Фотосинтез 2 страница

Если субстратов несколько, то реакция протекает сложнее, но по тем же самым принципам.

Активный центр многих ферментов содержит вещества, которые не относятся к белкам. Они присоединяются к белку (обратимо или необратимо) уже после их синтеза. Если такие вспомогательные вещества пришиты к ферменту ковалентно, они называются простетическими группами, если ассоциированы обратимо (за счет ионных связей, к примеру) – кофакторами, или коферментами. Рассмотренный выше гем у гемоглобина – это простетическая группа. Коферментами является большинство наших витаминов. Наш организм (в отличие от растительного и бактериального) не умеет их делать сам и вынужден получать с пищей. Но их много и не надо, так как в ходе ферментативных реакций витамины не расходуются.

Часть ферментативных реакций идет без затраты энергии. Это означает, что реакция переводит молекулы из менее энергетически выгодного в более энергетически выгодное состояние или же состояния до и после реакции энергетически эквивалентны. Однако самопроизвольно такая реакция не идет или идет крайне медленно из-за кинетических ограничений – вероятность, что молекулы субстрата случайно сориентируются таким образом и примут такую конформацию, что смогут прореагировать, необыкновенно низка (вплоть до того, что это практически невозможно). На самом деле формирование фермент-субстратного комплекса требует некоторых затрат энергии. Однако этот энергетический барьер (количество энергии, которое нужно затратить на производство комплекса) невелик и не превосходит энергию, выделяющуюся в результате реакции, а необходимая энергия поставляется простым тепловым движением молекул.

Однако очень многие химические реакции идут с затратами энергии, т. е. переводят вещества из термодинамически более выгодных в менее выгодные состояния. Это означает, что для требуемого превращения веществ необходимо затратить работу, причем часто это чисто механическая работа по перемещению определенных химических групп в реакционноспособное состояние. Например, против электростатических сил или против сил упругости, возникающих при деформации той оптимальной конфигурации молекулы, которая определяется задействованными в ней химических связей. Энергия для этой работы должна быть привнесена в реакцию извне. Универсальным энергоносителем и конвертируемой валютой в биохимических процессах является так называемая АТФ (аденозинтрифосфат) – о ней несколько позже. Так вот, ферменты, осуществляющие реакцию с затратой энергии, имеют еще и специальный энергетический центр, который связывается с молекулой АТФ. Связав молекулу АТФ, активный центр отщепляет от нее одну или две фосфатные группы, а энергия, запасенная в связях фосфора с кислородом, идет сначала на изменение конформации молекулы фермента и его активного центра и как следствие этого изменения – на осуществление работы по превращению субстрата в продукт. Следовательно, такие ферменты катализируют сразу две сопряженные реакции – отщепление фосфатных групп от АТФ и свою специфическую реакцию, что сопровождается переносом энергии от первой реакции ко второй. Эти реакции согласованы, т. е. происходят только когда оба активных центра связаны с соответствующими субстратами.

Наконец, у многих ферментов есть еще один центр, он связывается с веществом – конечным продуктом цепочки реакций, в которых данный фермент участвует. Связывание продукта меняет конформацию фермента и делает его нереакционноспособным, т. е. он ингибирует (подавляет) фермент. Таким образом происходит регулировка всего процесса по принципу отрицательной обратной связи – избыток конечного продукта тормозит реакцию на каких-то ранних стадиях.

Ферменты принято называть по названию субстрата и реакции, которую они осуществляют, с прибавлением суффикса «аза». Поэтому где встретите какую-нибудь «Азу», значит, это фермент. По характеру катализируемых реакций ферменты можно разделить на шесть групп:

– гидролазы осуществляют гидролиз;

– лигазы сшивают две молекулы в одну;

– трансферазы переносят химические группы с одной молекулы на другую;

– лиазы отщепляют или присоединяют небольшие группы атомов (в частности, фосфорилазы отщепляют фосфатную группу, а киназы присоединяют);

– изомеразы осуществляют перестройки внутри молекул.

