big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Генетическая специфичность ДНК. Генетический код

До 1944 г. казалось очевидным, что наследственные структуры — это сложнейшие образования, состоящие из белков. При этом принималось, что основные элементы «рабочего биохимического механизма» — клетки в виде ферментов (белков), витаминов, стеринов и др. представлены в хромосоме в том же химическом виде, в каком они имеются в цитоплазме клетки и участвуют в процессах обмена веществ. Н. К. Кольцов разработал представление, что процессы автокатализа белков хромосомы в одних случаях ведут к удвоению всей структуры хромосом, а в других — к выходу в цитоплазму молекул специфических белков или аминокислот, строение и состав которых целиком отражены в хромосомах.

Таким образом, казалось, что наследственная информация, которая обеспечивает преемственность форм и функций организмов, записана в хромосомах сложнейшим образом, обладает тысячами готовых веществ, дубликаты которых, выходя из хромосом, сразу оказываются готовыми основными компонентами клетки.

В свете всех новых данных возникает вопрос: что же такое ген? В чем же реально выражается дискретность наследственности, если «атомно-физическая» теория корпускулярно-мономолекулярного гена сейчас не может быть принята?

Приведенные выше факты по ступенчатому аллелизму и псевдоаллелизму вскрыли картину сложного строения гена с внутренним линейным планом и расположением отдельных центров, картину его физиологической сложности и, наконец, делимость гена в явлении кроссинговера.

Появление центровой теории гена явилось свидетельством приближения новой эпохи в проблеме гена. Концепция о неделимом гене вступила в полосу кризиса. Вопреки этой старой концепции, центровая теория открыла в гене сложный микромир структур. Были обнаружены единицы меньшего порядка, чем ген, получившие название субгенов или центров. План гена, созданный путем анализа мутационных взаимозависимостей центров, обнаружил, что центры располагаются внутри гена в линейном порядке. Была показана возможность кроссинговера внутри сложного гена. Поскольку отдельные центры при развитии особи обеспечивали лишь отдельные свойства особи из их комплекса, свойственного действию гена в целом, последнее было рассмотрено как следствие функциональной интеграции всех его частей.

Эти работы, вначале выполненные главным образом на дрозофиле, совершенно изменили первоначальную теорию гена, однако они не раскрыли молекулярной природы гена и на этой основе не осветили глубинных процессов функций гена. Все это удалось сделать лишь после того, как было доказано, что ген представляет собой отрезок молекулы ДНК. Теперь в свете роли ДНК в явлениях наследования мы должны признать, что в истории учения о гене в аспекте раскрытия молекулярной природы генетического материала особое место занимает открытие Мишера, показавшего еще в 1871 г., что спермин сельдей содержат особое, характерное для клеточных ядер вещество в виде дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), Применение реакции Фельгена позволило локализовать ДНК в хромосомах, что затем было подтверждено Т. Касперсоном с помощью ультрафиолетовой спектроскопии. О. Айвери, М. Макклеод и М. Маккарти установили в 1944 г., что открытый в 1927 г, Ф. Гриффитсом трансформирующий фактор у пневмококков представляет собой молекулы ЩНК. Этот факт знаменовал коренное изменение в оценке природы веществ, составляющих материальные основы наследственности. Природа гена начинает связываться с молекулярными структурами ДНК.

А. Херши и М. Чейз в 1952 г. показали, что при заражении в клетку бактерий проникает ДНК фага, а белковая оболочка остается вне бактерий. Исследования по генетике и биохимии фагов, вируса табачной мозаики и бактерий установили, что нуклеиновые кислоты являются материальными носителями генетической информации. Все это определило пристальное внимание к химии, физике и к биологическим функциям нуклеиновых кислот.

Успех работы Г. Уотсона и Ф. Крика в 1953 г. был обусловлен тем, что они расшифровали молекулярную структуру веществ (ДНК), составляющих материальную основу гена. С этого времени начинается эпоха молекулярного анализа природы генетического материала.

Признание, что ДНК обладает генетической специфичностью, т. е. что в ее химическом составе и структуре не представлены готовые исходные вещества, а, напротив, только записана на-

