В клетке имеются два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). И ДНК, и РНК – полимерные цепочки, состоящие из отдельных звеньев – нуклеотидов. Сами нуклеотиды тоже имеют довольно сложное строение. Они содержат азотистое основание, моносахаридный остаток и остаток фосфорной кислоты.

Главная функция ДНК – хранение генетической информации: гены представляют собой участки молекул ДНК, в которых хранится информация обо всех белках и РНК организма. Изменения в структуре ДНК называются мутациями. РНК выполняет в клетке несколько важных функций, связанных с синтезом белка. Основные свойства молекул ДНК и РНК суммированы в табл. 1.

Основу цепочек ДНК составляет «сахаро-фосфатный остов» – остатки дезоксирибозы, соединенные через остатки фосфорной кислоты. В этой цепочке азотистое основание присоединено к первому углеродному атому дезоксирибозы, «свой» фосфат – к пятому, а по третьему атому данное нуклеотидное звено соединяется с фосфатом другого звена (см. урок 3).

Молекула ДНК представляет собой две цепочки нуклеотидов, спирально закрученные вокруг общей оси. Азотистые основания двух цепочек располагаются друг напротив друга перпендикулярно оси спирали. На один виток спирали приходится 10 пар азотистых оснований, диаметр спирали составляет 2,37 нанометра.

Цепочки ДНК удерживаются в двойной спирали благодаря водородным связям между азотистыми основаниями, в состав которых входят атомы кислорода и азота с частично отрицательным зарядом, а также атомы водорода, на которых имеется частичный положительный заряд. Благодаря электростатическому притяжению могут возникать связи между азотистыми основаниями, причем отнюдь не между любыми из них. Полностью подходящими будут пары «аденин–тимин» и «гуанин–цитозин». Такое строгое соответствие оснований одной и другой цепочки получило название комплементарности (дополнительности). Пара «аденин–тимин» соединяется двумя водородными связями, а пара «гуанин-цитозин» – тремя. При повышении температуры раствора происходит денатурация ДНК – двойная спираль расплетается на отдельные цепочки.

Если мысленно двигаться по двойной спирали, то по одной цепочке мы будем перемещаться от третьего гидроксила одной дезоксирибозы к пятому другой дезоксирибозы, а по второй цепочке будет происходить движение от пятого гидроксила одной дезоксирибозы к третьему другой. Иными словами, цепочки в ДНК противоположно направлены, или антипараллельны.

Двуспиральные молекулы ДНК выполняют роль генетического материала у всех клеточных организмов. У вирусов генетический материал более разнообразен. Кроме двухцепочечных молекул ДНК, им могут быть одноцепочечные ДНК, одно- или двухцепочечные РНК.

У эукариот большая часть ДНК сосредоточена в ядре – во время деления она конденсируется в хромосомах, а между делениями распределена в виде хроматина по всему пространству ядра. ДНК в хромосомах эукариот линейна: в состав каждой хромосомы только что поделившейся клетки входит одна очень длинная двойная спираль ДНК. У бактерий имеется кольцевая ДНК в единственной «хромосоме», а, кроме того, бывает несколько небольших кольцевых ДНК – так называемые плазмиды. В клетках эукариот ДНК содержится не только в ядре, но также в хлоропластах и митохондриях. Хлоропласты имеют кольцевые ДНК. ДНК митохондрий, как правило, кольцевая, но иногда бывает и линейной.

Молекулы ДНК имеют огромную длину. У человека одинарный набор из 23 хромосом, находящийся в гаметах, содержит около 3 миллиардов пар нуклеотидов. Если вытянуть все эти цепочки в одну нить, ее длина будет равна примерно 1 м. Между митозами ДНК в виде хроматина распределена по всему объему ядра. При митозе ДНК находится в виде очень коротких (около микрометра) хромосом; следовательно, при этом происходит сильная компактизация укладки этой молекулы.

У эукариот первый уровень компактизации составляет нуклеосомная укладка. В хромосомах, кроме ДНК, содержатся щелочные белки – гистоны, у человека имеется пять их видов: Н1, H2A, H2B, H3 и H4. По две молекулы гистонов H2A, H2B, H3 и H4 образуют комплекс-октамер, по форме напоминающий бусину. Двойная спираль ДНК намотана на эти бусины, образованная структура называется нуклеосомой. При этом ДНК, как и следовало ожидать от кислоты, образует электростатические нековалентные связи с гистонами. На нуклеосому навернуто 1,75 оборота ДНК – примерно 160–170 пар оснований.

