Строение ДНК И РНК. Генетический код и его свойства

В генах закодирована генетическая информация, единицей которой является кодон — группа из трех по последовательных нуклеотидов, иначе называемая триплетом.

Многие гены, по крайней мере у прокариот, входят в состав оперона. Оперон – это группа генов, определяющая синтез функционально связанных ферментов. В него входят структурные и другие гены, например, ген - регулятор, который с небольшой, но постоянной скоростью обеспечивает синтез специфического белка, называемого репрессором. Этот белок обладает сильным сродством к гену—оператору и может легко присоединяться к нему. Ген - оператор управляет функционированием структурных генов. Он как бы то включает их, то выключает. При связывании гена—оператора с белком-репрессором работа структурных генов прекращается.

Долгое время считалось, что генетический аппарат клетки неподвижен, фиксирован и все гены занимают в нем строго определенное положение. Однако ряд данных не согласовывался с этим положением. Еще в конце 40-х годов Б. Макклинток (США) получила на кукурузе ряд мутаций, которые она объяснила наличием генетических элементов, меняющих свое место в ДНК. Это положение было настолько революционным, что к нему отнеслись вначале с большим недоверием. Тем более что полученные автором экспериментальные данные были только косвенным. Позднее подвижные гены были обнаружены у бактерий.

Сейчас считается, что и в клетках животных не все гены строго фиксированы — среди них также существуют подвижные гены, которые играют важную роль в эволюционном процессе. С подвижными генами, возможно, связано и возникновение злокачественных опухолей.

Ген важен еще тем, что он ответственен за проявление действия мутаций. Мутация - это внезапно возникшее изменение генетической информации, обусловленное изменением структуры кодирующей ее молекулы ДНК. Мутации, в зависимости от точки приложения, могут изменить внешние признаки организма, его физические особенности, биохимические и биофизические процессы, нарушить развитие, ослабить жизнеспособность организма или даже привести его к гибели. Чаще всего мутации сопровождаются неблагоприятными последствиями. Генные мутации являются причиной развития некоторых болезней, например серповидноклеточной анемии.

Явление мутации  лежит в основе эволюции и селекции живых организмов. В результате репликации ДНК наследственные признаки передаются потомству, но только мутации обеспечивают возникновение какого-либо нового признака. И уже затем этот новый признак передается по наследству.

Для изучения мутаций и их последствий в отношении организма используют вещества, которые искусственно вызывают мутации. Вещества, вызывающие мутации, называются мутагенами. К таким веществам относятся, например, соединения из группы акридинов. Акридины состоят из трех расположенных рядом углеводородных колец, что определяет их окрашивающие и мутирующие свойства. В частности, к акридинам относится вещество акрифлавин.

Существуют и  благоприятные мутации. Такие мутации приводят к тому, что замена, например, одной аминокислоты на другую сопровождается улучшением функционирования данного фермента. Такая мутация закрепляется в организме при последующем размножении вида. 
 
 

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ  КОД 

Генетический  код — это система расположения нуклеотидов в нити ДНК, обусловливающая соответствующую последовательность расположения аминокислот в белке. Генетический код передается по наследству и определяет свойства организмов. Он может меняться в результате мутаций, которые бывают положительными и меняют его в сторону, благоприятную для организма, или, что бывает чаще, в неблагоприятную или даже губительную для конкретного организма.

Работы по расшифровке  генетического кода проводились в основном на клетках бактерии кишечной палочки и были повторены на других видах бактерий, а также на организмах животных, включая человека, на растениях.

О коде заговорили всего девятнадцать лет назад; в 1951 году это слово впервые появилось в лексиконе биологов. Правда, произнес его не биолог, а физик.

Но сама идея о том, что в наследственном веществе записаны предписания, каким должен быть будущий организм,— эта идея в самой общей форме высказывалась, как это ни удивительно, много раньше. Сегодняшние историки генетики с изумлением обнаружили первое упоминание о возможности получить огромное многообразие наследственных признаков различным пространственным расположением атомов в макромолекулах еще в письмах Мишера — открывателя нуклеиновых кислот. Это конец ХIХ века. В начале нашего века, в 1927 году Николай Константинович Кольцов, представлял механизм передачи генетических свойств, вплотную подошел к идее кода. Наконец, в 1947 году выдающийся немецкий ученый Э. Шредингер, осмысляя жизнь с позиции физики, прямо назвал “структуру хромосомных нитей шифровальным кодом “.

