Роль и синтез белков

Все многообразие живых организмов состоит из клеток. Клетка — это структурная и функциональная единица всего живого, производящая (строящая, синтезирующая) белки. Точное число белков, необходимое для нормальной жизнедеятельности клетки, неизвестно, но установлено, что оно достигает многих сотен тысяч. Нельзя найти двух людей, за исключением однояйцевых близнецов, имеющих полностью одинаковые белки. Белки состоят из 20 аминокислот: аланин, глицин, глютаминовая кислота, гистидин, глютамин, аспарагин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, аргинин, лизин, треонин, тирозин, триптофан, фенилаланин, аспаргиновая кислота, серии, пролин и цистеин. Каждая молекула белка представляет собой цепь чередующихся в определенном порядке вышеперечисленных аминокислот, число которых может достигать шести — семи сотен.

В организме человека белки выполняют разнообразные функции. Из белков и их составных частей формируются ферменты, которые способствуют осуществлению множества реакций, протекающих в каждой клетке. Белки могут действовать и как гормоны.

При недостатке тех или иных аминокислот и белков отдельные жизненно важные химические реакции в организме могут быть приостановлены или даже выключены из обменных процессов, что приводит к нарушению обмена веществ и в итоге — к болезням. Полное лишение белковой пищи неизбежно приводит к смерти, даже при обильном питании жирами и углеводами.

Белки различных пищевых продуктов неравноценны по содержанию в них аминокислот. Из 20 аминокислот для синтеза белков не все одинаково нужны. При недостаточном поступлении одних аминокислот белки могут быть частично синтезированы из других. Это так называемые заменимые аминокислоты. Однако девять аминокислот (из 20) должны поступать в организм обязательно, так как они не способны синтезироваться из других аминокислот. Это незаменимые аминокислоты. Среди последних наиболее часто используются лизин, метионин и триптофан. Они получили название критических.

В опытах над животными установлено, что пища без незаменимых аминокислот очень скоро вызывает признаки белковой недостаточности — задержку роста, малокровие, выпадение волос и др.

В каждой молекуле белка аминокислоты чередуются в определенной последовательности. Замена одной аминокислоты другой приводит к изменению структуры и функции молекулы белка, поэтому для организма такая замена не проходит бесследно. Например, молекула гемоглобина состоит из четырех белковых цепочек. Замена в каком-нибудь определенном месте в одной из цепочек, состоящей из 146 аминокислот, глютаминовой аминокислоты валиновой приводит к тяжелейшему заболеванию — серповидно-клеточной анемии (формируются эритроциты серповидной формы, не способные переносить кислород).

Последовательность аминокислот при синтезе, сборке белков в клетках организма определяется генетической программой, заложенной в каждом организме. Эта программа хранится в ядре клетки в особых структурах, называемых хромосомами, в виде дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Основной структурный материал хромосом — не чистая ДНК, а дезоксирибонуклеопротеид (ДНП), то есть комплекс, состоящий из белка и ДНК. Это химическое соединение было открыто еще в 1869 году, но только в 1948—1949 годах удалось доказать, что оно является молекулярным носителем наследственности.

Рис. 7. Химическое строение азотистых оснований нуклеиновых кислот.

Молекула ДНК состоит из двух цепочек, подобных друг другу, закрученных в спираль. Каждая из цепочек представлена, в свою очередь, четырьмя чередующимися элементами — нуклеотидами. Нуклеотиды состоят из фосфатного остатка, соединенного с сахаром дезоксирибозой и одним из четырех азотистых оснований: аденином (А), гуанином (Г), тимином (Т) и цитозином (Ц), которые соединены с фосфорной кислотой через сахар — дезоксирибозу (рис. 1). Две цепочки в молекуле ДНК соединены водородными связями, которые образуются между парой оснований: аденин — тимин и гуанин — цитозин. Если в одной цепочке стоит основание А, то во второй, напротив, находится обязательно Т (рис. 2). Примерно 1000 чередующихся пар оснований соответствуют одному гену, а в каждой клетке содержится до одного миллиона генов. Совокупность всех генов представляет генотип организма, а реальное выражение последнего в человеке называется фенотипом. Фенотип в значительной мере зависит от реальных условий, в которых функционирует генотип.