Накрученная на нуклеосому двойная спираль в 7 раз короче свободной. «Бусы» из нуклеосом соединяются друг с другом с помощью гистона Н1, что обеспечивает еще большую компактизацию. Дальнейшие уровни укладки ДНК пока изучены не достаточно, однако доказано, что цепочки ДНК по всей длине хромосомы нигде не прерываются. Укладка ДНК влияет на генетическую активность. В целом, чем компактнее уложена ДНК, тем менее она активна – в хромосомах во время митоза почти не происходит ни активной работы генов, ни синтеза новой ДНК.

У бактерий ДНК довольно короткая и на клетку приходится всего одна «хромосома» – а значит, нет и задачи все компактно упаковать, чтобы точнее «растащить» по дочерним клеткам. Гистоны у прокариот отсутствуют.

Количество генетического материала сильно отличается у разных организмов. Так, геном примитивных бактерий – микоплазм – содержит от нескольких сотен тысяч до двух миллионов нуклеотидных пар; у других бактерий эта величина составляет несколько миллионов. У разных грибов и водорослей геном достигает десятков миллионов пар оснований, у червей может превышать сто миллионов, у членистоногих, моллюсков и иглокожих лежит в пределах от ста миллионов до пяти миллиардов. Хрящевые рыбы имеют геномы размером несколько миллиардов пар оснований, у костных рыб он варьирует от сотен миллионов до нескольких миллиардов. У амфибий вариации размеров генома очень широки: от сотен миллионов до шестидесяти миллиардов нуклеотидных пар. Рептилии и млекопитающие ограничиваются геномом в несколько миллиардов пар оснований; геном птиц в среднем составляет около миллиарда. Наконец, цветковые растения имеют чрезвычайно разнообразный размер генома – от сотен миллионов до более сотни миллиардов нуклеотидных пар. В целом можно заметить существенное увеличение размеров генома при переходе от прокариот к эукариотам и от одноклеточных организмов к многоклеточным.

В хлоропластах и митохондриях содержится гораздо меньше ДНК, чем в ядре: обычный размер генома хлоропластов составляет 120–200 тысяч пар нуклеотидов, а в геноме митохондрий человека имеется всего 16569 нуклеотидных пар.

Для того чтобы клетка могла поделиться, должно произойти удвоение молекул ДНК – репликация – что позволит каждой дочерней клетке заиметь свою копию молекулы наследственности. В процессе репликации двойная спираль временно расплетается, и каждая цепочка служит матрицей для синтеза новой цепи. Отдельные нуклеотиды, имеющиеся в клетке, присоединяются к матрице по принципу комплементарности – напротив аденина встраивается тимин, напротив гуанина – цитозин. Новые нуклеотиды присоединяются только к 3′-концу (т. е. к гидроксилу третьего атома углерода дезоксирибозы) растущей цепочки, но не к 5′-концу (не к пятому атому). В результате образуются две одинаковые двойные спирали, и каждая из них при делении попадет в одну из дочерних клеток.

Заметим, что каждой клетке достанется одна цепь из состава «старой» молекулы ДНК и одна – вновь синтезированная. Такой способ удвоения был назван полуконсервативным.

Для синтеза ДНК используются не обычные нуклеотиды, а нуклеотидтрифосфаты. При образовании ковалентной связи между нуклеотидтрифосфатами два фосфата отщепляются, а третий образует связь с третьим атомом углерода рибозы. Образовавшийся пирофосфат потом расщепляется на фосфаты.

Синтез РНК или ДНК из нуклеотидов (не нуклеотидтрифосфатов!) – процесс слабо эндэргонический, он требует энергии и не может протекать самопроизвольно. Расщепление цепочки из нескольких фосфатов – процесс сильно экзэргонический, он сопровождается выделением энергии. Сильно экзэргонический процесс как бы «сопрягается» со слегка эндэргоническим, и в итоге синтез цепочки ДНК из нуклеотидтрифосфатов становится возможным. Разложение пирофосфата дополнительно сдвигает равновесие в сторону синтеза полинуклеотидной цепочки (см. урок 9).