– оксидоредуктазы переносят электроны, окисляя один субстрат и восстанавливая другой;

Эффективность ферментов как молекулярных устройств поразительна. Во всех учебниках приводится скорость работы фермента уреазы, который выделяется бактериями и расщепляет мочевину на углекислый газ и аммиак. Одна молекула фермента за секунду расщепляет 30 000 молекул мочевины. Самопроизвольное расщепление такого количества молекул при тех же «нормальных условиях» потребовало бы 3 млн лет. Таким образом, мы получаем представление о том, что такое биологический катализатор и как именно данный фермент ускоряет реакцию.

К ферментам близки белки-рецепторы – белки, которые связываются с сигнальными веществами, например гормонами. Гормоны передают через кровь некий химический сигнал определенным клеткам. На поверхности этих клеток есть белки-рецепторы, которые связываются с гормоном и передают сигнал в клетку. Как и в случае с ферментом, здесь имеет место специфическое связывание субстрата с активным центром рецептора, что влечет за собой определенные изменения в рецепторе химического, электрического или механического характера, посредством которых сигнал передается дальше. Рецепторы участвуют в передаче возбуждения через синапсы – места контакта нервных клеток. Они связываются с медиаторами – веществами, передающими сигнал между клетками. Таким образом, нервный импульс, будучи в пределах одной нервной клетки электрохимическим явлением, передается на следующую клетку через чисто химического посредника. Бывают, однако, рецепторы не только к химическим сигналам, но и к физическим – свету, механическому напряжению. На них основан механизм действия органов чувств.

Иммунная система человека основана на белках, которые необратимо связываются с чужеродными (иногда, к сожалению, и своими тоже) веществами, переводя их тем самым в неактивную форму. В основе их действия, как и в случае ферментов и рецепторов, лежит специфическое химическое узнавание и связывание. Принцип их действия тот же самый, но несколько проще – отсутствует момент химической трансформации субстрата, так как целью здесь является только его связывание.

Поговорим еще о ферментах, имея в виду, что многое будет справедливо и для рецепторов. Работа каждого фермента рассчитана на определенные условия. Прежде всего, рН среды. Чтобы фермент имел рабочую конформацию, его полярные аминокислотные радикалы должны быть определенным образом заряжены. К примеру, если фермент рассчитан на нормальную рН, а его поместить в кислую, где много положительно заряженных ионов водорода, то остатки аспарагиновой и глутаминовой кислот потеряют свой отрицательный заряд и конформация молекулы изменится. Однако некоторые ферменты, допустим фермент пепсин, расщепляющий белки у нас в желудке, рассчитаны на крайне кислую среду. Крайне важный фактор – температура. Существует закон Аррениуса, согласно которому увеличение температуры на 10^о С ускоряет все химические процессы приблизительно в 2 раза. В принципе, ферментативные реакции подчиняются этому закону. Однако «правильная» структура фермента обеспечивается в том числе и довольно слабыми связями. В частности, очень велика роль водородных связей. При температуре выше «расчетной» эти связи начинают разрушаться – белок денатурирует. Таким образом, у каждого фермента существует температурный оптимум активности и температурный диапазон, часто достаточно узкий, в котором реакция в принципе возможна. У некоторых археобактерий, живущих в горячих источниках на дне океана (где еще и давление высокое), этот оптимум может находиться в районе 120 ^оС.

Таким образом, ферменты – это специализированные и в высшей степени эффективные станки биологического конвейера, ответственные каждый за какую-то одну операцию. Работа конвейера тонко налажена, а результаты – поражают воображение. Достаточно вам посмотреть друг на друга и подумать, как такое возможно было сделать. И вот, к примеру, Вы – диверсант и перед Вами стоит задача сорвать данное производство. Как бы Вы стали это делать? Нет, есть способы похитрее, чем, подобно луддитам, разрушать их тотально (кстати, способ весьма трудоемкий). Все помнят анекдот про суровых русских мужиков? Которые подсовывали лом в японскую пилораму? Такой же лом можно подсунуть и в фермент. Это должно быть вещество, настолько похожее на субстрат, чтобы связаться с активным центром и в то же время достаточно на него не похожее, чтобы фермент не мог с ним ничего сделать. Тогда процесс заканчивается образованием фермент-субстратного комплекса, с которым далее ничего не происходит. Если такого вещества достаточно, чтобы блокировать большинство молекул фермента, ферментативная реакция останавливается. Это называется конкурентное ингибирование. Именно такими псевдосубстратами и является большинство ядов.