Если вытянуть в одну нить все ДНК из одной клетки человека, то ее длина составит 3 м 60 см. Во время митоза (процесса деления клетки) вся ДНК укладывается в хромосомы (хромо — цвет, сома — тело). Хромосом всего 23 пары, то есть 46 штук, и общая длина их не превышает 200 мкм.

Рис. 2. Модель строения дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Рис. 3. Схема репликации ДНК.

Одно из важнейших свойств ДНК — ее способность к самовоспроизводству, названная репликацией. При определенных условиях в клетке происходит репликация пар А — Т и Г — Ц. Две нити ДНК расходятся, причем на каждой из них, как на матрице, сразу же синтезируются аналогичные нити (рис. 3).

Сама ДНК непосредственного участия в синтезе белка не принимает, однако она влияет на этот процесс опосредованно, через другую кислоту — рибонуклеиновую (РНК). В отличие от ДНК РНК одноцепочна, вместо сахара дезоксирибозы имеет рибозу и вместо основания тимина — урацил (см. рис. 1).

В синтезе белка принимают участие три типа РНК: информационная (синтезируется на ДНК, как на матрице, в ядре клетки, затем покидает ядро и направляется к определенным структурам цитоплазмы — рибосомам, на которых осуществляется синтез белка); рибосомальная и, наконец, транспортная (доставляет определенные аминокислоты к рибосомам для сцепления их в молекулу белка).

Каким же образом последовательность четырех оснований (А, Г, Т и Ц) в ДНК определяет (кодирует) последовательность 20 аминокислот в белке? Для этого природа в процессе эволюции создала так называемый генетический код.

Как азбукой Морзе (тире с точкой) можно записать и передать любое сообщение, так и генетическим кодом, выраженным четырьмя основаниями в виде триплетов, можно записать последовательность каждой из 20 аминокислот и поставить их в определенное место в белковой цепочке — молекуле.

Генетический код, открытый в 1961—1964 годах, оказался именно триплетным, то есть три нуклеотида в строго определенной последовательности кодируют свою аминокислоту в белке при его создании на специальной матрице — информационной РНК. Триплет — это не просто случайная группировка из трех нуклеотидов: каждый триплет определяет (кодирует) включение только своей аминокислоты. Установлено, что восемь аминокислот могут быть закодированы в среднем двумя разными триплетами, пять аминокислот — четырьмя, а три аминокислоты — аргинин, серин и лейцин — даже шестью триплетами, и только две аминокислоты имеют по одному кодирующему триплету (рис. 4).

Рис. 4. Словарь генетического кода.

Способность кодировать (устанавливать на определенное место) одну и ту же аминокислоту разными триплетами получила название вырожденности генетического кода. Благодаря последней природе удается как бы снять шумы (возможные ошибки), возникающие при работе генетического материала, особенно при его удвоении.

Из-за вырожденности (повторенности) генетического кода не каждое изменение оснований в триплетах может отражаться на последовательности и наборе аминокислот в белке, то есть изменять генетический смысл. Явление вырожденности генетического кода снижает частоту возможных спонтанных (естественных) и экспериментальных изменений (мутаций) на 24,5 %. Наличие вырожденности генетического кода является, можно сказать, непреодолимым барьером на пути получения наследственных изменений определенных признаков (локусов) по многим генам.

Генетический код — удивительно универсальное явление, присущее всем известным организмам от бактериофагов до человека. Это подтверждает общность (из одного источника) происхождения всего живого, в том числе и человека.

 

Деление клетки

При рассмотрении клетки в обычный световой микроскоп видно, что границы ее, благодаря наличию оболочки, четко очерчены. Часто в клетках заметно ядро (рис. 5, 6), также имеющее оболочку. В некоторых клетках ядра не видно, но различаются структуры, названные хромосомами. Основной структурный материал хромосом (90 % массы) — дезоксирибонуклеопротеид (ДНП), то есть комплекс, состоящий из белка и ДНК. Отдельные участки хромосом, ответственные за проявление определенных признаков, называются генами.

