Открытие генетики и ее химические основы

Австрийский монах Грегор Мендель (1822-1884) проделал основополагающую работу для определения законов и механизмов наследственности.

В течение многих лет на монастырском огороде он выращивал горох и детально описал все выращенных им растений. При этом он смог проследить в течение нескольких по­колений характер наследования некоторых признаков, таких как цвет семян, и нашел закономерности наследования. Он опублико­вал свои результаты в 1886 году, но оценить их смогли только по­сле того, как в начале 1900-х годов некоторые закономерности были открыты заново. Мендель выдвинул идею о единице наследствен­ности — сейчас ее называют геном, — которая определяет каждое наследуемое свойство.

Раньше считалось, что гены содержатся в белках, управляющих большинством клеточных функций. О существовании ДНК было из­вестно, но, поскольку в ней только 4 основания, ее структура считалась слишком простой, чтобы кодировать большое количество генетиче­ской информации. К ДНК относились как к языку, в алфавите кото­рого всего четыре буквы. Но затем некоторые ученые (Освальд Эйвери, Колин Маклауд и Маклин Маккарти в 1944 году, а также Алфред Херши и Марта Чейз в 1952 ) показали, что генетические свойства все же передаются при помощи ДНК, а не белков. Постепенно стало выясняться, каким огромным потенциалом кодирования обладает ДНК, а ее структуру в виде двойной спирали впервые разгадали Розалинда Франклин, Морис Уилкинс, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик. Структура была выявлена с помощью рентгеновской дифракционной фотографии ДНК, полученной и расшифрованной Розалиндой Фран­клин. Сама Розалинда умерла от рака в 1958 году, в возрасте 37 лет, до того, как ее работа получила признание, и раньше, чем ее коллегам дали за эту работу Нобелевскую премию 1962 года.

Генетический код, состоящий изтриплетов нуклеотидов, был раз­гадан в лаборатории Крика в Кембриджском университете и в аме­риканских лабораториях М. Ниренберга, X. Г. Кораны и Р. Холли в 19611965 годах. Интересно, что принципы кодирующего механиз­ма были правильно предсказаны еще в 1954 году физиком Георгием Гамовым, важнейшие исследования которого в области космологии описаны в главе 24. Было известно, что генетическая информация закодирована последовательностью четырех разных нуклеотидов, и эти нуклеотидные последовательности определяют порядок рас­положения 20 разных аминокислот в белках. Основываясь на этой информации, Гамов пришел к выводу, что генетический код должен основываться на нуклеотидных триплетах.

ДНК и РНК — очень похожие и тесно связанные между собой молекулы. В их названии «НК» означает «нуклеиновая кислота», и это говорит о том, в каком месте клетки обнаруживаются обе эти молекулы — в ядре (пис1еш> — ядро). В термине «РНК» первая буква Р произносится как «рибо» и относится к сахару рибозе, или цикли­ческому кольцу молекулы сахара, содержащему пять атомов угле­рода (две нижние правые молекулы на). В «ДНК» буква Д

Означает дезоксирибозу, или кольцевую молекулу сахара, содержа­щую пять атомов углерода и очень похожую на рибозу, только без группы ОН, присоединенной к углероду на позиции 2 (г’углерод) в кольце рибозы. Оба типа нуклеиновых кислот состоят из нуклео­тидов. В нуклеотидах кольцо сахара работает как центральная моле­кула, которая связывает основание со своим 1’углеродом. Как вид­но на рис. 28.4 (два верхних ряда и первая молекула в третьем ряду) основания состоят из циклических соединений азота и углерода. В каждой из нуклеиновых кислот используется четыре различных типа оснований. В ДНК основаниями служат аденин (А), гуанин (С), цитозин (С) и тимин (Т). В РНК три основания те же самые, лишь вместо тимина используется урацил (II).

Комбинация из сахара и основания составляет единицу, назы­ваемую нуклеозидом. Чтобы образовать нуклеотид, группа фосфата (слева в нижнем ряду на рис.) соединяется с 5’углеродом са­хара. Как показано слева на, фосфатные группы связыва­ют соседние нуклеозиды (фосфодиэфирная связь), чтобы создать длинные нуклеотидные цепочки. Фосфат, связанный с 5’углеродом сахара, всегда присоединен к 3’углероду предыдущего нуклеотида. Это означает, что цепочка всегда растет в одном направлении: но­вый нуклеотид может присоединиться только к 3’положению по­следнего нуклеотида в цепочке, как показано на рис. слева.

На рис. справа вы видите нить ДНК без мелких деталей, представленных слева. ДИК состоит из двух антипараллельных ко­пий длинных нуклеотидных цепочек, скрепленных друг с другом подходящими парами комплементарных нуклеотидов. Изза осо­бенностей трехмерной структуры этих пар оснований они стремятся встать друг над другом таким образом, что завивают параллельные цепочки в правильную спираль. Именно поэтому двойная спираль ДНК выглядит как винтовая лесгница, а точнее — закрученная вере­вочная лестница, у которой две линейные магистрали, состоящие из длинных цепочек Сахаров и фосфатов, удерживаются вместе парами комплементарных нуклеотидных оснований. Каждая из цепочек со­держит «зеркальную» относительно второй цепочки генетическую информацию, поэтому одна из цепочек (активная) считывается, и ее информация используется для синтеза белка, а вторая цепочка нуж­на лишь для репликации первой.