ДНК І РНК
МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ, детальне вивчення живих клітин та їх складових частин (органел), простежує роль окремих ідентифікованих сполук у функціонуванні цих структур. До сфери молекулярної біології відноситься дослідження всіх пов'язаних з життям процесів, таких, як харчування і виділення, дихання, секреція, зростання, репродукція, старіння і смерть. Найважливіше досягнення молекулярної біології - розшифровка генетичного коду і з'ясування механізму використання клітиною інформації, необхідної, наприклад, для синтезу ферментів. Молекулярнобіологіческіе дослідження сприяють і більш повного розуміння інших процесів життєдіяльності - фотосинтезу, клітинного дихання та м'язової активності.
У молекулярній біології вважають за краще працювати з відносно простими системами,
Областю молекулярної біології, викликає великі суперечки і часто неприйняття, є генна інженерія, або технологія рекомбінантних ДНК, суть якої в тому, що в організм рослини чи тварини вбудовують чужі гени, щоб надати йому нові властивості або ж компенсувати які-небудь спадкові дефекти
БІОЛОГІЧНІ КОНЦЕПЦІЇ
Аж до початку 20 ст. біологи були переконані в тому, що все живе принципово відрізняється від неживого і в цій відмінності є якась таємниця. В даний час завдяки значно збільшеній обсягом знань у галузі хімії і фізики живої матерії стало ясно, що життя може бути пояснена в звичних поняттях хімії та фізики. Нижче коротко викладаються основні концепції сучасної біології, що стосуються самого феномену життя.
Генетичні механізми та еволюція. Генетична теорія говорить, що ознаки особин кожного покоління передаються наступному поколінню через одиниці спадковості, звані генами. Великі складні молекули ДНК складаються з чотирьох типів субодиниць, званих нуклеотидами, і мають структуру подвійної спіралі. Інформація, що міститься в кожному гені, закодована особливим порядком розташування цих субодиниць. Оскільки кожен ген складається приблизно з 10 000 нуклеотидів, збудованих в певній послідовності, існує безліч комбінацій нуклеотидів, а відповідно і безліч різних послідовностей, які є одиницями генетичної інформації.
Визначення послідовності нуклеотидів, що утворюють певний ген, стало тепер не тільки можливим, але навіть досить звичайною справою. Більш того, ген можна синтезувати, а потім клонувати, отримавши таким чином мільйони копій. Якщо якесь захворювання людини викликане мутацією гена, який у результаті не функціонує належним чином, в клітину може бути введений нормальний синтезований ген, і він буде виконувати необхідну функцію. Ця процедура називається генною терапією. Грандіозний проект «Геном людини» покликаний з'ясувати нуклеотидні послідовності, що утворюють всі гени людського геному.
Одне з найважливіших узагальнень сучасної біології, формулируемое іноді як правило «один ген - один фермент - одна метаболічна реакція», було висунуто у 1941 американськими генетиками Дж.Бідлом і Е. Тейтемом. Відповідно до цієї гіпотези, будь-яка біохімічна реакція - як в розвивається, так і в зрілому організмі - контролюється певним ферментом, а фермент цей у свою чергу контролюється одним геном. Інформація, закладена в кожному гені, передається від одного покоління іншому спеціальним генетичним кодом, який визначається лінійною послідовністю нуклеотидів. При утворенні нових клітин кожен ген реплікується, і в процесі розподілу кожна з дочірніх клітин отримує точну копію всього коду. У кожному поколінні клітин відбувається транскрипція генетичного коду, що дозволяє використовувати спадкову інформацію для регуляції синтезу специфічних ферментів та інших білків, що існують у клітинах.
У 1953 американський біолог Дж.Уотсон і британський біохімік Ф. Крик сформулювали теорію, яка пояснює, яким чином структура молекули ДНК забезпечує основні властивості генів - здатність до реплікації, до передачі інформації та мутирование. На підставі цієї теорії виявилося можливим зробити певні передбачення про генетичної регуляції синтезу білка і підтвердити їх експериментально.
Розвиток з середини 1970-х років генної інженерії, тобто технології отримання рекомбінантних ДНК, значно змінило характер досліджень, що проводяться в області генетики, біології розвитку та еволюції. Розробка методів клонування ДНК і проведення полімеразної ланцюгової реакції дозволяють одержувати в достатній кількості необхідний генетичний матеріал, включаючи рекомбінантні (гібридні) ДНК. Ці методи використовуються для з'ясування тонкої структури генетичного апарату і відносин між генами і їх специфічними продуктами - поліпептидами. Вводячи в клітини рекомбіновану ДНК, вдалося отримати штами бактерій, здатні синтезувати важливі для медицини білки, наприклад людський інсулін, гормон росту людини і багато інших з'єднань.