Рис. 5. Внешний вид клетки.

Хромосомы есть во всех клетках без исключения. Однако наблюдать их с помощью микроскопа можно только в том случае, если они сжаты, спирализованы, плотно упакованы. В период деления клетки ядерная оболочка растворяется, а хромосомы укладываются в спираль, хорошо окрашиваются специальными красителями и становятся видимыми в световой микроскоп. Далее хромосомы располагаются по экватору клетки, делятся и расходятся к разным полюсам. Делится и цитоплазма. Хромосомы вновь деспирализуются (раскручиваются) и образуют ядерную оболочку. Так из одной материнской клетки образуются две дочерние, совершенно одинаковые. Интересно, что количество ДНК в новых клетках не уменьшается, а остается прежним, так как до начала деления происходит его удвоение (репликация). Такое удвоение получило название митоза.

Рис. 6. Внутреннее строение клетки (схема).

Хромосомы в клетках обнаружены учеными давно, однако только в 1902—1935 годах Томасом Г. Морганом и представителями его школы сформулирована хромосомная теория наследственности. Известно, что у одного и того же вида животных и растений количество хромосом одинаково во всех клетках (кроме половых), у разных же видов — различно. Так, у мыши их 40, крысы — 42, лисицы — 34, свиньи — 38, кролика — 44, человекообразной обезьяны — 48, осла — 62, лошади—64, дрозофилы — 8. Только в 1956 году было точно установлено, что у человека в клетках содержится 46 хромосом — 44 аутосомы и 2 половые хромосомы, а до этого времени считалось, что их 48, как и у обезьяны. Точный анализ хромосом удалось провести благодаря тому, что наука обогатилась новыми методами приготовления препаратов.

Уже в 1959 году была выявлена хромосомная аномалия у человека — так называемый синдром Клайнфельтера. Эта болезнь была описана врачом еще в 1942 году. Ее характерные признаки: высокий рост, гинекомастия, атрофия яичек, мягкая форма дебильности и др. Причина появления этого синдрома — наличие лишней Х-хромосомы в генотипе больного (44 + + XXY). Интересно, что в 1949 году М. Барр обнаружил в ядре неделящейся клетки присутствие интенсивно красящегося объекта, который был назван именем ученого — тельцем Барра (половой хроматин). Последнее присутствует только в клетках женщин и отсутствует в клетках здоровых мужчин. Позднее было установлено, что при наличии двух Х-хромосом в клетке одна из них находится в плотно сжатом состоянии, образуя тельце Барра. У мужчин с синдромом Клайнфельтера в ядрах клеток также присутствует тельце Барра.

В каждой клетке организма человека или животного имеются две хромосомы одного размера и одинаковой формы. Одна из них (гомологичная) получена or отца, другая — от матери. Чтобы число хромосом не возрастало от одного поколения к другому, в половых клетках (гаметах) их должно быть вдвое меньше, чем в зиготе (оплодотворенной яйцеклетке). Уменьшение же числа хромосом вдвое происходит в результате особого клеточного деления — мейоза, наблюдающегося при образовании гамет. При мейозе каждая из хромосом удваивается, гомологичные хромосомы сближаются, образуя пары. Этот процесс носит название конъюгации хромосом. Хромосомы вытягиваются (деспирализуются), что обеспечивает тесное сближение их отдельных участков. При этом в некоторых местах происходит перекручивание хромосом, составляющих пару. Затем, вследствие спирализации, конъюгирующие хромосомы укорачиваются, располагаются по экватору клетки и в анафазе (стадии деления ядра) сближенные ранее гомологичные удвоенные хромосомы расходятся к разным полюсам.

Таким образом, к каждому полюсу отходит лишь одна из парных гомологичных хромосом. Обычно вслед за этим сразу начинается второе деление. Однако у человека в отличие от животных и растений эти два деления в значительной степени разделены во времени: первое редукционное деление хромосом (уменьшительное) плода происходит в период 3—6 месяцев внутриутробного развития, второе — спустя 10—12 лет (а последней половой клетки — примерно через 40 лет).

