Фосфатные группы рнк намного более активны чем фосфатные группы днк
Почему природа выбрала именно фосфаты?
Vladislav Cherdantsev
Сложные эфиры фосфорной кислоты повсеместно распространены в живом мире. Нуклеотиды в ДНК и РНК связаны между собой фосфатными группами, большинство ферментов являются сложными эфирами фосфорной кислоты, а АТФ, главный источник биохимической энергии, содержит остатки фосфорной кислоты в своем строении. Многие фосфаты и пирофосфаты являются важными метаболитами в биохимических реакциях, однако в синтетической органической химии используются совершенно другие группы (гидроксильные, карбоксильные, хлориды, бромиды, иодиды, тозилаты, трифлаты) для связывания и замещения, и практически никогда не используются фосфатные. Так почему тогда природа выбрала именно фосфаты? В этой статье мы попытаемся объяснить, какие критерии влияли на данный выбор.
Пример биохимической реакции с участием фосфатных групп
Важность ионизации
Все живые организмы должны сохранять метаболиты в пределах клеточной мембраны, иначе клетки будут просто терять необходимые для жизнедеятельности вещества. Большинство электронейтральных молекул растворимы в липидах и могут проходить сквозь клеточную мембрану, но большинство ионизированных молекул нерастворимы в липидах и не способны покинуть пределы клетки. Остатки фосфорной кислоты как раз ионизированы в условиях физиологического pH, поэтому молекулы с фосфатными группами остаются внутри клетки.
Часть процесса гликолиза (окисление глюкозы). Фосфорилированные промежуточные соединения не могут покинуть клетку, так как в клеточной мембране отсутствуют белки для переноса фосфорилированных соединений. Картинка Khan Academy
Связующие группы нуклеиновых кислот
Чтобы хранить генетическую информацию, нуклеотиды должны быть связаны между собой в длинную цепь, которая в дальнейшем может быть разобрана для использования нуклеотидов. Любой организм стремится облегчить сохранение и работу с такими сложными структурами, как нуклеиновые кислоты, поэтому нуклеотиды должны быть связаны такими группами, которые было бы легко получить/разрушить при помощи ферментов. Наиболее подходящей для этих целей является эфирная группа. Таким образом, связующий агент между нуклеотидами должен иметь минимум две гидроксильные группы, а чтобы молекула ДНК или РНК была заряжена, у этого агента должно быть минимум три гидроксильные группы. Конечно, фосфорная кислота первой приходит на ум, но существуют и другие кислоты, способные образовывать две эфирные группы и оставаться заряженными: лимонная, глутаминовая, ортокремниевая, мышьяковая кислоты. Пока что ничего не делает фосфорную кислоту особенной.
Фрагмент структуры ДНК. Фосфатные группы соединяют нуклеотиды в длинные цепочки. Картинка GetDrawing
Скорость гидролиза
Почему же тогда именно фосфорная кислота? Ответ кроется в устойчивости сложноэфирных групп фосфорной кислоты к гидролизу.
Биомолекулы должны быть устойчивыми в воде на долгое, иногда даже очень долгое время. Конечно, некоторые метаболиты могут быть недолговечными, но генетический материал должен быть крайне стабильным к гидролизу.
Какие факторы влияют на скорость гидролиза? В условиях биохимической среды клеток такие сложные эфиры, как этилацетат, могут существовать до нескольких месяцев. Однако даже простые гены содержат тысячи сложноэфирных связей, а простые организмы содержат тысячи генов. Если одна сложноэфирная связь разрушится в течение жизни организма, он может потерять способность к размножению. Каждый час при комнатной температуре и нейтральной среде гидролизу подвергается одна молекула этилацетата из миллиона, а в кислотной среде фруктов, например, одна из миллиона молекул этилацетата гидролизуется каждые несколько секунд.
Отрицательный заряд фосфатных групп имеет несколько большее значение, чем сохранение молекул внутри клетки. Именно он не позволяет фосфатным эфирам подвергаться гидролизу и сохранять устойчивость нуклеиновых кислот. Отрицательно заряженные нуклеофилы (например гидроксид-ионы) отталкиваются от отрицательно заряженных фосфатных групп, а следовательно они гораздо реже реагируют с ними, чем с незаряженными эфирами. Даже нейтральные молекулы реже атакуют фосфатные сложные эфиры, потому что их неподеленные электронные пары тоже отталкиваются от отрицательного заряда.
