Биология для тех, кто ищет ответы в природе - Андрей Левонович Шляхов

Репликация – это главное свойство молекулы ДНК. Новая цепь синтезируется по матрице, в роли которой выступает старая цепь. Процесс проходит с участием ряда ферментов. Одни ферменты «расплетают» двойные цепи ДНК на две одинарные, другие разрезают ДНК на фрагменты, делая процесс копирования более удобным, третьи сшивают эти фрагменты, а самые главные ферменты, называемые ДНК-полимеразами, собирают мономеры в новые цепи.

Мы уже говорили о том, что участок молекулы ДНК (а также некоторых РНК), содержащий информацию об одном отдельном белке, то есть об одном признаке организма, называют геном10. Систему записи наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот называют генетическим кодом.

Дискретной единицей генетического кода, кодирующей включение в полипептидную цепь одной аминокислоты, является кодон. Кодоны состоят из трех соседних нуклеотидов.

Каждый кодон соответствует определенной аминокислоте, входящей в состав белков. Каждой аминокислоте соответствует не один, а несколько кодонов, ведь аминокислот 20, а 4 разновидности нуклеотидов дают 64 тройных комбинации. Поскольку нуклеотиды на схемах обозначают буквами, кодоны выглядят как сочетания трех букв.

Фрагмент таблицы кодонов

Посмотрите на фрагмент молекулы матричной РНК, изображенный в буквенном виде.

АУГГУУГЦУААУЦУУАУГАГААГГУГЦГЦАГГГГГГАААГАУАААААААУАЦУГАУГГЦАГГГАААГАУАААААААУАЦУГАУГГЦАГГГГГГАУГГУУГЦУААУЦУУАУГАГААГГУГЦГЦАГГГГГГАААГАУАААААААУАЦУГАУГГЦАГГГ…

Глаза разбегаются в разные стороны, верно? А это же всего лишь небольшой фрагментик.

Если начать читать кодоны с буквы А, то первой аминокислотой будет метионин, второй – валин, третьей – аланин… И так далее. Если же пропустить букву А и начать читать кодоны с буквы У, второй по счету, то первой аминокислотой будет триптофан, второй – лейцин, и третьей – тоже лейцин… Замена всего одной аминокислоты на другую в молекуле гемоглобина приводит к развитию тяжелого заболевания. Страшно представить последствия синтеза совершенно другого белка вместо заданного. А если такое будет повторяться на разных матрицах… Ужас-ужас-ужас!

Чтобы ужаса не случилось, природа предусмотрела старт-кодон АУГ (аденин – урацил – гуанин), соответствующий аминокислоте метионину, и стоп-кодоны УГА (урацил – гуанин – аденин), УАГ (урацил – аденин – гуанин), УАА (урацил – аденин – аденин) никаким аминокислотам не соответствующие.

Таким образом, синтез любого белка начинается с метионина. Но ведь метионин может быть закодирован в разных местах на молекуле нуклеиновой кислоты. Что будет, если синтез белка начнется не с того старт-кодона? Ничего хорошего!

К счастью, природа подстраховалась и здесь – обвела стартовый кодон жирным красным марке– ром. Захочешь – не спутаешь! На самом деле, как вы понимаете, никакого красного маркера нет, а есть несколько нуклеотидов, располагающихся до старт-кодона и после него. Такое окружение сигнализирует о том, что начинать синтез белковой молекулы нужно с этого места, с этого метионинового кода.

В отличие от молекулы ДНК, молекула РНК образована одной полинуклеотидной цепочкой. Исключение составляют некоторые РНК-содержащие вирусы-оригиналы, которые имеют двухцепочечную РНК.

Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.

РНК бывает четырех видов: информационная или матричная РНК, транспортная РНК, осуществляющая транспортировку аминокислот к месту синтеза белка, рибосомная РНК и РНК-ферменты, называемые рибозимами.

Все виды РНК принимают участие в процессах синтеза белков, который называется трансляцией11. Трансляцию следует отличать от транскрипции12, так называется процесс синтеза РНК на матрице ДНК.

Сначала происходит трансКрипция – изготавливается РНК-матрица, а уже на ней происходит трансЛяция – «штамповка» белковых молекул. Буква «л» следует за буквой «к» точно так же, как трансляция следует за транскрипцией – этот простой прием поможет вам правильно все запомнить.

Транспортные РНК, на долю которых приходится около 10 % от общего содержания РНК в клетке, не только транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка, но и выполняют посредническую функцию в синтезе. Каждая аминокислота имеет своего персонального «шофера с машиной» – соответствующую ей и только ей транспортную РНК. Некоторым аминокислотам соответствуют несколько транспортных РНК, но никогда одна транспортная РНК не будет переносить разные аминокислоты.

Рибосомные РНК составляют 80–85 % от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками они образуют органоиды– рибосомы, осуществляющие синтез белка.

Рибозим (от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим»13) представляет собой РНК, обладающую ферментативным действием. Рибозимы «разрезают» другие молекулы РНК или, напротив, «сшивают» их фрагменты.

Рибозимы применяются в медицине для борьбы с вирусами. Они разрезают вирусную РНК, лишая тем самым вирусы способности к воспроизводству.

Из правила «один ген кодирует один белок, который определяет один признак» есть два исключения. И если первое можно понять, то второе выходит за рамки допустимого.

Но давайте начнем с понятного, так как-то спокойнее.

Некоторые гены обладают множественным действием – они способны влиять не на один, а на несколько признаков. Такая «многогранность» называется плейотропией, что переводится с греческого как «бо`льшее количество превращений».

Плейотропия может быть первичной или вторичной. При первичной плейотропии один ген на самом деле влияет на несколько признаков. Например, у человека ген, определяющий рыжую окраску волос, одновременно обуславливает более светлую окраску кожи и наличие на ней веснушек. При вторичной плейотропии ген по сути дела влияет на один признак, от которого напрямую зависит несколько других признаков. Классическим примером вторичной плейотропии является нарушение синтеза белка крови гемоглобина, приводящее к развитию заболевания, называемого серповидноклеточной анемией. Ген вызывает нарушение синтеза белка, а дальше «нарушенный» гемоглобин приводит к вторичным проявлениям – невосприимчивости к малярии, анемии, увеличению печени и селезенки, поражению сердца и головного мозга.

Но как же быть с концепцией «один ген – один белок – один признак»? Получается, что плейотропия ей противоречит…

Нет, не противоречит. Просто один белок, образующийся в результате считывания информации с гена, может принимать участие в нескольких процессах, происходящих в организме. Давайте скажем так: «один ген – один белок», и эта концепция будет верной для любого гена.

А будет ли?

Приготовьтесь, сейчас начнется самое интересное. Мы переходим ко второму исключению.

Как, по-вашему, можно объяснить вот такой «парадокс» – мы с вами имеем около двадцати тысяч генов, но при этом в нашем организме синтезируется более ста тысяч белков?

Двадцать тысяч генов и сто тысяч белков! По пять белков на один ген!

По пять разных белков с одного и того же кода?

Как такое вообще возможно?

Это все равно что отлить пять разных фигур, используя одну и ту же форму для литья, или же построить несколько разных зданий по одному и тому же проекту.

Можно понять, что один белок участвует в различных процессах в организме и, соответственно, влияет на несколько признаков.

Но как может