Итак, в отличие от обычного деления (митоза) в мейозе ядро делится на два ядра, а хромосомы удваиваются один раз. В результате этих делений из одной клетки образуется четыре, число хромосом в которых уменьшается вдвое. Новые клетки содержат не двойной (диплоидный — 2п), а одинарный (гаплоидный — 1n) набор хромосом (рис. 7). При слиянии двух гаплоидных гамет в зиготе диплоидный набор хромосом восстанавливается.

Сколько отцовских и сколько материнских хромосом получит каждая зигота? Это очень важно, так как оказывается, что хромосомы, полученные от отца и матери, рекомбинируются (обмениваются участками) в процессе мейоза совершенно свободно. При расхождении гомологичных хромосом к одному полюсу могут отойти две материнские, к другому — две отцовские. Однако с равной вероятностью могут состояться и другие комбинации — например, к каждому полюсу отойдут одна материнская и одна отцовская хромосомы. А если у человека 23 пары хромосом, то сколько же разнообразнейших комбинаций может возникнуть в гаметах? И каждый участок хромосомы (ген) оказывает специфическое влияние на развитие наследственных признаков организма. Таким образом, именно мейоз обеспечивает возникновение огромного разнообразия сочетания признаков родителей и потомков.

Рис. 7. Мейоз и образование сперматозоидов (а) и яйцеклетки (б) у человека (схема).

Это разнообразие увеличивается еще и тем, что в процессе конъюгации гомологичные хромосомы обмениваются участками, наследственные особенности которых не всегда одинаковы. Первоначальное предположение о каком-то определенном расположении генов в хромосомах возникло тогда, когда на модельных объектах было установлено, что некоторые признаки, обусловленные генами, наследуются связанно друг с другом. Тенденцию признаков наследоваться совместно, а не порознь назвали сцеплением. Групп сцепления столько, сколько пар хромосом у конкретного вида. Ученые, тщательно изучив закономерности появления различных признаков при гибридизации у животных и растений, обнаружили, что сцепление признаков характерно как для животных (в том числе человека), так и для растений.

В результате анализа сцепления и связанного с ним процесса обмена участками конъюгирующих хромосом в каждой паре (одна хромосома — от отца, другая — от матери) установлено, что гены в хромосомах расположены в линейном порядке.

В настоящее время не только подтверждено линейное расположение генов в хромосомах, но и выяснена их сложная химическая структура в виде огромных молекул ДНК. Сейчас принято считать, что ген — это линейная последовательность пар нуклеотидов (от нескольких сотен до тысячи и даже более), кодирующая определенную функцию, а хромосома — это линейная последовательность генов.

Основные закономерности наследования признаков описаны еще в 1865 году Грегором Менделем и основаны на расхождении хромосом в мейозе. Поскольку мейоз характерен для всех организмов, размножающихся половым путем, то закономерности наследования у них одни.

Однако вернемся к митозу. Мы выяснили, что наследство распределяется наследницам поровну. В то же время при делении клетки и репликации (удвоении) генетического материала, хотя и редко, но происходят ошибки. Более того, именно путем проб и ошибок шла вся эволюция живых организмов. Именно ошибкам — отклонениям от генетической программы развития, которые происходят всегда и на всех уровнях жизни, обязан прогресс организмов, видов, родов, семейств. Некоторые отклонения от нормы как бы сообщают данному организму дополнительные возможности, а, значит, и некоторые преимущества перед другими организмами. Изменения, происходящие в наследственных структурах (ДНК), влияют на развитие и проявление новых признаков, морфологических, физиологических или биохимических особенностей.

 

Ошибки в наследственной программе — мутации

Наследственные изменения (мутации) организма обусловлены разными темпами изменений генетического материала независимо от рекомбинации генов в мейозе.