В 1930–1940-е гг. было осуществлено замечательное издание «Флора Казахстана». Его редакторы в соответствии с тогдашней идеологией заботились о том, чтобы максимально охарактеризовать хозяйственное значение каждого растения. Читаем про аконит джунгарский. Хозяйственное значение: «Применяется в качестве отравы для волков». Читаем про аконит анторовидный. Хозяйственное значение: «Применяется как противоядие при отравлении аконитом джунгарским». Токсин аконита – это в основном алкалоид аконитин. Он связывается с белком, выполняющим функцию натрий-калиевого насоса, т. е. регулирующим концентрацию этих ионов внутри и вне клетки, и тем самым блокирует передачу возбуждения в мышцах. И вот смотрите: один аконит является противоядием от другого. Ясно, что речь идет о родственных веществах. Одно из них – сильнейший токсин. Другое явно более слабый токсин – раз противоядие, т. е. его связывание с белком гораздо слабее. Но можно предположить, что если его принять много, то его молекулы способны вытеснять молекулы предыдущего из того центра белка, с которым они связывались, тем самым его освобождая.

Ферментную машину можно не только испортить. Она может сойти бракованной с конвейера. Во всех учебниках приводится классический пример серповидноклеточной анемии – наследственной болезни, распространенной в Африке. У людей с этим заболеванием эритроциты имеют форму не двояковогнутой линзы, а неправильного полумесяца. Их прохождение по капиллярам затруднено, они хрупкие и они плохо выполняют функцию транспорта кислорода. Как выяснилось, болезнь связана с одной-единственной аминокислотной заменой в одном из глобинов - полипептидов, формирующих гемоглобин, а именно в шестой с конца позиции остаток отрицательно заряженной глутаминовой кислоты заменен на неполярного остаток валина. В результате при недостатке кислорода не связанные с ним молекулы гемоглобина слипаются в цепочки, что и ведет ко всем печальным последствиям.

Понятно, что замена одной аминокислоты в таком важном месте, как активный центр, полностью блокирует функцию белка. В то же время замена где-то в боковой петле может вообще не иметь последствий – допустим, если важна только длина данной части молекулы. Такие функциональные ограничения, строго дифференцированные по длине полипептидной цепи, оказывают сильное влияние на эволюцию белков, которая, несмотря на ограничения, породила все многообразие белков в отдельно взятом организме, равно как у разных организмов. Разным белкам и разным частям одного белка позволено изменяться с разной скоростью и в разных пределах.