Матричный синтез ДНК осуществляется специальными ферментами – ДНК-полимеразами. И у бактерий кишечной палочки, и у человека обнаружено несколько различных форм ДНК-полимераз. Репликация ДНК протекает с чрезвычайно высокой точностью: одна ошибка на несколько миллиардов правильно встроенных нуклеотидов.

При репликации ДНК у эукариот имеющиеся нуклеосомы случайным образом распределяются между двумя цепочками, а сразу же после репликации на обеих молекулах ДНК формируются новые нуклеосомы.

Удвоение ДНК в клетках многоклеточных организмов находится под строгим контролем – неконтролируемая репликация приводит к неконтролируемому делению клетки и перерождению ее из нормальной в раковую. Для удвоения нормальной животной клетки нужно соблюдение нескольких условий. Во-первых, нужно, что бы на ее рецепторы подействовали факторы роста (см. урок 6). Во-вторых, нужно, чтобы рядом было свободное место (чтобы ее не сдавливали соседи). Наконец, нужно, чтобы ее ДНК была неповрежденной. В раковых клетках из-за мутаций нарушаются все эти правила – они делятся без воздействия факторов роста извне, они расталкивают и даже разрушают соседние клетки, они удваивают поврежденную ДНК, что ведет к накоплению еще большего числа мутаций.

Итак, ДНК является носителем наследственной информации. Но возникает вопрос – что же это за информация? Еще в 30-е годы в результате исследования мутаций грибов и бактерий была сформулирована теория «один ген – один фермент». Согласно этой теории, каждый фермент, катализирующий определенную реакцию в организме, кодируется одним геном, и мутации в этом гене приводят к нарушению обмена веществ на стадии, катализируемой данным ферментом. Кроме ферментов, в организме содержатся и другие белки – структурные, транспортные, регуляторные и др. Было обнаружено, что и они кодируются определенными генами, мутации в которых вызывают наследственные болезни.

Так, у человека существует тяжелое наследственное заболевание – серповидноклеточная анемия. При этой болезни в белке β-глобине (входящем в белковую часть гемоглобина) на 6-м месте вместо глютаминовой кислоты стоит валин. В результате этот белок становится плохорастворимым, и красные кровяные тельца приобретают форму серпа. Оказалось, что причиной заболевания является мутация в гене, расположенном в 11-й хромосоме – в определенном участке этого гена аденин заменяется на тимин. Согласно современным представлениям, концепция формулируется как «один ген – одна полипептидная цепь», поскольку многие белки состоят не из одной, а из нескольких полипептидных цепочек.

Действительно, для обеспечения синтеза почти всех нужных веществ организму достаточно записи информации о его белках – ведь белки-ферменты направляют синтез и углеводов, и липидов, и других веществ. Последовательность нуклеотидов в определенном участке ДНК соответствует последовательности аминокислот в соответствующем белке. При этом три нуклеотида ДНК соответствуют одной аминокислоте белка. В самом деле, нуклеотидов всего 4, а аминокислот, из которых строится белок, – 20. Если бы один нуклеотид соответствовал одной аминокислоте, то можно было бы закодировать всего 4 разных аминокислоты, а если бы одной аминокислоте соответствовали два нуклеотида – то только 4 × 4 = 16 аминокислот. При существующем триплетном генетическом коде число возможных троек нуклеотидов составляет 4 × 4 × 4 = 64, что с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот (на самом деле, нужно еще обозначать сигнал «стоп», чтобы закончить синтез белка в нужном месте, но 64 триплетов все равно более чем достаточно).

При считывании генетической информации сама ДНК не используется в качестве матрицы для синтеза белка – ведь любое изменение в ее нуклеотидах представляет собой мутацию, и в дальнейшем оно будет передано всем потомкам этой клетки. С матрицы ДНК снимается «рабочая копия»: если она и подпортится, то дефектными будут лишь несколько молекул белка. Использование «рабочей копии» дает еще одно важное преимущество: такие молекулы можно в большом количестве считать с одного гена, а затем с каждой «рабочей копии» считать много молекул белка, что позволяет существенно ускорить его синтез.