Значний прогрес був досягнутий в області вивчення генетики людини. Зокрема, проведені дослідження таких спадкових хвороб, як серповидноклітинна анемія і муковісцидоз. Вивчення ракових клітин привело до відкриття онкогенів, що перетворюють нормальні клітини в злоякісні. Дослідження, проведені на віруси, бактерій, дріжджах, плодових мушках і мишах, дозволили отримати велику інформацію, що стосується молекулярних механізмів спадковості. Тепер гени одних організмів можуть бути перенесені в клітини інших високорозвинених організмів, наприклад мишей, які після такої процедури називаються трансгенними. Щоб здійснити операцію по впровадженню чужорідних генів в генетичний апарат ссавців, розроблено цілий ряд спеціальних методів.
Одне з найбільш дивних відкриттів у генетиці - це виявлення двох типів входять до складу генів полінуклеотидів: інтронів і екзонів. Генетична інформація кодується і передається тільки екзонами, функції ж інтронів до кінця не з'ясовані.
РНК
У 1978 став викладачем в університеті Колорадо в Боулдері. Тут Чек зробив своє головне відкриття. Був першим, хто повідомив про каталітичної активності РНК. Це сталося у 1982. Роком пізніше С. Олтмен прийшов до такого ж висновку.
Ситуацією, центральної догмою молекулярної біології була взаємозв'язок: ДНК РНК фермент. Раніше вважалося, що і ДНК, і РНК служать лише носіями генетичної інформації, в той час як білки в формі ферментів каталізують хімічні процеси життя. Чек і незалежно від нього C. Олтмен спростували цю догму.
У 1970-1980-х роках Чек і Олтмен вивчали, яким чином генетичний код переноситься від ДНК до РНК. Їм було відомо, що частина генетичної інформації не є обов'язковою і від неї треба позбутися в молекулі РНК, перш ніж та почне використовуватися клітиною. У пошуках вирішення цієї задачі Олтмен і Чек відкрили, що ферментативну функцію бере на себе не білок, а каталітична РНК.
Чек вивчав молекулу РНК примітивного одноклітинного організму Tetrahymena. Він знайшов, що непотрібну частину можна видалити із середньої частини молекули цієї РНК, причому після видалення цього фрагмента залишилися відрізки з'єднуються разом. Сенсаційним було, що молекула РНК сама по собі каталізує дану реакцію. Віддалений фрагмент РНК сам себе модифікує таким чином, що виявляється здатним функціонувати, крім іншого, в ролі ферменту, який синтезує РНК. Каталітична РНК може створювати нову РНК.
Роботи Олтмена та Чека показали, що каталітична активність молекул РНК залежить від їх тривимірної структури, як це має місце і в разі білкових ферментів.
Відкриття каталітичної РНК, яку називають також рибозимів, важливо як для науки, так і для виробництва.
Каталітична РНК, можливо, виконує не тільки функцію розрізання та возз'єднання РНК, але й відіграє головну роль в багатьох інших біологічних процесах. Хімічні процеси життя часто вимагають взаємодії білок - РНК. Може бути, РНК, а не білкові ферменти відіграють в них провідну роль.
Каталітична РНК - новий могутній засіб генної інженерії. Простежуються очевидні застосування каталітичної РНК в біотехнології і медицині. Наприклад, рослини, приготовлені методом генної інженерії, можна зробити стійкими до впливу вірусів, якщо створити рибоза, який буде розривати й руйнувати генетичний матеріал вірусу. Те ж видається цілком очевидним і при конструюванні ліків проти вірусних інфекцій.
Нарешті, виник новий підхід до тлумачення проблеми хімічного механізму походження життя на Землі. Яка біомолекули з'явилася на Землі першою? Як могла виникнути життя, якщо молекули ДНК генетичного матеріалу можуть відтворюватися лише за допомогою білкових ферментів, у той час як самі білки можуть бути побудовані лише за допомогою генетичної інформації, що містяться в ДНК?
Відкриття Олтмена та Чека показало, що такий молекулою могла бути і не білкова молекула, і не молекула ДНК. Молекула РНК відповідає необхідним параметрам - вона одночасно може служити і генетичним матеріалом, і мати властивості ферменту.
У 1989 Чеку і С. Олтмену була присуджена Нобелівська премія «за відкриття каталітичних властивостей РНК».