Приведем еще один (необычный) пример испорченного белка. Он имеет интригующую историю, включающую целых две Нобелевские премии, но не будем описывать всю интригу, а приведем сразу результат. Возможно, вы помните, как в связи со случаями так называемого коровьего бешенства, передававшегося человеку, в континентальной Европе была запрещена продажа говядины из Британии. Суть в том, что у некоторых коров возникала смертельная болезнь, сопровождавшаяся расстройством координации движений. Произошло несколько случаев заражения людей, предположительно употреблявших в пищу мясо больных коров. Выяснилось, что коровы заполучили ее через костную муку, сделанную из овечьих костей, которой их подкармливали. Овцы страдают такой же болезнью под названием «скрепи» (однако запрещения употребления баранины людьми не наблюдалось. Наверное, в этой истории было больше политики, чем заботы о здоровье). К болезням той же этиологии относятся два синдрома человека, характеризующиеся дегенерацией либо коры головного мозга, либо мозжечка и спинного мозга (со всеми вытекающими последствиями), а кроме того, так называемая смертельная семейная бессонница. И сюда же относится болезнь куру, распространенная среди каннибалов Новой Гвинеи, которая сопровождается дегенерацией мозжечка и потерей координации движений и передается с мозгом съеденных людей. Эти болезни характеризуются медленным, но совершенно неотвратимым течением с обязательным смертельным исходом. Одно время казалось, что болезнь вызывает паразит чисто белковой природы, который умеет воспроизводить себя без участия нуклеиновых кислот – так называемый прион. Однако выяснилось, что прион – это белок, который не может воспроизводить себя, но способен передавать свое состояние – особую конформацию. В норме этот белок находится на поверхности нервных синапсов (соединений нервных клеток, через которые передается импульс). У этого белка есть правильная и неправильная конформации. (Как видите, первичная структура не всегда определяет конформацию белка однозначно!) При синтезе в клетке он принимает правильную конформацию. Однако есть и неправильная конформация, при которой он не сидит на мембране, а накапливается внутри клетки и блокирует ее работу. Оказалось, что неправильная конформация весьма устойчива к термической обработке и не подвержена действию ферментов, расщепляющих белки в желудочно-кишечном тракте, из которого такая молекула может попасть в организм. Неправильная конформация «заразна», т. е. если откуда-то берется молекула с неправильной конформацией, то эта конформация постепенно передается другим молекулам. В результате нервные клетки одна за другой выходят из строя. Людоеды получают такой «подарок» с пищей. Те, кто ели «заразную» говядину, – тоже. Однако от приона другого вида неправильная конформация передается с трудом. Откуда вообще берется изначальная «зараза» – молекула с неправильной конформацией? Оказывается, как и в случае гемоглобина при серповидно-клеточной анемии, все дело в наследственной изменчивости этого белка. Иногда прионовые болезни возникают (а они возникают уже в зрелом возрасте) у родственников, т. е. явно наследуются. Определенное изменение первичной структуры этого белка (одним словом, мутация) делает молекулу предрасположенной к неправильной конформации, которую она может принять самопроизвольно. Такого человека, корову или овцу есть не рекомендуется. Этот пример показывает, как важна конформация белка, как важна изменчивость его первичной структуры и какие подводные камни может таить в себе людоедство.

В заключение следует обратить внимание на одну характерную особенность белкового биологического конструктора. Упоминавшийся выше гигантский белок титин состоит из нескольких сотен повторенных без особого порядка участков, последовательность которых похожа на участки двух других белков: иммуноглобулина, обеспечивающего иммунитет (размер участка – около 90 остатков) и фибронектина – структурного белка, ответственного за связывание клеток с внеклеточным белковым каркасом – тем же коллагеном, принимающим участие в свертывании крови и т. д. (размер участка – немногим больше 40 остатков). Получается, что белок, обеспечивающий упругость мышц, наполовину состоит из кусочков белка, обеспечивающего иммунитет! Другими словами, при его «конструировании» был использован готовый фрагмент, механические свойства которого оказались подходящими, и не важно, что он первоначально служил совсем для другого.

Имеются и более поразительные примеры. Вы знаете, что в глазу есть эластичная линза – хрусталик. Она тоже делается из специальных водорастворимых белков – кристаллинов. Технические требования к ним – это определенные коэффициент преломления и механические свойства. Выяснилось, что все кристаллины представляют собой либо те или иные работающие ферменты, либо белки, явно произошедшие от ферментов. Дельта‑кристаллины, присутствующие у птиц и крокодилов, представляют собой фермент аргининсукцинатлиазу, причем молекула сохраняет свою ферментативную активность, совершенно не нужную в хрусталике. Птичий тау-кристаллин одновременно является ферментом альфа-энолазой в других тканях. Эпсилон-кристаллин представляет собой активную лактат-дегидрогеназу. Омега-кристаллины головоногих моллюсков возникли из альдегид-дегидрогеназы (запоминать названия ферментов не нужно, они приведены здесь для документальности и чтобы еще раз подчеркнуть умопостигаемую сложность предмета). Группа, исследующая происхождение кристаллинов, применяет термин «рекрутирование» – кристаллины рекрутируются из ферментов. Таким образом, сложнейшие биохимические машины, предназначенные для осуществления тонких биохимических реакций, использованы здесь как «пушечное мясо» – просто как вещества с определенными оптическими и механическими свойствами.