Функцию такой «рабочей копии» выполняет информационная РНК; ее называют также матричной РНК (мРНК). Считывание РНК с матрицы ДНК называется транскрипцией. Она осуществляется специальным ферментом – РНК-полимеразой, которая присоединяет новые нуклеотиды к 3′-концу растущей цепочки, т. е. цепочка РНК удлиняется в направлении от 5′- к 3′-концу. Для синтеза РНК используются не просто нуклеотиды, а нуклеотидтрифосфаты – подобно тому, как происходит при синтезе ДНК. Только молекулы нуклеотидтрифосфатов, используемые для синтеза ДНК, содержат дезоксирибозу, а для синтеза РНК – рибозу.

мРНК считывается с участка ДНК, кодирующего данный белок, в соответствии с принципом комплементарности: напротив аденина ДНК становится урацил РНК, напротив гуанина – цитозин, напротив тимина – аденин и напротив цитозина – гуанин. Может возникнуть вопрос: а зачем нужно иметь два различных основания, урацил и тимин, если все равно они комплементарны аденину? Не лучше ли было ограничиться урацилом, ведь он проще по строению? Дело в том, что в водной среде азотистое основание цитозин самопроизвольно подвергается дезаминированию и превращается в урацил. В каждой клетке человека за сутки происходит около сотни таких замен. Если бы урацил был нормальным, природным компонентом ДНК, то никакие системы не могли бы отличить «законный» урацил от «незаконного». А поскольку в нормальной ДНК не должно быть урацила, то специальные ферменты узнают его и исправляют повреждение. Что же касается молекул РНК, то их повреждение не имеет столь большого значения: время их жизни ограничено, и если имеется неповрежденная матрица ДНК, то с нее вскоре считаются новые правильные РНК.

Итак, реализация генетической информации в живой клетке происходит по схеме:

ДНК → РНК → белок. Участок молекулы ДНК, в котором закодирована одна полипептидная цепь, или одна рибосомная РНК, или одна транспортная РНК (о них мы расскажем позже) – это и есть ген (правда, есть еще регуляторные участки, которые сами ничего не кодируют, но входят в состав генов). Точное число генов сейчас известно только для некоторых организмов. У вирусов имеется от нескольких штук до нескольких сотен генов, у бактерий обычное число генов составляет несколько тысяч, у дрожжей – несколько больше, у нематоды Caenorhabditis – более 10 тыс. По последним данным у человека имеется более 20 тыс. генов.

У высших эукариот (например, человека) свыше 90 % всей ДНК вообще не кодирует ни белков, ни РНК; функции этих «молчащих» участков еще плохо изучены.

Молекула РНК менее стабильна, чем ДНК – наличие гидроксильной группы при втором атоме углерода рибозы делает ее менее стойкой по сравнению с дезоксирибозой. Поэтому молекула ДНК лучше подходит на роль носителя наследственной информации.

И у прокариот, и у эукариот, как правило, на каждом отдельном участке ДНК только одна цепочка является кодирующей; на соседнем участке кодирующей может быть другая цепочка, но тоже одна. Участки кодирования в подавляющем большинстве случаев не перекрываются. Исключение составляют вирусы: у них часто на одном участке ДНК кодирующими являются обе цепочки.

Считывание гена начинается с того, что РНК-полимераза садится на промотор – особую последовательность нуклеотидов, имеющуюся в начале каждого гена. Промоторы разных генов похожи друг на друга, но все же имеют некоторые отличия. У бактерии кишечной палочки типичный промотор содержит в транскрибируемой цепи ДНК последовательность АТАТТА в 15 нуклеотидах перед точкой начала транскрипции и последовательность ААЦТГА в 35 нуклеотидах перед этой точкой. Гены с сильно отличающимися от этой последовательности промоторами обычно считываются плохо. Различия в последовательности нуклеотидов в промоторе определяют, какой ген будет считываться интенсивно, а какой слабо.

После промотора в гене идет транскрибируемая часть. Именно в ней закодирована последовательность аминокислот соответствующего белка. Транскрипцию нужно не только начать, но и закончить, поэтому в конце гена есть небольшой участок – терминатор транскрипции.

После того как РНК-полимераза садится на промотор, двойная спираль ДНК частично расплетается. Фермент начинает двигаться по матричной цепи; за ним тянется цепочка синтезируемой РНК. По мере продвижения РНК-полимеразы эта РНК освобождается из комплекса с ДНК, и двойная спираль ДНК восстанавливается.

