и обладающие относительно простым строением, и эукариоты, клетки со сложной структурой, имеющие оформленное ядро. Клетки прокариот имеют весьма малые размеры (0,5–5 мкм в диаметре). В эволюционном отношении прокариоты считаются более древними, чем эукариоты. Есть такое неформальное правило эволюции: чем проще – тем древнее.
Из всех клеточных органоидов (их разнообразие представлено на рисунке) нас с вами, как генетиков, интересуют только рибосомы – сферические образования, не имеющие своей мембраны, которые выполняют очень важную функцию синтеза белков из аминокислот, в соответствии с информацией, записанной в молекуле РНК. Рибосомы присутствуют во всех без исключения клетках – и у эукариот, и у прокариот. Количество рибосом в клетке может достигать десятков миллионов.
Про остальные клеточные органоиды вы можете прочесть в учебнике или в Сети. В порядке расширения кругозора. А наше «лирическое отступление» на этом можно считать оконченным.