Поскольку конструкция живых организмов никем не проектировалась специально, а все возникло из закрепления случайно возникших жизнеспособных вариантов, биологи постоянно сталкиваются с конструктивными решениями, полученными по принципу Тришкиного кафтана. Но так как система сложная и у кафтана имеется огромное количество рукавов, удачное решение всегда можно найти и по такому принципу.

Лекция 4. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Мир нуклеиновых кислот довольно противоречив. С одной стороны, структура ДНК являет нам апофеоз красоты и логики, так что один из многих (подчеркнем это) первооткрывателей этой структуры Френсис Крик воскликнул: «Это слишком красиво, чтобы не быть правдой». По этой самой причине опубликование даже одной только неподтвержденной модели вызвало катарсис у всех без исключения биохимиков и в общем-то биологов, после чего молекулярная биология стала развиваться лавинообразно, причем этот взрыв еще не закончился. С другой стороны, в клетках, похоже, существует некая «теневая экономика» коротких молекул РНК, до недавнего времени ускользавших от внимания ученых. Роль их, судя по всему, огромна, но об этом стали догадываться только сейчас. И наконец, РНК выступает там и здесь в разных и неожиданных ролях, что позволяет ученым заподозрить, что мы имеем дело с остатками былого величия, в основном вытесненного простой и могучей белковой химией. Принцип работы нуклеиновых кислот как носителей информации очень хорошо ложится на ум, особенно после изобретения магнитофонов и компьютеров (но больше – первого), само же их строение выглядит несколько, скажем так, вычурным. Тем не менее, именно с этих молекул началась жизнь в том смысле, в котором мы определили ее на первой лекции.

Нуклеиновые кислоты построены из трех элементов, имеющих довольно мало общего между собой: гетероциклические азотистые основания; пятичленный сахар рибоза или дезоксирибоза; фосфорная кислота. Кислотами они являются из-за остатков фосфорной кислоты.

Рассмотрим сначала азотистые основания. Они представляют собой молекулы, включающие циклы с чередующимися двойными связями, образованные атомами углерода и азота. Азотистые основания делятся на два типа (рис. 4.1):

1) производные пурина – вещества, состоящие из двух сконденсированных (смежных) циклов – шести- и пятичленного, для простоты их иногда называют «пурины». Пурин родствен таким веществам, как никотиновая кислота (ее производные чрезвычайно важны в энергетике клетки), кофеин и мочевая кислота (продукт азотистого обмена, выделяемый за пределы организма птицами, насекомыми и прочими организмами, которые экономят воду на выделении);

2) производные пиримидина – одинарного шестичленного цикла.

В живых системах встречается два пурина – аденин и гуанин, и три пиримидина – цитозин, тимин и урацил.

В нуклеиновых кислотах азотистые основания через определенный в каждом случае атом азота соединены с первым атомом углерода циклической пентозы – рибозы (в РНК) или дезоксирибозоы (в ДНК). Пентоза, в свою очередь, своим пятым (находящимся вне цикла) атомом углерода соединена с остатком фосфорной кислоты сложноэфирной связью. Так образуется нуклеотид – молекула, состоящая из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты (рис. 4.2).

Нуклеотиды – это и есть мономеры полимерных нуклеиновых кислот. Однако сначала следует упомянуть, что некоторые мономерные и димерные нуклеотиды являются одними из самых важных биологических молекул, вовлеченных в энергетическую систему клетки. И пожалуй, самым важным веществом здесь является аденозинтрифосфат – АТФ (рис. 4.3).