Властивістю відтворення собі подібних мають нуклеїнові кислоти і навіть окремі фрагменти молекули ДНК (дезоксирибонуклеїнової) - виявлена в 1868 р . в клітинних ядрах - є речовиною спадковості. У 1953 р . - Ф. Крік і Д. Уотсон побудували модель ДНК, яка складається з двох полімерних ланцюжків, закручених одна навколо інший з утворенням подвійної спіралі. Відповідно до цієї моделі кожна з ланцюжків молекули ДНК складається з чотирьох типів мономерів - нуклеотидів. У свою чергу, до складу нуклеотидів входять три компоненти, з'єднані міцними хімічними зв'язками:
1) азотна основа;
2) вуглевод (дезоксирибоза);
3) залишок фосфорної кислоти.
Азотисті основи - це пурини, що мають подвійне вуглецево-азотне кільце, і піримідинові. мають одне таке кільце. Пуринові представлені - аденіном (А) і гуаніном (Г), піримідинові - ти-Міном (Т) і цитозином (Ц). За рахунок фосфорної кислоти нуклеотиди можуть з'єднуватися один з одним за рахунок хімічного зв'язку, утворюючи нуклеїнові кислоти. Модель Крику - Уотсона підтвердилася. Цікаво, що спіраль - найпоширеніша форма у Всесвіті, від атомів до галактик. Не випадково, що молекули ДНК мають форму подвійної спіралі. Ця форма вигідна в тісноті мікросвіту. У деяких рослин довжина ДНК досягає 40 м і полягає в клітинному ядрі розміром ~ мікрон.
Функція ДНК - інформаційна - порядок розташування її чотирьох нуклеотидів несе важливу інформацію, визначає порядок розташування амінокислот в лінійних молекулах білків, тобто їх первинну структуру. Набір білків (ферментів, гормонів) визначає властивості клітини і організму. Молекули ДНК зберігають відомості про ці властивості і передають їх в поколіннях нащадків, тобто ДНК-носій спадкової інформації.
Ген - частина ДНК.
РНК - рибонуклеїнова кислота - схожа на ДНК і теж поспіваємо з мономерних нуклеотидів 4 типів. Тільки до складу РНК замість тимідіновими нуклеотиду входить схожий на нього - уріділовий (У) (урацил). Також до складу РНК входить цукор - рибоза. Але Рівне відмінність: спіраль - одинарна. РНК беруть участь у реалізації спадкової інформації, що зберігається в ДНК, через синтез білка.
Так от, чи можна вважати молекули ДНК носіями життя? доведено, що самокопірованія ДНК і реалізація укладеної в ній інформації відбувається тільки при наявності ферментів, джерел енергії - молекул АТФ. води та інших з'єднань. Очевидно, що окремі молекули нуклеїнових кислот теж не є живими.
АТФ - аденозинтрифосфорная кислота - універсальний біологічний акумулятор енергії: світлова енергія Сонця та енергія, ув'язнена в споживаної їжі, запасається у молекулах АТФ.
У молекулярній біології вважають за краще працювати з відносно простими системами,
Областю молекулярної біології, викликає великі суперечки і часто неприйняття, є генна інженерія, або технологія рекомбінантних ДНК, суть якої в тому, що в організм рослини чи тварини вбудовують чужі гени, щоб надати йому нові властивості або ж компенсувати які-небудь спадкові дефекти
БІОЛОГІЧНІ КОНЦЕПЦІЇ
Аж до початку 20 ст. біологи були переконані в тому, що все живе принципово відрізняється від неживого і в цій відмінності є якась таємниця. В даний час завдяки значно збільшеній обсягом знань у галузі хімії і фізики живої матерії стало ясно, що життя може бути пояснена в звичних поняттях хімії та фізики. Нижче коротко викладаються основні концепції сучасної біології, що стосуються самого феномену життя.
Генетичні механізми та еволюція. Генетична теорія говорить, що ознаки особин кожного покоління передаються наступному поколінню через одиниці спадковості, звані генами. Великі складні молекули ДНК складаються з чотирьох типів субодиниць, званих нуклеотидами, і мають структуру подвійної спіралі. Інформація, що міститься в кожному гені, закодована особливим порядком розташування цих субодиниць. Оскільки кожен ген складається приблизно з 10 000 нуклеотидів, збудованих в певній послідовності, існує безліч комбінацій нуклеотидів, а відповідно і безліч різних послідовностей, які є одиницями генетичної інформації.