следственная информация, которая дает импульсы появления белков в клетке, создало принципиально новые основы для понимания сущности проблемы наследственности. Новое положение возникло потому, что ДНК является сравнительно простым веществом. Знание ее химического состава и строения создало прочные физические и химические основы для изучения проблемы наследственности. Из области догадок о природе материальных основ наследственности мы перешли в область строгих фактов на уровне молекул и атомов. Физические и химические основы оказались значительно более простыми, чем это думали совсем недавно. При этом в самой молекуле ДНК только часть ее структуры может обладать функцией генетической специфичности. Мы видели выше, что скелет молекулы состоит из сахара и фосфорной кислоты, цепь которых однообразна. Эта цепь одинакова у ДНК разного происхождения и не может быть материальным носителем генетической специфичности. Разнообразие молекул ДНК может быть связано с ее боковыми группами в виде двух пуриновых (аденин и гуанин) и двух пиримидиновых (тимин, цитозин) оснований. Основания одинаковы в разных ДНК, следовательно, источником генетической специфичности разных молекул ДНК приходится признать возможные различия во взаиморасположении, т. е. в последовательности четырех оснований. Эта гипотеза, по которой в основе генетической специфичности (генетического кода) лежит специфичность взаимоположений четырех оснований в молекуле ДНК, была высказана Уотсоном и Криком. Однако могут ли четыре одинаковых основания обусловить все бесчисленное наследственное многообразие таксономических и индивидуальных различий организмов? Что касается математического ожидания, то количество возможных специфических взаиморасположений этих четырех оснований исключительно велико. Например, в отрезке цепочки ДНК, содержащем 100 нуклеотидов, мыслимое количество разных взаимоположений четырех оснований составляет громадную величину, равную 4100. Эта величина в тысячу раз больше, чем число атомов в Солнечной системе. При этом надо учесть, что молекула ДНК составлена не из ста, а из тысяч и десятков тысяч нуклеотидов.

Встает вопрос: в каком соотношении находятся эти данные по физическим и химическим свойствам ДНК с основными фактами цитогенетики о строении и функциях хромосом? Как понять в свете этих новых представлений, с одной стороны, явления дискретности хромосом, элементарной структурой которых признаются отдельные гены, а с другой — явления непрерывности в структуре хромосом, обнаруженные фактами ступенчатого аллелизма, а также процесс перекреста, явления мутаций и эффекта положения?

Проблема гена и проблема непрерывности в строении хромосом, которые до последнего времени в основном противопоставлялись друг другу, приобретают в новых воззрениях на ДНК единую физическую и химическую интерпретацию. Основа генетической специфичности представлена пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. Она дискретна, ибо основания являются плоскими по форме отдельностями, складывающимися внутри молекулы, как монеты, сложенные столбиком. Очевидно, что такая функциональная единица, как ген, не может совпадать с отдельным основанием, ибо в этом случае имелось бы только четыре разных гена. Таким образом, в гене должно быть объединено несколько оснований. О числе оснований, входящих в состав гена, в настоящее время мы можем судить приблизительно. Гамов еще в 1954 г. высказал мысль, что присоединение одной аминокислоты требует действия группы из трех нуклеотидов. Известно, что в состав сложных белков входит около 20 разных аминокислот, а в молекулу белка — по нескольку сотен аминокислотных остатков, следовательно, для синтеза такой молекулы нужно иметь несколько сотен нуклеотидов в ДНК. Это позволило в самой грубой приближенной форме считать, что в состав гена входит около 1000 нуклеотидов.

Если принять, что у высших форм в среднем имеется 50 тыс. генов, то при размере каждого гена в 1000 нуклеотидов всего нужно иметь 50 млн. нуклеотидов. Крик полагает, что нити ДНК в одной лишь хромосоме содержат более 40 млн. нуклеотидов.

Приведенные данные показывают, что все изученное разнообразие генетической специфичности полностью может быть обеспечено возможным многообразием в химической структуре ДНК за счет специфики взаиморасположений четырех оснований.

Каким же образом в структуре ДНК материализовано явление дискретности? Имеются ли какие-либо физические или химические особенности, указывающие на существование генов, т. е. особо организованных, каким-то образом отграниченных друг от друга локусов?

Имеющаяся модель ДНК обеспечивает химическую дискретность генетически значимой части молекулы, поскольку она состоит из определенных оснований. Однако основания располагаются друг за другом равномерно на расстоянии 3,4Å вдоль по длине молекулы, химически они не обнаруживают никаких группировок, которые можно было бы истолковать как морфологически отдельные гены. Каким же образом непрерывная, ничем не подразделенная структура, состоящая из непрерывного ряда химических дискретных единиц, может приобретать свойства более высокоорганизованной, четко выраженной генетической дискретности? Основой этого явления, по-видимому, служит форма передачи генетической информации от хромосом к специфическим белкам, образующимся под их контролем. Даунсон и Гамов высказали идею, что природа передачи информации от ДНК может заключаться в том, что определенная последовательность оснований приводит к распределению определенных аминокислот в определенной последовательности по длине цепи полинуклеотида. По Гамову, специфические комбинации трех рядом лежащих оснований вызывают притяжение специфических аминокислот.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.