Связи остатков фосфорной кислоты друг с другом содержат в себе много энергии (и называются макроэргическими связями) и легко отдают ее при расщеплении. Чаще всего отщепляется монофосфат (тогда остается аденозиндифосфат, АДФ), иногда – дифосфат (и остается аденозинмонофосфат, АМФ). АТФ является универсальным энергоносителем для всех биологических процессов, которые идут с затратой энергии (иногда используется гуанозинтрифосфат (ГТФ), а синтез ДНК и РНК идет за счет трифосфатов всех соответствующих нуклеотидов). Причем правильнее сравнить АТФ даже не с универсальным энергоносителем, а с универсальной валютой, поскольку расходуется она счетно: как правило, одна молекула АТФ идет на любое химическое превращение одной молекулы чего угодно, требующее затраты энергии.

В процессах производства АТФ в энергетических системах клеток используются динуклеотиды, включающие несколько другие азотистые основания, чем те, что встречаются в молекулах ДНК и РНК.

Циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), в котором одна фосфатная группа связана с двумя атомами углерода рибозы, является почти универсальным внутриклеточным сигналом, регулирующим метаболизм.

Таким образом, роль этих странных веществ – нуклеотидов – весьма важна и разнообразна.

Перейдем к полимерным нуклеиновым кислотам. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), их мономерами являются нуклеотиды. В ДНК входят нуклеотиды с дезоксирибозой, в РНК – с рибозой. Второе отличие – в составе азотистых оснований. В состав ДНК входит аденин, тимн, гуанин и цитозин; в состав РНК также входят четыре азотистых основания, но место тимина занимает урацил. Иначе говоря, различия касаются всего лишь наличия / отсутствия одной гидроксильной группы у сахара и метильной группы у одного из азотистых оснований.

Полимеры ДНК и РНК образуются за счет того, что одна из двух оставшихся кислотных групп остатка фосфорной кислоты у нуклеотида присоединяется к третьему атому углерода пентозы, а также через сложноэфирную связь, образуемую гидроксильной группой, которую этот атом несет как у рибозы, так и у дезоксирибозы. Получается цепочка, строение которой показано на рис. 4.4.

С ее полимерной частью все понятно. Разберемся, чем она кончается. На одном конце ее находится свободная фосфатная группа при пятом атоме пентозы, на другом – пентоза со свободным третьим атомом. При описании нуклеиновых кислот атомы углерода в азотистых основаниях принято нумеровать цифрами, а в пентозе – цифрами со штрихом. Так что в данном случае принято говорить о 5’- и 3’-концах молекулы, причем первый считается началом цепочки ДНК или РНК, а второй – концом.

Теперь нам необходимо ознакомиться со способностью азотистых оснований образовывать водородные связи друг с другом. Их конфигурация такова, что аденин может образовывать две водородные связи с тимином или урацилом, а гуанин – три водородные связи с цитозином, тогда как в прочих сочетаниях образование водородных связей не происходит в силу стерических (т. е. геометрических) причин (рис. 4.5). Иначе говоря, в указанных парах пурин – пиримидин и только в них основания подходят друг к другу – принято говорить, что они комплементарны.

Незадолго до открытия структуры ДНК американский ученый Эрвин Чаргаф обнаружил, что количество аденина в ДНК всегда равно количеству тимина, а количество гуанина – количеству цитозина и что общее количество пуринов всегда равно количеству пиримидинов. Сочетание этих правил Чаргафа с данными рентгеноструктурного анализа англичан Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин, которые указывали на наличие спиральной структуры, и привело к созданию в 1953 г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком (они пользовались исключительно чужими данными и собственными объемными моделями простых молекул) знаменитой модели двойной спирали. Эта модель давно уже стала общеизвестной (рис. 4.6).

Напомним, что мы имеем дело с вещами, размер которых в сотни раз меньше длины волны света (диаметр двойной спирали – 2 нм, длина волны света – сотни нанометров), так что увидеть их принципиально невозможно при любом уровне оптической техники. ДНК можно увидеть только в электронном микроскопе, где вместо световых волн используется поток электронов, ведущих себя как волны с гораздо меньшей длиной.