Вы можете подумать, что отрицательный заряд может присутствовать и на другом кислотном остатке, например остатке лимонной кислоты. Однако отрицательный заряд на остатке лимонной кислоты расположен далеко от сложноэфирной связи, поэтому эффект заряда не так сильно влияет на устойчивость к гидролизу. Близость отрицательного заряда непосредственно к сложноэфирной связи делает фосфатные эфиры более предпочтительными по сравнению с другими эфирами.
Сравнение структур сложных эфиров лимонной (слева) и фосфорной (справа) кислот. Невооруженным глазом видно, что отрицательный заряд (выделен красным цветом) фосфата находится гораздо ближе к сложноэфирной связи, снижая скорость гидролиза
Стабильность фосфатных эфиров в воде при рН 7 позволяет образовывать очень длинные полинуклеотиды и хранить генетическую информацию долгое время. Но даже несмотря на свою устойчивость, фосфатные эфиры способны подвергаться гидролизу под действием ферментов для осуществления необходимых процессов, связанных с молекулами ДНК.
А теперь рассмотрим возможные аналоги фосфорной кислоты и их недостатки.
Аналоги фосфатов
Лимонная кислота. Ее эфиры не так сильно устойчивы к гидролизу, да и сами эфиры получаются неоправданно громоздкими и усложненными.
Мышьяковая кислота. Ядовитый эффект соединений мышьяка неизбежен, а также соединения пятивалентного мышьяка восстанавливаются гораздо легче соединений пятивалентного фосфора.
Ортокремниевая кислота. Распространена в природе даже больше, чем фосфорная кислота, но она слишком слабая, чтобы быть ионизированной в клеточной среде, а ее эфиры гидролизуются слишком быстро.
Структурные формулы лимонной (слева), мышьяковой (посередине) и ортокремниевой (справа) кислот
Фосфатные соли очень распространены на Земле и, благодаря своей растворимости в воде, были легкодоступны в ходе эволюции жизни. Способность фосфатов образовывать сложные эфиры и ангидриды, которые стабильны при температуре окружающей среды в воде, сделала их идеальными реагентами для образования биологических молекул. Именно благодаря ранее описанным факторам, природа сделала выбор в пользу фосфатных эфиров.
Данная статья является переводом и адаптацией статьи «Why Nature Chose Phosphates» автора F.H. Westheimer.
Хочешь получать рассылку от нас?
[Робототехника ғажабы] Алуантүрлі робототехника
Жеткілікті түрде дамыған кез-келген технологияның сиқырдан айырмашылығы жоқ. — Артур КларкБіз «Робототехника ғажабы неде» жобасы аясында, бұл бағыттың керемет мүмкіндіктері мен ерекшеліктері жайлы баяндайтын бірқатар мақалалар жаздық. Бұл аталмыш басылымда біз робототехниканың қалай және қашан, оның қандай тапсырмаларды шешетіні және оның қандай даму перспективаларын ашатыны туралы айтамыз. Бірақ алдымен, «робототехника» сөзінің
[Биология ғажабы] Глюкозаның зат алмасу жолы
Өмір, өзінің қарапайым бірлігі — жасушадан басталады. Жасушалардың өзара әрекеттесуі ұлпаларды құрайды, ұлпалар функционалдық ағзаларға, ал ағзалар ағзалар жүйесіне бірігеді. Ұйымның алуантүрлілігі мен күрделілігіне қарамастан барлық тірі ағзаларға жеті негізгі белгі тән: көбею мен тыныс алу, өсу мен даму, қозғалу мен қозу, қоректену мен зат алмасу өнімдерін шығару. Физиктердің көзқарасымен қарасақ,
IChO \(2020\)-дағы Қазақстан құрама командасымен сұхбат
\(2020\) жылы шілденің \(23\)-і мен \(29\)-ы аралығында \(52\)-і Химиядан халықаралық олимпиадасы өткен болатын (International Chemistry Olympiad, IChO, мектеп оқушыларына арналған ең беделді халықаралық олимпиадалардың бейресми қауамдастығы болып табылатын ISO-ға кіреді). Олимпиада Ыстанбұлда өткізілуі тиіс еді, бірақ COVID-\(19\) пандемиясының кесірінен онлайн форматта жүзеге асырылды. Биыл Қазақстан Республикасының
Если не указано иначе, все текстовые материалы блога ОФ Beyond Curriculum лицензированы под CC BY-NC-SA 4.0
Что такое фосфатная группа? Характеристики и функции
фосфатная группа представляет собой молекулу, образованную атомом фосфора, связанным с четырьмя атомами кислорода. Его химическая формула PO43-. Эта группа атомов называется фосфатной группой, когда она присоединена к молекуле, содержащей углерод (любая биологическая молекула).