Мутации бывают генными, хромосомными и геномными. Первые возникают в результате выпадения одного основания в молекуле ДНК, вставки дополнительного основания и замены одного другим. В настоящее время твердо установлено, что генные мутации происходят в периоды удвоения структуры ДНК (репликации) и работы генного материала, когда снимается копия с генов или целого блока генов (транскрипция). В этом случае двойная спираль ДНК также локально расплетается. Именно в процессе репликации и транскрипции основания (нуклеотиды) оказываются наиболее доступными для химических соединений, которые модифицируют их, что и приводит к ошибкам репликации, или, как их еще называют, ошибкам спаривания. В результате меняется очередность нуклеотидов в ДНК дочерних клеток по сравнению с материнской.

Хромосомные мутации также могут быть нескольких видов: дупликации (добавление родственного участка хромосомы); делеции (выпадение участка); инверсия (поворот какого-либо участка внутри хромосомы на 180 °) и транслокации (обмен негомологичных хромосом отдельными участками). Существуют хромосомные мутации и другого типа — это тот случай, когда организм отличается от нормы одной или несколькими хромосомами. Такое явление получило название гетероплоидии.

Геномные мутации возникают вследствие кратного изменения наборов или геномов хромосом.

Таким образом, одни мутации приводят к изменению последовательности расположения нуклеотидов, другие обусловливают наличие неодинакового количества хромосом во вновь образованных клетках, третьи нарушают нормальную работу митотического, или мейотического, деления, что блокирует расхождение отдельных пар хромосом по дочерним клеткам.

Частота появления перечисленных типов мутаций разная и очень низкая. Она составляет в среднем одну мутацию на миллион клеток. Однако если учесть огромнейшее количество клеток, составляющих организм человека, то в целом частота мутирующихся генов значительна. Разумеется, для того чтобы быть переданными следующему поколению, мутации должны произойти не в обычных клетках (соматических), а в половых.

Теперь, когда мы заглянули во внутрь клетки, интересно проследить за изменениями в генетической программе, в очередности триплетов в ДНК под действием химических и физических факторов (разные виды ионизирующей радиации). Подсчитано, что для разрыва хромосомы толщиной 0,2 мк необходимо, чтобы на пути пробега через нее альфа-частицы образовалось около 15—20 пар ионов. Следует отметить, что степень изменения хромосомы зависит от места, через которое проходит ионизирующая частица, то есть от того, какой ген претерпевает изменение.

Возникает вопрос: будет ли изменение в ДНК конкретного гена гарантией мутации. Оказывается, что нет. Исследования показали, что на пути репликации имеется целый ряд барьеров, только с преодолением которых мутация от первичного изменения в ДНК может выйти на фенотип.

В последние годы учеными обнаружен сложный барьер в виде системы восстановления, стоящий на пути возможного нарушения очередности оснований в генах. Установлено, что если облучить бактериальные клетки (например, кишечную палочку) или обработать их специальными химическими веществами, вызывающими изменение очередности оснований в молекулах ДНК, то через некоторое время примерно 40—60 % участков ДНК, несущих повреждения, может бить «вырезано» специальными ферментами и заново «застроено» (как бы отремонтировано) комплементарными основаниями. Это происходит потому, что по неизмененной цепочке ДНК клетка способна полностью восстанавливать исходную двойную структуру своего генного материала.

В результате сложных процессов, происходящих в клетке после облучения ионизирующей радиацией или воздействия химическими веществами, возникает новая последовательность расположения пар оснований. Однако эта мутация пока не связана с генетическими последствиями. Клетке необходимо преодолеть еще ряд преград, чтобы изменение на молекулярном уровне могло бы реализоваться на уровне организма.

Предположим, что один барьер преодолен, и поврежденные участки восстановлены лишь частично. В результате появился новый порядок (очередность) оснований в ДНК. Приведет ли это к изменению признаков организма? Нет, не приведет. Следующей преградой является вырожденность генетического кода, или, как ее еще называют, повторяемость, которая также значительно снижает частоту вызванных мутаций.

Далее. Известно, что из четырех оснований при составлении всех возможных триплетов получается 64 комбинации, а наиболее часто встречающихся аминокислот — только 20. Ученые воссоздали все 64 типа триплетов экспериментально, а генетический код при этом оказался триплетным. Последнее означает, что три нуклеотида кодируют (устанавливают) конкретную аминокислоту в определенное место в полипептидной цепи при создании молекулы белка на специальной матрице — информационной РНК.