Дойдя до терминатора, РНК-полимераза отваливается от ДНК, и образовавшаяся РНК тоже освобождается. Скорость транскрипции составляет около 3000 нуклеотидов в минуту. Частота ошибок транскрипции – примерно один неправильно встроенный нуклеотид на десятки тысяч «правильных» нуклеотидов. Точность этого процесса значительно ниже, чем в случае репликации, но поскольку с одного гена считывается много РНК, да и живут они ограниченное время, эти ошибки не наносят клетке большого вреда.

У прокариот имеется одна форма РНК-полимеразы, у эукариот – 3. Для синтеза мРНК (т. е. для считывания генов, кодирующих белки) используется РНК-полимераза II. Синтез мРНК играет важнейшую роль в жизнедеятельности клетки. Что будет с организмом, если его заблокировать, видно из следующего примера. Самый опасный ядовитый гриб, растущий в средней полосе, – бледная поганка (для смертельного отравления достаточно съесть 1/3 гриба). Она содержит несколько различных токсинов, самый сильный из них – α-аманитин. Этот яд ингибирует РНК-полимеразу II и препятствует синтезу мРНК. Впрочем, ингибиторы синтеза РНК используются и в лечебных целях. Так, антибиотик актиномицин D, подавляющий транскрипцию, используется для лечения некоторых видов раковых опухолей.

Молекулы РНК расщепляются специальными ферментами РНКазами. В клетках прокариот среднее время жизни мРНК составляет всего около 3 мин. Такой быстрый оборот позволяет им быстро изменять содержание этих информационных молекул в ответ на изменение условий среды.

В эукариотических клетках мРНК более стабильны. Так, молекула, кодирующая β-цепь глобина, существует в среднем около 10 ч. Однако мРНК некоторых белков – регуляторов клеточного цикла живут меньше 10 мин. Время жизни гистоновых мРНК регулируется: если в клетке происходит синтез ДНК, их период полураспада составляет около часа, а если синтеза нет, – около 10 мин.

Помимо информационной РНК в клетке имеются рибосомальные и транспортные РНК, они не кодируют белков. Рибосомальная РНК (рРНК) входит в состав рибосом (вместе с определенными белками). В клетках эукариот рРНК синтезируется в специальном участке ядра – ядрышке. Там же она связывается с рибосомальными белками и образует субъединицы рибосом, которые потом выходят в цитоплазму и приступают к синтезу белка.

Недавно были проделаны эксперименты, доказавшие что именно рРНК, а не рибосомальные белки, как считалось раньше (см. урок 4), катализируют образование новых пептидных связей при синтезе полипептидных цепочек. Таким образом, не только молекулы белков, но и молекулы РНК могут служить биологическими катализаторами. Каталитическая активность молекул РНК была открыта еще в начале 80-х годов ХХ-го века, однако известные до последнего времени немногочисленные реакции, катализировавшиеся РНК, не имели столь уж важного общебиологического значения. Теперь ситуация изменилась, доказано, что РНК необходима для синтеза белка, который является важнейшим биохимическим процессом, необходимым для жизнедеятельности абсолютно всех клеток.

Открытие каталитической активности РНК позволило разрешить великую загадку эволюционной биологии: что появилось первым в процессе самозарождения жизни на Земле – белки или нуклеиновые кислоты? С одной стороны, все генетические функции в клетке выполняют нуклеиновые кислоты, но с другой стороны, все катализаторы (как считалось еще совсем недавно) являются белками. В настоящее время полагают, что на заре эволюции, в эпоху возникновения первых живых систем, существовал особый «РНКовый мир». Тогда молекулы РНК выполняли обе перечисленные выше важнейшие функции. Постепенно белки взяли на себя каталитическую функцию, почти полностью вытеснив РНК (известно не более десятка реакций живой клетки, которые катализируется молекулами РНК, тогда как белки ускоряют многие тысячи реакций). Функцию же носителя генетической информации взяла на себя ДНК.

Транспортная РНК (тРНК) играет важную роль в процессе синтеза белка, доставляя нужные аминокислоты в рибосому.

Около 80 % и более от общего количества РНК в клетке (по массе) составляет рРНК, около 15 % – тРНК, и лишь очень небольшую часть – обычно менее 5 % – составляет мРНК. Синтез рРНК и тРНК происходит подобно синтезу мРНК, но рРНК и тРНК не несут информации о строении белка, в отличие от мРНК.