Все живые существа состоят из углерода. Фосфатная группа присутствует в генетическом материале в важных молекулах энергии для клеточного метаболизма, образуя часть биологических мембран и некоторые пресноводные экосистемы.
Очевидно, что фосфатная группа присутствует во многих важных структурах организмов..
Электроны, разделяемые между четырьмя атомами кислорода и атомом углерода, могут накапливать много энергии; эта способность жизненно важна для некоторых ваших ролей в клетке.
6 основных функций фосфатной группы
1- В нуклеиновых кислотах
ДНК и РНК, генетический материал всех живых существ, являются нуклеиновыми кислотами. Они образованы нуклеотидами, которые, в свою очередь, образованы азотистым основанием, сахаром из 5 атомов углерода и фосфатной группой..
Сахар из 5 атомов углерода и фосфатная группа каждого нуклеотида объединяются, образуя основу нуклеиновых кислот.
Когда нуклеотиды не связаны с другими для образования молекул ДНК или РНК, они связываются с двумя другими фосфатными группами, что приводит к таким молекулам, как АТФ (аденозинтрифосфат) или ГТФ (гуанозинтрифосфат).
2- Как склад энергии
АТФ является основной молекулой, которая поставляет энергию клеткам, чтобы они могли выполнять свои жизненно важные функции.
Например, когда мышцы сокращаются, мышечные белки используют АТФ, чтобы сделать его.
Эта молекула образована аденозином, связанным с тремя фосфатными группами. Связи, образованные между этими группами, имеют высокую энергию.
Это означает, что, нарушая эти связи, высвобождается большое количество энергии, которое можно использовать для выполнения работы в ячейке..
Удаление фосфатной группы для выделения энергии называется гидролизом АТФ. В результате получается свободный фосфат плюс молекула АДФ (аденозиндифосфат, потому что он имеет только две фосфатные группы).
Фосфатные группы также обнаружены в других энергетических молекулах, которые встречаются реже, чем АТФ, таких как гуанозинтрифосфат (ГТФ), цитидин-трифосфат (ЦТФ) и уридин-трифосфат (UTP)..
3- В активации белков
Фосфатные группы играют важную роль в активации белков, так что они могут выполнять определенные функции в клетках.
Белки активируются через процесс, называемый фосфорилированием, который является просто добавлением фосфатной группы.
Когда фосфатная группа связана с белком, говорят, что белок был фосфорилирован.
Это означает, что он был активирован, чтобы иметь возможность выполнять определенную работу, такую как передача сообщения другому белку в клетке..
Фосфорилирование белка происходит во всех формах жизни, и белки, которые добавляют эти фосфатные группы к другим белкам, называются киназами..
Интересно отметить, что иногда работа киназы заключается в фосфорилировании другой киназы. И наоборот, дефосфорилирование представляет собой удаление фосфатной группы.
4- В клеточных мембранах
Фосфатные группы могут связываться с липидами с образованием другого типа очень важных биомолекул, называемых фосфолипидами..
Его важность заключается в том, что фосфолипиды являются основным компонентом клеточных мембран, и это важные структуры для жизни.
Многие молекулы фосфолипидов расположены рядами, образуя так называемый бислой фосфолипидов; то есть двойной слой фосфолипидов.