Возникает вопрос. Почему в процессе эволюции природа так жестко унифицировала генетический код, а не сохранила для каждой аминокислоты свой уникальный, единственный, триплет (см. рис. 4)? Оказывается, эволюция произвела такую унификацию для сохранения стабильности в работе генетического материала и устранения возникающих помех (ошибок), как бы своего рода шумов. Природа поставила препятствия на пути изменения очередности оснований в ДНК, иными словами, создала запас прочности работы молекулярных основ жизни.

Представим себе такую ситуацию. При облучении клеток или обработке их химическими мутагенами удалось изменить очередность нуклеотидов в гене таким образом, что вместо триплета, например,

АГУ образовался один из триплетов УЦЦ, УЦА, УЦГ, УЦУ или АГЦ. В этом случае при сборке (синтезе) белка в нить информационной РНК встраивается та же аминокислота, какова была и у неизмененного, исходного, триплета — а именно, серия. Возникшая новая очередность нуклеотидов в гене не сможет реализоваться, то есть дойти до генетических последствий, из-за вырожденности генетического кода. Следовательно, не каждое изменение в очередности оснований в гене приводит к мутации.

Таким образом, вырожденность генетического кода оказалась одной из гарантий стабильности работы генетического материала.

Предположим теперь, что вызванное изменение в очередности оснований ДНК не было нейтрализовано вырожденностью генетического кода. Необходимо далее, чтобы это изменение не было задержано, снято соматическим (клеточным) отбором. Иными словами, необходимо, чтобы приобретенное клеткой изменение не сказалось на темпе деления, в противном случае такая клетка не сможет конкурировать с нормальными, неизмененными, клетками.

Только в том случае, если клетка, в которой произошли изменения, будет нормально функционировать и размножаться, эти изменения будут переданы дочерним клеткам и смогут дойти до морфологического или физиобиохимического проявления. Однако часто такая клетка размножается слабее нормальной и не может успешно конкурировать с последней. В силу этого происходит клеточный (соматический) отбор, что приводит к снижению частоты наследственных изменений — клетка с изменениями будет просто вытеснена нормальными клетками. Однако допустим, что и этот барьер преодолен. Дойдет ли теперь полученное изменение до фенотипа? Чтобы это произошло, необходимо еще одно условие. Еще один своего рода барьер существует на уровне протекания мейоза в половых клетках, когда многие изменения, прошедшие первые три преграды, могут быть задержаны, как бы нейтрализованы.

Итак, барьеры для мутации природа создала, однако наследственные болезни существуют и передаются из поколения в поколение. В чем же причина?

В 1908 году математик из Англии Харди и врач из Германии Вайнберг независимо друг от друга, проведя математический анализ распределения генов в популяции, обнаружили закономерность, хорошо описывающуюся формулой, отражающей количественную сторону генотипов и фенотипов в популяции. По закону Харди — Вайнберга, свободно существующие популяции при любом соотношении аллелей из поколения в поколение сохраняют их концентрации постоянными. Но это справедливо для идеальных условий, а в реальной жизни количество аллелей постоянно изменяется. Последнее происходит при родственных браках, мутировании генов, отборе, а также при таких социальных явлениях, как изоляция, миграция и др. Более подробно изменение частоты генов в популяциях описано Н. П. Дубининым (1966, 1970, 1986 гг.) и В. П. Эфроимсоном (1968 г.).

Процесс отбора по устранению нежелательных генов из популяции наиболее эффективен в том случае, когда он направлен против доминантных мутаций при условии их полного выражения и проявления (экспрессивность и пенетрантность). В качестве примера можно привести болезнь ахондроплазию (доминантная карликовость). Когда эта болезнь проявляется в более позднем возрасте и носитель летального гена уже имеет потомство, то, естественно, такой доминантный ген уже передан потомкам (например, хорея Гантингтона). Бороться с переходом этой и аналогичных болезней от данного поколения к следующим можно лишь избегая деторождении в этих семьях.