возможно создание невероятно большого числа белков, причем каждый будет иметь свойства, хоть немного отличающиеся от свойств других белков. Для многих белков уже известна полная последовательность аминокислот. Аминокислотная последовательность одного из таких белков — гормона инсулина — показана на рис. 2-2. Молекула инсулина состоит из двух полипептидпых цепей, одна из которых содержит 30 аминокислот, другая — 21. Обе цепи соединены дисуль-фидными связями. Дисульфидные связи образуются благодаря тому, что в состав аминокислоты цистеина (Цис) входит атом серы и две молекулы цистеина связываются двумя атомами серы (рис. 2-2).

Вторичная и третичная структура белков. Порядок расположения аминокислот в полипептидпой цепи называется ее первичной структурой. Поскольку соседние аминокислоты могут притягиваться друг к другу или отталкиваться, причем с разной силой (слабо

или сильно — зависит от свойств д>ен Гли

«соседей»), полипептидная цепь ^л ^jj

не остается прямой нитью, а свертывается определенным образом. Это и есть вторичная структура белка.

В молекуле белка свернутые полипептидные цепи обычно лежат не в одной плоскости, а изогнуты так, что каждый белок приобретает характерную для него форму, называемую третичной структурой. В результате возникают волокна, сферы, овалы и т. д. Каждый полипептид может быть связан с одной или большим числом полипептидных цепей. Связи между цепями могут быть сильными, как, например, дисульфидные мостики в инсулине, или слабыми. Так, гемоглобин состоит из четырех отдельных полипептидов, соединенных слабыми связями. Пространственная структура гемоглобина показана на рис. 2-3.

Выводы. Белки — это полимеры, состоящие из аминокислот, соединенных пептидными связями в линейную цепочку. Порядок расположения, амипокислот в белке определяет его пространственную структуру и другие химические и физические свойства. Существуют 20 разных аминокислот, и в полипептиде они могут располагаться в любом порядке, каждая аминокислота может встречаться многократно и число их может быть от 20 до 2000. Благодаря этому возможно образование астроно-' рис. 2-2. Последовательность ами-мического числа белков, и каждый покислот в инсулине быка.

белок по своим свойствам хоть немного отличается от других. По этой причине белки в организме могут выполнять множество различных биологических функций.

Рис. 2-3. Пространственная структура молекулы гемоглобина.

Четыре изогнутые структуры соответствуют четырем полипе]видным цепям. Молекулы гема изображены в виде четырех серых прямоугольников. С каждым полипептидом связана одна молекула гема.

Гены определяют специфические признаки и функциональные особенности клетки

Грегор Мендель выбрал для своих опытов сорта гороха, отлича- -ющиеся друг от друга четко выраженными признаками — длиной стебля (высокие и низкие) и морфологией семян (морщинистые и гладкие). При скрещивании высоких и низких растений все гибриды первого поколения были высокими. В результате скрещивания друг с другом гибридов первого поколения в потомстве были получены как высокие растения, которых было большинство, так и низкие. Па основании этих опытов Г. Мендель заключил, что признак низкорослости определяется одним из родителей и не исчезает в потомстве. Просто этот признак не обнаруживается в нервом поколении из-за того, что признак высокорослости, привносимый другим родителем, подавляет его проявление; признак низкорослости может снова проявиться только во втором поколении. Если обозначить его символом S*[S— size (размер), s — short (низкий)], а высокорослость — Sl[t — tall (высокий)], то результаты опыта Менделя можно представить следующим образом:

Родитель А (низкое растение)

Родитель Б X (высокое растение) S!Sl

SsSf

SSS'

SsSl

S*S<

Гибриды первою поколения (все высокие)

S'S1 S'SS sssl ssss

ЗЗысо- Высо- Высо- Низкое кое кое кое

Гибриды второго поколения (в среднем 3 — высокие растения, 1 — низкое)

В соответствии с представленной схемой такие признаки, как высокорослость и низкорослость растений, морщинистость и гладкость семян, можно рассматривать как элементарные признаки, привносимые каждым из родителей и поэтому присутствующие в потомстве в виде парных признаков. В начале XX века эти элементарные признаки стали называть генами. Таким образом, вывод о том, присутствует ли определенный ген у растения, животного или микроорганизма, делают па основе присутствия или отсутствия специфических признаков (таких, как высота растения, морщинистость семяп) у данного организма или в его потомстве. Совокупность всех внешних признаков организма называют фенотипом.

Физическая основа генов. Термип «геп» подразумевает, что в растительной, -животной клетке или у микроорганизма имеется наследственная едипица, которая может удваиваться и передаваться потомству. Набор наследственных единиц или генов и составляет генетический материал клетки.' В начале XX века, прежде всего благодаря работам двух выдающихся биологов Э. Вильсона и Т. Моргана, гипотетический генетический материал обрел реальность, и оказалось, что он локализован в ядре клетки или на хромосомах. В результате исследования хромосом было обнаружено, что в их состав входят два класса химических соединений — белок

и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Сразу же возник вопрос: какое из них является генетическим материалом — белок или ДНК? В 50-х годах нашего века после проведения исследований па бактериях и вирусах был получен четкий ответ: генетическим материалом является ДНКj гены — это ДНК.

не

н

\

>с^

^С N

( NH \

НС

\

Н

\ NH/ СХ

.с.

П/анин

Пурины

Аденын

V NH.J

/ l

Xн

Цитозин

н

н

Шримидины

V. CsH >

CAN'CH н

Тимин

Щклеотиды

Цитозин

Тимин \

Шанин * I

Аденин I

Дезоксирибоза Дезоксирибоза Дезоксирибоза Дезоксирибоза Фосфат Фосфат Фосфат Фосфат

?"V

#—d-Риб—ф—d-^иб—ФА Гd-Риб—Ф-I

Цd-Риб—Ф—d-Риб

U Т

Рис. 2-4. Компоненты молекулы ДНК.

Структура ДНК. Молекулы ДНК очень велики и состоят из двух спирально закрученных цепей. (Представьте себе, что вы закрутили ленту в несколько оборотов. Края этой ленты и соответствуют двум цепям ДНК.) Каждая цепь ДНК — это полимер, состоящий из субъединиц, называемых нуклеотидами (рис. 2-4).

1$ состав каждого нуклеотида входят: а) фосфорная кислота, б) сахар дезоксирибоза и в) одно из четырех гетероциклических оснований— аденин, гуанин, тимин, цитозин. (По терминологии, принятой в органической химии, аденин и гуанин называются пури-, новыми основаниями, а тимин и цитозин — пиримидиновыми.)

Нуклеотиды соединяются друг с другом связями, возникающими между фосфатом одного нуклеотида и сахаром (дезоксирибо-зой) другого. Так построена каждая цепь ДНК, и обе они закручены друг относительно друга таким образом, что сахаро-фосфатные цепочки находятся снаружи, а пуриновые и пиримидиновые основания, прикрепленные к ним, внутри, как это отчетливо видно на рис. 2-5. .Конфигурация и электрические заряды четырех оснований таковы, что адепин может спариваться только с тимипом, а гуанин с цитозином, т. е. если к одпой из сахаро-фосфатных цепей в определенном месте присоединен аденин, то в другой цепи ему может соответствовать только тимин. Подобным образом гуанину может соответствовать только цитозин в той же точке в другой цепи (рис. 2-6). Пуриновые и пиримидиновые основания в одной цепи молекулы ДНК могут встречаться в любой последовательности и многократно повторяться, однако последовательность оснований в ней однозначно определяет их последовательность во второй цепи благодаря тому, что аденин должен всегда находиться в паре с тимином, а гуанип — с цитозином.

Репликация ДНК. Концепция «генетического материала» предполагает, что после деления клетки каждая из дочерних получает

Пронин

его копию. Рассматривая структуру ДНК, нетрудно понять, как может образоваться копия молекулы ДИК.

Представим себе, что расположение оснований в одном из участков цепи ДНК следующее: ААГТ (рис. 2-7). Это озпачает, что порядок расположения оснований в другой цепи в том же самом месте должен быть ТТЦА. Такие цепочки называют комплементарными. Для репликации ДНК прежде всего необходимо разделить цепи и использовать каждую из них в качестве матрицы для сип

теза другой (комплементарной) цени. Таким способом из одной двух цепочечной молекулы ДНК могут образоваться две идентичные двухцепочечные дочерние молекулы.

Поскольку обе цепи ДНК закручены друг относительно друга и образуют двойную снираль, в процессе удвоения молекулы ДНК решается сложная топографическая задача: две исходные родиДНК-А -А -Г

—Т

Исходная цепь

Т—

Т-ЦА—

Комплементарная цепь

—А -АГ —Г

Комплементарная цепь

Т— Т—

цА—

Исходная цепь

Дочерние молекулы ДНК

Рис. 2-7. Репликация молекулы ДНК.

тельские цепи должны вначале раскрутиться, а затем вновь образовать спираль с комплементарными дочерними цепями (рис. 2-8).

Гены и ДНК. Хотя в химическом отношении молекула ДНК представляет собой единое целое, ее в то же время можно рассматривать как набор отдельных локусов — генов. В состав каждого гена входят от 500 до 6000 пар нуклеотидов двухцепочечпой молекулы ДНК. Активность любого гена либо небольшой группы генов может привести к созданию в живой клетке или многоклеточном организме какого-то призпака (либо воспрепятствовать его возникновению), который можно обнаружить, назвать и описать, например морщинистость или гладкость, высокорослость или низкорос-л ость и т. д.

Размеры молекул ДНК. Наименьшие размеры имеют молекулы вирусной ДИК. У некоторых вирусов каждая цепь состоит только из 3000 нуклеотидов. Молекула ДНК такого размера может содержать самое большое шесть генов, причем каждый из них ответственен за образование разных частей нового вируса, формирующегося внутри клетки хозяина.

1 Так как каждое пуриновое или пиримидиповое основание onnoi'i цени ДНК образует пару с комплементарным ему .основанием другой цени, говорят о «нарах оснований» или парах нуклеотидов, расположенных вдоль двух це