5- Как регулятор pH
Живые существа нуждаются в нейтральных условиях для жизни, потому что большинство биологических активностей могут происходить только при определенном pH, близком к нейтральному; то есть не очень кислотный и не очень основной.
Фосфатная группа является важным буфером рН в клетках.
6- В экосистемах
В пресноводных средах фосфор является питательным веществом, ограничивающим рост растений и животных..
Увеличение количества фосфорсодержащих молекул (таких как фосфатные группы) может способствовать росту планктона и растений.
Это увеличение роста растений приводит к увеличению количества пищи для других организмов, таких как зоопланктон и рыба. Таким образом, пищевая цепь продолжается, пока не достигнет человека.
Увеличение фосфатов первоначально увеличит количество планктона и рыбы, но слишком большое увеличение будет ограничивать другие питательные вещества, которые также важны для выживания, такие как кислород.
Фосфаты могут увеличиваться из-за человеческой деятельности, такой как очистка сточных вод, промышленные сбросы и использование удобрений в сельском хозяйстве..
ДНК и гены
ДНК ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ
Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года
Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения
Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.
В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.
С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С) и фосфатной (Ф) группы (фосфодиэфирные связи).
Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы
В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т), гуанин — только с цитозином (Г-Ц). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой «лестницы» ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).
Рис. 2. Азотистые основания
Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.
Рис. 3. Репликация ДНК
Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.
Образование новой ДНК (репликация)
По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.
Более подробная информация:
СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты – это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.
НУКЛЕОТИДЫ состоят из азотистого основания, соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) – дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H2PO3–).
Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания – урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания – аденин и гуанин.
Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые
Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:
Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК
Две цепи ДНК образуют двойную спираль. Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей. Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин – с гуанином. Это называется правилом комплементарности (см. принцип комплементарности ).
Правило комплементарности:
| A–T G–C |
Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность
3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,
то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении – от 5’-конца к 3’-концу:
5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’.
Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей
РЕПЛИКАЦИЯ ДНК
Репликация ДНК – это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК праймером для синтеза ДНК является короткий фрагмент РНК (создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой (ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).
Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.
Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК
ДНК-синтез – это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:
Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α ( Polα ), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ ( Polδ ), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.
Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему репликативной вилки и функции ферментов репликации)
Нагляднее о репликации ДНК см. видео →
5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5’→3′ синтезирует праймер (РНК-затравку) – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК.
СТРОЕНИЕ РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.
Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.
Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.
Рис. 10. Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.
ТРАНСКРИПЦИЯ
Транскрипция – это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК – эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ – 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.
Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции
Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи
3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,
то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность
5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’,
а синтезируемая с нее РНК – последовательность
3’– AUGUCCUAGCUGCUCG – 5’.
ТРАНСЛЯЦИЯ
Рассмотрим механизм синтеза белка на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:
Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5′ к 3′ концу мРНК.
Таблица 1. Стандартный генетический код
Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:
Свойства генетического кода
1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом или кодоном.
2. Непрерывность. Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.
3. Неперекрываемость. Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.
4. Однозначность. Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.
5. Вырожденность. Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.
6. Универсальность. Генетический код одинаков для всех живых организмов.
Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:
3’– CCGATTGCACGTCGATCGTATA– 5’.
Матричная цепь будет иметь последовательность:
5’– GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT– 3’.
Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:
3’– CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA– 5’.
Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:
5’– AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.
Теперь найдем старт-кодон AUG:
5’– AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.
Разделим последовательность на триплеты:
Найдем стоп-кодон и согласно таблице генетического кода запишем последовательность аминокислот:
Центральная догма молекулярной биологии звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК – на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.
Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии
ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ
Термин «геном» был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными») последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.
Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК
За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.
В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент». Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид», поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.
Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.
Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.
Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена, кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350 аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.
Сколько генов в одной хромосоме?
ДНК прокариот устроена более просто: их клетки не имеют ядра, поэтому ДНК находится непосредственно в цитоплазме в форме нуклеоида.
Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру – нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli, чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.
Прокариоты (Бактерии).
Бактерия E. coli имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами (рис. 16).
Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.
Эукариоты.
Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов