ЧАСТЬ IV. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
В этой последней части книги мы рассмотрим биохимические вопросы, связанные с генетической непрерывностью и эволюцией живых организмов. Какова молекулярная природа генетического материала? Каким образом осуществляется столь точная передача генетической информации? Как эта информация в конечном счете переводится в аминокислотную последовательность белковых молекул?
Результаты современных биохимических исследований структуры и функции гена привели к революции в биологии, сравнимой с той, которую вызвала более ста лет назад дарвиновская теория происхождения видов. Серьезное влияние этих результатов испытали по существу все разделы биологии и медицины. Благодаря биохимической генетике стало возможным более глубокое изучение ряда наиболее фундаментальных проблем, касающихся структуры и функции живых клеток. Более того, биохимическая генетика расширила рамки теоретической биохимии.
Нынешний уровень понимания молекулярных аспектов генетики был достигнут в результате объединения усилий трех различных наук, а именно генетики, биохимии и молекулярной физики. Вклад всех этих трех наук нашел свое концентрированное выражение в событии, открывшем современную эру в биохимической генетике. В 1953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик постулировали структуру двойной спирали ДНК. Их гипотеза, правильность которой была подтверждена в дальнейшем в многочисленных экспериментах самого разного рода, представляла собой результат совместных усилий генетической теории, выдвинувшей концепцию кодирования генетической информации с помощью генов, физики, которая позволила определить молекулярную структуру ДНК методом рентгеноструктурного анализа, и биохимии, которая позволила установить химический состав ДНК и принцип спаривания комплементарных оснований. Гипотеза Уотсона-Крика не только объяснила структуру молекулы ДНК, но и показала, каким образом эта молекула может точно реплицироваться. Это вскоре привело к формулированию центральной догмы молекулярной генетики (см. рисунок), которая определяет три главных этапа в обработке генетической информации. Первый этап - репликация, т.е. копирование родительской ДНК с образованием дочерних молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых комплементарна нуклеотидной последовательности родительской ДНК и однозначно определяется ею. Второй этап - транскрипция, процесс, в ходе которого часть генетической информации переписывается в форме рибонуклеиновой кислоты (РНК). И, наконец, третий этап - трансляция, в процессе которой генетическая информация, записанная при помощи четырехбуквенного кода в РНК, переводится в рибосомах на двадцатибуквенный код белковой структуры.
В последующих главах мы рассмотрим, как реализуются все эти этапы. Мы встретимся с новым понятием - с концепцией хранения и передачи молекулярной информации, которой в предыдущих разделах данной книги мы касались лишь вскользь. Сначала мы изучим природу, размеры и конформацию функциональных единиц генетического материала клеток и вирусов - хромосом и генов.
Центральная догма молекулярной генетики, показывающая перемещение генетической информации в ходе трех фундаментальных процессов: репликации, транскрипции и трансляции. Позже мы увидим, что центральную догму пришлось несколько видоизменить.
Затем рассмотрим пути и механизмы функционирования чрезвычайно сложных ферментных систем, ответственных за репликацию и транскрипцию ДНК. При этом мы увидим, что биосинтез высокоинформативных молекул ДНК и РНК требует десятков различных ферментов и специализированных белков, в то время как для создания не несущей информации макромолекулы, например гликогена, достаточно всего лишь нескольких ферментов. Далее мы рассмотрим механизм биосинтеза белка, самого сложного из известных биосинтетических процессов, в котором принимает участие больше 200 различных ферментов и других специализированных макромолекул, необходимых для расшифровки и перевода символов генетического кода в трехмерную структуру белков.
В заключительной главе мы увидим, что хромосомы и гены - это не застывшие, инертные структуры. Они могут подвергаться мутациям, иногда вызывающим серьезные нарушения в биологической функции белка, а иногда приводящим к появлению лучшего по своим функциональным качествам белка. Гены или наборы генов часто претерпевают обмен и рекомбинацию, образуя у потомства новые сочетания свойств. Более того, обмениваются и рекомбинируют части генов, что позволило природе создать удивительно эффективную иммунную систему, которая защищает позвоночных от микробов и помогает сохранить специфические особенности видов.
Эта область биохимии развивается с головокружительной скоростью. Редко проходит месяц без того, чтобы в биохимии не появилось сообщения о каком-нибудь крупном достижении или открытии. За расшифровкой генетического кода в начале 60-х годов последовала нескончаемая вереница захватывающих открытий и обобщений крупного масштаба. Среди них определение нуклеотидных последовательностей многих генов, искусственный синтез генов, соединение генов в новых сочетаниях, встраивание генов одних видов в клетки других видов и получение с помощью таких измененных клеток «продуцентов» многих новых белков, полезных для тех или иных целей. Без преувеличения можно сказать, что в биохимической генетике началась новая эра, которая несомненно окажет в будущем существенное влияние на здоровье и жизнедеятельность человека.