Визначення послідовності нуклеотидів, що утворюють певний ген, стало тепер не тільки можливим, але навіть досить звичайною справою. Більш того, ген можна синтезувати, а потім клонувати, отримавши таким чином мільйони копій. Якщо якесь захворювання людини викликане мутацією гена, який у результаті не функціонує належним чином, в клітину може бути введений нормальний синтезований ген, і він буде виконувати необхідну функцію. Ця процедура називається генною терапією. Грандіозний проект «Геном людини» покликаний з'ясувати нуклеотидні послідовності, що утворюють всі гени людського геному.
Одне з найважливіших узагальнень сучасної біології, формулируемое іноді як правило «один ген - один фермент - одна метаболічна реакція», було висунуто у 1941 американськими генетиками Дж.Бідлом і Е. Тейтемом. Відповідно до цієї гіпотези, будь-яка біохімічна реакція - як в розвивається, так і в зрілому організмі - контролюється певним ферментом, а фермент цей у свою чергу контролюється одним геном. Інформація, закладена в кожному гені, передається від одного покоління іншому спеціальним генетичним кодом, який визначається лінійною послідовністю нуклеотидів. При утворенні нових клітин кожен ген реплікується, і в процесі розподілу кожна з дочірніх клітин отримує точну копію всього коду. У кожному поколінні клітин відбувається транскрипція генетичного коду, що дозволяє використовувати спадкову інформацію для регуляції синтезу специфічних ферментів та інших білків, що існують у клітинах.
У 1953 американський біолог Дж.Уотсон і британський біохімік Ф. Крик сформулювали теорію, яка пояснює, яким чином структура молекули ДНК забезпечує основні властивості генів - здатність до реплікації, до передачі інформації та мутирование. На підставі цієї теорії виявилося можливим зробити певні передбачення про генетичної регуляції синтезу білка і підтвердити їх експериментально.
Розвиток з середини 1970-х років генної інженерії, тобто технології отримання рекомбінантних ДНК, значно змінило характер досліджень, що проводяться в області генетики, біології розвитку та еволюції. Розробка методів клонування ДНК і проведення полімеразної ланцюгової реакції дозволяють одержувати в достатній кількості необхідний генетичний матеріал, включаючи рекомбінантні (гібридні) ДНК. Ці методи використовуються для з'ясування тонкої структури генетичного апарату і відносин між генами і їх специфічними продуктами - поліпептидами. Вводячи в клітини рекомбіновану ДНК, вдалося отримати штами бактерій, здатні синтезувати важливі для медицини білки, наприклад людський інсулін, гормон росту людини і багато інших з'єднань.
Значний прогрес був досягнутий в області вивчення генетики людини. Зокрема, проведені дослідження таких спадкових хвороб, як серповидноклітинна анемія і муковісцидоз. Вивчення ракових клітин привело до відкриття онкогенів, що перетворюють нормальні клітини в злоякісні. Дослідження, проведені на віруси, бактерій, дріжджах, плодових мушках і мишах, дозволили отримати велику інформацію, що стосується молекулярних механізмів спадковості. Тепер гени одних організмів можуть бути перенесені в клітини інших високорозвинених організмів, наприклад мишей, які після такої процедури називаються трансгенними. Щоб здійснити операцію по впровадженню чужорідних генів в генетичний апарат ссавців, розроблено цілий ряд спеціальних методів.
Одне з найбільш дивних відкриттів у генетиці - це виявлення двох типів входять до складу генів полінуклеотидів: інтронів і екзонів. Генетична інформація кодується і передається тільки екзонами, функції ж інтронів до кінця не з'ясовані.
РНК
У 1978 став викладачем в університеті Колорадо в Боулдері. Тут Чек зробив своє головне відкриття. Був першим, хто повідомив про каталітичної активності РНК. Це сталося у 1982. Роком пізніше С. Олтмен прийшов до такого ж висновку.
Ситуацією, центральної догмою молекулярної біології була взаємозв'язок: ДНК РНК фермент. Раніше вважалося, що і ДНК, і РНК служать лише носіями генетичної інформації, в той час як білки в формі ферментів каталізують хімічні процеси життя. Чек і незалежно від нього C. Олтмен спростували цю догму.
У 1970-1980-х роках Чек і Олтмен вивчали, яким чином генетичний код переноситься від ДНК до РНК. Їм було відомо, що частина генетичної інформації не є обов'язковою і від неї треба позбутися в молекулі РНК, перш ніж та почне використовуватися клітиною. У пошуках вирішення цієї задачі Олтмен і Чек відкрили, що ферментативну функцію бере на себе не білок, а каталітична РНК.