Но, вероятно, биология еще не была достаточно подготовлена, чтобы принять новую, революционную идею. Хотя, казалось бы, все необходимые для этого знания уже были накоплены к 50-м годам.

Тот факт, что  ДНК построена из нуклеотидов четырех сортов, а белок — из аминокислот примерно двадцати сортов и что ДНК каким-то образом направляет синтез белка, был известен биологам. И эти обстоятельства можно было объединить, усмотрев здесь причинную связь; однако сделано этого не было. В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик открывают строение ДНК. Их модель вроде бы не накладывает никаких ограничений на последовательность нуклеотидов в одной цепи, но открыта строгая комплементарность оснований, и это может насторожить; можно увидеть здесь некий намек на возможность переноса закодированной информации, но... намек остается непонятым. Честно говоря, это одна из самых странных страниц в истории молекулярной генетики: как умудрились Уотсон и Крик пройти мимо генетического кода? Они сделали все, что бы максимально приблизить его открытие: они впервые установили структуру ДНК и механизм ее воспроизведения, то есть показали, каким образом информация, если предположить ее существование клетке, может передаваться из поколения в поколение; они впервые формулировали, пользуясь словами Ф. Крика, “одно из самых поразительных обобщений биохимии, которое (как это ни удивительно) едва ли даже упоминается в биохимических книгах,— то, что 20 аминокислот и 4 основания за немногим исключением одинаковы для всей природы. Они стояли так близко к идее кода, что кажется просто непонятным, как они не произнесли это магическое слово, которое, когда его произнесли, вызвало лавинный поток новых идей и работ и совершенно преобразило молекулярную биологию, сразу приблизив ее к таким наукам, как кибернетика и математика.

Вместо этого  Д. Уотсон занялся поисками структурно-пространственного соответствия между нуклеиновыми кислотами и аминокислотами; эти поиски в то время ни к чему не привели.

По всей вероятности, как раз в этот период американскому физику и астроному Г. Гамову и приходит в голову идея кода. Во всяком случае из Нобелевского доклада Ф. Крика мы узнаем, что летом 1953 года они с Уотсоном послали Гамову письмо, в котором, отвечая на его просьбу, сообщали список 20 аминокислот. Гамову очень нужна была эта цифра, она сыграла в его логических построениях важнейшую роль. Любопытно, что фигурирующие сейчас во всех работах и книгах 20 магических аминокислот были впервые составлены именно в этом письме.

И вот в 1954 году на суд биологов выносится гипотеза чисто умозрительная, которую, несомненно, можно назвать одной из самых революционных гипотез в биологии.

Она гласит: информация, необходимая для синтеза белка, за кодирована в генах. Порядок чередования 20 аминокислот в белке записан в молекуле ДНК кодом — чередованием четырех нуклеотидов, или, что одно и то же, четырех азотистых основаниях.

Из четырех  оснований можно получить следующее количество групп триплетов: 4 группы из букв одного сорта, 12 групп из букв двух сортов ,4 группы из букв трех сортов. Если предположить, как это сделал Гамов, что каждая группа, объединяющая тройки одинакового состава, но с разным порядком букв внутри тройки, кодирует одну аминокислоту, то тогда получается магическое число групп триплетов – 20. Все сходится

Так выглядел впервые  предложенный код наследственности. Он был выведен теоретически на основании отвлеченных соображений, причем скорее математических, чем биологических. И эта отвлеченность тут же дала себя знать. Уже через очень короткое  время было показано, что такой код не верен. Две посылки из трех, которые выдвинул Гамов, не выдержали дальнейшей проверки. И все же код Гамова сделал свое дело. Не важно, что он оказался на две трети неверным, ему можно простить все за то, что он был первым.