Отметим один общий недостаток большинства наглядных моделей двойной спирали ДНК – на них азотистые основания показаны направленными прямо друг к другу, а полипентозные цепи – расположенными строго напротив друг друга. На самом деле, если мы вернемся к картинке с одними спаренными азотистыми основаниями, то увидим, что связи на сахар направлены под углом друг к другу. Поэтомув молекуле ДНК две полисахаридные цепи несколько сближены с одной стороны и разобщены с другой. Углубления по обе стороны от них, на дне которых находятся азотистые основания, называются соответственно большой и малой бороздкой ДНК. Если бы нуклеотиды располагались строго напротив друг друга, бороздки бы были одинаковы. (Эти бороздки очень важны – именно там некие специальные белки нащупывают информацию о том, с какого места нужно начинать свою работу по удвоению или расшифровке молекулы ДНК.)

Еще одно важное свойство, которое, возможно, ускользнуло от внимания при рассматривании картинок – антипараллельность: две цепи ДНК в двойной спирали направлены навстречу друг другу. Если молекулу ДНК обрезать, то на одном и том же конце двойной спирали одна цепочка закончится 3’-концом, а другая – 5’-концом.

Д. Уотсон и Ф. Крик опубликовали свою модель на двух страницах в журнале Nature и отказались ее обсуждать, написав, что важнейшие следствия из нее самоочевидны. Вот и вы попробуйте ответить, какие интересные и важные следствия можно сделать из структуры этой молекулы. Можно привлекать знания, полученные вами из «обыденной жизни», СМИ, уроков биологии, наконец.

1. Главное, что структура одной цепи может быть полностью и однозначно восстановлена по другой, за счет того, что цепи однозначно комплементарны. Процесс схематически представлен на рис. 4.7 (следует помнить, что это лишь иллюстрация принципа – в реальности все сложнее):

2. В каждой цепи мы имеем чередование тех же самых четырех нуклеотидов, причем на то, какой именно нуклеотид будет находиться в каждом конкретном месте, соседние нуклеотиды никак не влияют, т. е. стерических ограничений на соседство тех или других нуклеотидов не существует (это можно выяснить, имея дело с детальными объемными моделями, как у Д. Уотсона и Ф. Крика). Точно так же соседние буквы на бумаге сами по себе (без участия того, кто их пишет или читает) не влияют друг на друга. По сути, мы имеем очень длинную строчку, в которой в некоем порядке чередуются буквы четырехбуквенного алфавита. (Как говорится, ДНК – это всего лишь одно очень длинное четырехбуквенное слово – just one very long four-letter word.) Через ДНК можно передать очень много информации. В нашем алфавите 33 буквы, в английском – 28, компьютер пользуется двухбуквенным алфавитом (вся информация, с которой он работает, записана в последовательности нулей и единиц, или, если хотите, плюсов и минусов; в реальности – это направление намагниченности магнитного носителя, наличие/отсутствие заряда на кристаллах кремния или /отсутствие дырки на оптическом носителе), и при этом способен воспроизвести любое сообщение на русском и английском. Другими словами, для передачи любого сообщения достаточно двух букв. Чем больше букв в алфавите, тем короче будет длина сообщения фиксированного содержания, но тем больше времени нужно на обучение, тем более тонкие программы нужны для распознавания. Жизнь остановилась на четырех буквах – большее их количество, видимо, потребовало бы гораздо более сложных молекул и соответственно более громоздкого носителя. Сейчас мы увидим, какая именно информация в ДНК записана и как она реализуется.

Длина строчки впечатляет. Вы, наверное, знаете, что ДНК находится в хромосомах. Каждая хромосома представлена одной линейной молекулой ДНК. В самой большой хромосоме человека находится 2,5 млн нуклеотидов, а сама молекула достигает в длину около 10 см. Поскольку размер клеток много меньше миллиметра, она должна быть очень сложным образом упакована, так чтобы компактность сочеталась с работоспособностью.

Чтобы выяснить, как именно информация ДНК хранится и считывается, рассмотрим три важнейших процесса с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция. Этимологически это будет значить: копирование, переписывание и перевод. Не совсем понятно, что такое переписывание – в нашем случае это будет перевод на другой диалект того же языка. Все эти процессы являются вариантами матричного биосинтеза – синтеза сложных нерегулярных полимеров по некоей матрице.

Дата добавления: 2014-11-16