Чек вивчав молекулу РНК примітивного одноклітинного організму Tetrahymena. Він знайшов, що непотрібну частину можна видалити із середньої частини молекули цієї РНК, причому після видалення цього фрагмента залишилися відрізки з'єднуються разом. Сенсаційним було, що молекула РНК сама по собі каталізує дану реакцію. Віддалений фрагмент РНК сам себе модифікує таким чином, що виявляється здатним функціонувати, крім іншого, в ролі ферменту, який синтезує РНК. Каталітична РНК може створювати нову РНК.
Роботи Олтмена та Чека показали, що каталітична активність молекул РНК залежить від їх тривимірної структури, як це має місце і в разі білкових ферментів.
Відкриття каталітичної РНК, яку називають також рибозимів, важливо як для науки, так і для виробництва.
Каталітична РНК, можливо, виконує не тільки функцію розрізання та возз'єднання РНК, але й відіграє головну роль в багатьох інших біологічних процесах. Хімічні процеси життя часто вимагають взаємодії білок - РНК. Може бути, РНК, а не білкові ферменти відіграють в них провідну роль.
Каталітична РНК - новий могутній засіб генної інженерії. Простежуються очевидні застосування каталітичної РНК в біотехнології і медицині. Наприклад, рослини, приготовлені методом генної інженерії, можна зробити стійкими до впливу вірусів, якщо створити рибоза, який буде розривати й руйнувати генетичний матеріал вірусу. Те ж видається цілком очевидним і при конструюванні ліків проти вірусних інфекцій.
Нарешті, виник новий підхід до тлумачення проблеми хімічного механізму походження життя на Землі. Яка біомолекули з'явилася на Землі першою? Як могла виникнути життя, якщо молекули ДНК генетичного матеріалу можуть відтворюватися лише за допомогою білкових ферментів, у той час як самі білки можуть бути побудовані лише за допомогою генетичної інформації, що містяться в ДНК?
Відкриття Олтмена та Чека показало, що такий молекулою могла бути і не білкова молекула, і не молекула ДНК. Молекула РНК відповідає необхідним параметрам - вона одночасно може служити і генетичним матеріалом, і мати властивості ферменту.
У 1989 Чеку і С. Олтмену була присуджена Нобелівська премія «за відкриття каталітичних властивостей РНК».
Властивістю відтворення собі подібних мають нуклеїнові кислоти і навіть окремі фрагменти молекули ДНК (дезоксирибонуклеїнової) - виявлена в
1) азотна основа;
2) вуглевод (дезоксирибоза);
3) залишок фосфорної кислоти.
Азотисті основи - це пурини, що мають подвійне вуглецево-азотне кільце, і піримідинові. мають одне таке кільце. Пуринові представлені - аденіном (А) і гуаніном (Г), піримідинові - ти-Міном (Т) і цитозином (Ц). За рахунок фосфорної кислоти нуклеотиди можуть з'єднуватися один з одним за рахунок хімічного зв'язку, утворюючи нуклеїнові кислоти. Модель Крику - Уотсона підтвердилася. Цікаво, що спіраль - найпоширеніша форма у Всесвіті, від атомів до галактик. Не випадково, що молекули ДНК мають форму подвійної спіралі. Ця форма вигідна в тісноті мікросвіту. У деяких рослин довжина ДНК досягає
Функція ДНК - інформаційна - порядок розташування її чотирьох нуклеотидів несе важливу інформацію, визначає порядок розташування амінокислот в лінійних молекулах білків, тобто їх первинну структуру. Набір білків (ферментів, гормонів) визначає властивості клітини і організму. Молекули ДНК зберігають відомості про ці властивості і передають їх в поколіннях нащадків, тобто ДНК-носій спадкової інформації.
Ген - частина ДНК.
РНК - рибонуклеїнова кислота - схожа на ДНК і теж поспіваємо з мономерних нуклеотидів 4 типів. Тільки до складу РНК замість тимідіновими нуклеотиду входить схожий на нього - уріділовий (У) (урацил). Також до складу РНК входить цукор - рибоза. Але Рівне відмінність: спіраль - одинарна. РНК беруть участь у реалізації спадкової інформації, що зберігається в ДНК, через синтез білка.
Так от, чи можна вважати молекули ДНК носіями життя? доведено, що самокопірованія ДНК і реалізація укладеної в ній інформації відбувається тільки при наявності ферментів, джерел енергії - молекул АТФ. води та інших з'єднань. Очевидно, що окремі молекули нуклеїнових кислот теж не є живими.
АТФ - аденозинтрифосфорная кислота - універсальний біологічний акумулятор енергії: світлова енергія Сонця та енергія, ув'язнена в споживаної їжі, запасається у молекулах АТФ.