Следующий довод  против перекрывания триплетов был получен при изучении мутаций гемоглобина. Из перекрывания следовало, что каждое основание учавствует в кодировании трех соседних аминокислот; а из этого соображения неумолимо следовал вывод, что в случае мутации, затрагивающей даже только один нуклеотид  в гене, в молекуле белка обязательно произойдет изменение трех соседних аминокислот. Однако были обнаружены нарушения гемоглобина человека, затрагивающие только одну-единственную аминокислоту.

Наконец, удалось  получить и непосредственное экспериментальное доказательство невозможности перекрывания.

Это было сделано  в работах двух ученых – Френкель - Конрата из Беркли и Г. Виттмана из Тюбингена. Они работали с вирусом табачной мозаики (ВТМ) - объектом, хорошо изученным именно в этих лабораториях. О ВТМ было известно,  что он состоит из РНК, имеющей около 6500 нуклеотидов, и белковой оболочки, состоящей из 2130 молекул. Каждая из молекул состоит из 158 аминокислотных остатков. Их порядок был точно установлен. В 1958 году Г. Шустер и Г. Шрам из Тюбингена обнаружили любопытный факт. Если на РНК ВТМ подействовать азотистой кислотой, может произойти изменение некоторых нуклеотидов. В этом году в этой же лаборатории А. Гирер и К. Мандри установили, что для мутации достаточно изменения только одного нуклеотида из 6500.

На основании  этих исследований и была построена  работа Г. Виттмана и Г. Френкель –  Конрата. Они брали ВТМ, выделяли его РНК и обрабатывали ее азотистой  кислотой – так, чтобы изменилось только одно основание. А потом заражали такой РНК растение и исследовали белок, образовавшийся в результате инфекции вируса. И что же? Из 158 аминокислот поврежденной оказывалась всегда только одна.

Так окончательно была похоронена возможность существования  перекрывающегося кода.

Но тогда –  какой он?

В 1957 году остроумную гипотезу выдвигают Ф. Крик, Д. Гриффит и Л. Оргель. Ф. Крик, разумеется, не мог остаться в стороне от того бурного водоворота идей, который закружился вокруг генетического кода. Быть может, поначалу и казалось, что можно обойтись общими  соображениями, и поэтому в штурме кода приняли активное участие многие математики и физики. Однако быстро выяснилось, что наскоком твердыню не возьмешь. Нужна планомерная экспериментальная осада. И вот тут, на стыке теории и эксперимента, Ф. Крик смог в полной мере проявить свои выдающиеся способности.

“Основная польза теории,- писал Крик по поводу кода,- состоит в предложении новых  форм доказательств и в оттачивании  критического анализа. В конечном счете, решающее значение имеет качество экспериментальной  работы”. 

В 1957 году Ф. Крик споткнулся на том же месте, что к Гамов в 1954-м,— на магической двадцатке аминокислот. Правда, одну ошибку Гамова Крик учел: его код был неперекрывающимся и триплетным, но по-прежнему невырожденным. И поэтому все усилия Крика и его сотрудников были направлены на то, чтобы показать, каким образом из 64 слов только 20 могут кодировать аминокислоты.

Когда Крик убедился в банкротстве своей, казавшейся такой изящной, гипотезы, он не опустил  руки и не стал, закрыв глаза на новые данные, доказывать свою правоту — он начал все сначала. И через некоторое время предложил новый код — триплетный, неперекрывающийся, вырожденный, без запятых, с началом отсчета в определенной точке и далее — по три основания.

Но недостаточно предложить новый код, надо предложить план эксперимента, в котором можно доказать правильность предположений.

Такой план был  предложен и осуществлен Ф. Криком, Л. Барнет, С. Бреннером и Р. Уотс-Тобином в Кембритдже.

Все свои опыты  они провели на одном определенном гене. Этот ген принадлежит молекуле ДНК фага Т-4, который инфицирует кишечную палочку. Через 20 минут после начала инфекции фаг образует внутри кишечной палочки около 100 своих копий. Бактерия гибнет, а фаги выходят наружу. Преимущество такого опытного материала очевидно: за короткое время можно получить миллиарды фаговых частиц — многие поколения, и на этих поколениях наблюдать мутации.

Мутации вызывались действием на фаг химического вещества – профлавина. Ученые доказали, что под влиянием профлавина происходит добавление или выпадение, по всей вероятности, одного из оснований.