Генетична інформація. Подвоєння ДНК
Одна з найбільш чудових особливостей життя полягає в тому, що всі живі істоти характеризуються спільністю будови клітин і відбуваються в них процесів (див. § 7). Однак вони мають і дуже багато відмінностей. Навіть особи одного виду розрізняються за багатьма властивостями і ознаками: морфологічним, фізіологічним, біохімічним.
Сучасна біологія показала, що в своїй основі схожість і відмінність організмів визначаються в кінцевому рахунку набором білків. Чим ближче організми один до одного в систематичному положенні, тим більш подібні їх білки.
Деякі білки, що виконують однакові функції, можуть мати подібну будову в клітинах не тільки різних видів, але навіть більш далеких груп організмів. Наприклад, інсулін (гормон підшлункової залози), що регулює рівень цукру в крові, близький за будовою у собаки і людини. Однак більшість білків, виконуючи одну і ту ж функцію, дещо відрізняються за будовою у різних представників одного і того ж виду. Прикладом можуть служити білки груп крові у людини. Така різноманітність білків лежить в основі специфічності кожного організму.
Відомо, що в еритроцитах (червоних кров’яних клітинах дисковидной форми) міститься білок гемоглобін, який доставляє кисень до всіх клітин тіла. Це складний білок. Кожна його молекула складається з чотирьох поліпептидних ланцюгів. У людей, які страждають важким спадковим захворюванням – серповидноклітинній анемією, еритроцити схожі не на диски, як зазвичай, а на серпи. Причина зміни форми клітини – у відмінності первинної структури гемоглобіну у хворих і здорових людей. У чому ж ця різниця? У двох з чотирьох ланцюгів нормального гемоглобіну на шостому місці стоїть глутамінова кислота. При серповидноклітинної анемії вона замінена на амінокислоту валін. З 574 амінокислот, що входять до складу гемоглобіну, замінено тільки два (по одній в двох ланцюгах). Але це призводить до істотної зміни третинної і четвертинної структури білка і, як наслідок, до зміни форми і порушення функції еритроцита. Серповидні еритроцити погано справляються зі своїм завданням – перенесенням кисню.
ДНК – матриця для синтезу білків. Яким же чином в еритроцитах здорової людини утворюються мільйони ідентичних молекул гемоглобіну, як правило, без єдиної помилки в розташуванні амінокислот? Чому в еритроцитах хворих серповидноклеточной анемією всі молекули гемоглобіну мають одну і ту ж помилку в одному і тому ж місці?
Для відповіді на ці питання звернемося до прикладу з книгодрукування. Підручник, який ви тримаєте в руках, виданий накладом n екземплярів. Всі n книг віддруковані з одного шаблону – друкарською матриці, тому вони абсолютно однакові. Якби в матрицю вкралася помилка, то вона була б відтворена в усіх примірниках. Роль матриці в клітинах живих організмів виконують молекули ДНК. ДНК кожної клітини несе інформацію не тільки про структурні білках, що визначають форму клітини (згадайте еритроцит), але і про всіх білках-ферментах, білках-гормонах та інших білках.
Вуглеводи і ліпіди утворюються в клітині в результаті складних хімічних реакцій, кожна з яких каталізується своїм білком-ферментом. Володіючи інформацією про ферменти, ДНК програмує структуру та інших органічних сполук, а також управляє процесами їх синтезу і розщеплення.
Оскільки молекули ДНК є матрицями для синтезу всіх білків, в ДНК поміщена інформація про структуру і діяльність клітин, про всіх ознаках кожної клітини і організму в цілому.
Кожен білок представлений однією або декількома поліпептидними ланцюгами. Ділянка молекули ДНК, службовець матрицею для синтезу одного поліпептидного ланцюга, т. Е. В більшості випадків одного білка, називають геном. Кожна молекула ДНК містить безліч різних генів. Всю інформацію, укладену в молекулах ДНК, називають генетичною, а всю сукупність ДНК клітини називають геномом. Ідея про матричний принципі синтезу білків вперше була сформульована ще в 20-х рр. XX ст. видатним вітчизняним біологом Миколою Костянтиновичем Кольцовим.
Микола Костянтинович Кольцов
Кольцов Микола Костянтинович (1872- 1940) – вітчизняний зоолог, цитолог, генетик. Основоположник експериментального методу досліджень в біології в нашій країні. Вперше виступив з теорією матричної репродукції хромосом. Засновник Інституту експериментальної біології. Був ініціатором створення Всесоюзного інституту експериментальної медицини, на основі якого згодом була створена Академія медичних наук.
Подвоєння ДНК. Молекули ДНК володіють вражаючим властивістю, не притаманним жодної іншої з відомих молекул, – здатністю до подвоєння. Що являє собою процес подвоєння? Ви пам’ятаєте, що подвійна спіраль ДНК побудована за принципом комплементарності (див. Рис. 7). Цей же принцип лежить в основі подвоєння молекул ДНК. За допомогою спеціальних ферментів водневі зв’язки, що скріплюють нитки ДНК, розриваються, нитки розходяться, і до кожного нуклеотиду кожної з цих ниток послідовно прилаштовуються комплементарні нуклеотиди. Разошедшиеся нитки вихідної (материнської) молекули ДНК є матричними – вони задають порядок розташування нуклеотидів у знову синтезованої ланцюга. В результаті дії складного набору ферментів відбувається з’єднання нуклеотидів один з одним. При цьому утворюються нові нитки ДНК, комплементарні кожної з разошедшихся ланцюгів (рис. 21). Таким чином, в результаті подвоєння створюються дві подвійні спіралі ДНК (дочірні молекули), кожна з них має одну нитку, отриману від материнської молекули, і одну нитку, синтезовану знову.
Дочірні молекули ДНК нічим не відрізняються один від одного і від материнської молекули. При розподілі клітини дочірні молекули ДНК розходяться по двох утворюється клітинам, кожна з яких внаслідок цього буде мати ту ж інформацію, що містилась у материнській клітині. Так як гени – це ділянки молекул ДНК, то дві дочірні клітини, які утворюються при діленні, мають однакові гени.
Кожна клітина багатоклітинного організму виникає з однієї зародкової клітини в результаті багаторазових поділів, тому всі клітини організму мають однаковий набір генів. Випадково виникла помилка в гені зародкової клітини буде відтворена в генах мільйонів її нащадків. Ось чому всі еритроцити хворого серповидноклітинній анемією мають однаково “зіпсований” гемоглобін. Діти, хворі на анемію, отримують “зіпсовані” гени від батьків через їх статеві клітини. Інформація, укладена в ДНК клітин (генетична інформація), передається не тільки з клітки в клітку, але і від батьків до дітей. (Детально про це буде розказано в главі VII.) Ген є одиницею генетичної, або спадковою, інформації.
Важко, дивлячись на друкарську матрицю, судити про те, хороша чи погана книга буде по ній надрукована. Неможливо судити і про якість генетичної інформації з того, “хороший” чи “поганий” ген отримали нащадки у спадок, до тих пір, поки на основі цієї інформації не будуть побудовані білки і не розвинеться цілий організм.
(2 votes, average: 5.00 out of 5)