Центральная догма молекулярной биологии

Один ген молекулы ДНК кодирует один белок, отвечающий за одну химическую реакцию в клетке.

Открытие химической основы жизни было одним из величайших открытий биологии XIX века, получившим в XX веке немало подтверждений. В природе нет никакой жизненной силы (см. Витализм), как нет и существенного различия между материалом, из которого построены живые и неживые системы. Живой организм больше всего похож на крупный химический завод, в котором осуществляется множество химических реакций. На погрузочных платформах поступает сырье и транспортируются готовые продукты. Где-то в канцелярии — возможно, в виде компьютерных программ — хранятся инструкции по управлению всем заводом. Подобным образом в ядре клетки — «руководящем центре» — хранятся инструкции, управляющие химическим бизнесом клетки (см. Клеточная теория).

Эта гипотеза получила успешное развитие во второй половине XX века. Теперь нам понятно, как информация о химических реакциях в клетках передается из поколения в поколение и реализуется для обеспечения жизнедеятельности клетки. Вся информация в клетке хранится в молекуле ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — знаменитой двойной спирали, или «скрученной лестницы». Важная рабочая информация хранится на перекладинах этой лестницы, каждая их которых состоит из двух молекул азотистых оснований (см. Кислоты и основания). Эти основания — аденин, гуанин, цитозин и тимин — обычно обозначают буквами А, Г, Ц и Т. Считывая информацию по одной цепи ДНК, вы получите последовательность оснований. Представьте себе эту последовательность как сообщение, написанное с помощью алфавита, в котором всего четыре буквы. Именно это сообщение и определяет поток химических реакций в клетке и, следовательно, особенности организма.

Гены, открытые Грегором Менделем (см. Законы Менделя) — на самом деле не что иное как последовательности пар оснований на молекуле ДНК. А геном человека — совокупность всех его ДНК — содержит приблизительно 30 000–50 000 генов (см. Проект «Геном человека»). У наиболее развитых организмов, в том числе и человека, гены часто бывают разделены фрагментами «бессмысленной», некодирующей ДНК, а у более простых организмов последовательность генов обычно непрерывна. В любом случае, клетка знает, как прочитать содержащуюся в генах информацию. У человека и других высокоразвитых организмов ДНК обвернута вокруг молекулярного остова, вместе с которым она образует хромосому. Вся ДНК человека помещается в 46 хромосомах.

Точно так же, как информацию с жесткого диска, хранящуюся в канцелярии завода, необходимо транслировать на все устройства в цехах завода, информация, хранящаяся в ДНК, должна быть транслирована с помощью клеточного технического обеспечения в химические процессы в «теле» клетки. Основная роль в этой химической трансляции принадлежит молекулам рибонуклеиновой кислоты, РНК. Мысленно разрежьте двуспиральную «лестницу»-ДНК вдоль на две половины, разъединяя «ступеньки», и замените все молекулы тимина (Т) на сходные с ними молекулы урацила (У) — и вы получите молекулу РНК. Когда необходимо транслировать какой-либо ген, специальные клеточные молекулы «расплетают» участок ДНК, содержащий этот ген. Теперь молекулы РНК, в огромном количестве плавающие в клеточной жидкости, могут присоединиться к свободным основаниям молекулы ДНК. В этом случае, так же как и в молекуле ДНК, могут образоваться лишь определенные связи. Например, с цитозином (Ц) молекулы ДНК может связаться только гуанин (Г) молекулы РНК. После того как все основания РНК выстроятся вдоль ДНК, специальные ферменты собирают из них полную молекулу РНК. Сообщение, записанное основаниями РНК, так же относится к исходной молекуле ДНК, как негатив к позитиву. В результате этого процесса информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на РНК.

Этот класс молекул РНК называется матричными, или информационными РНК (мРНК, или иРНК). Поскольку мРНК намного короче, чем вся ДНК в хромосоме, они могут проникать через ядерные поры в цитоплазму клетки. Так мРНК переносят информацию из ядра («руководящего центра») в «тело» клетки.

В «теле» клетки находятся молекулы РНК двух других классов, и они оба играют ключевую роль в окончательной сборке молекулы белка, кодируемого геном. Одни из них — рибосомные РНК, или рРНК. Они входят в состав клеточной структуры под названием рибосома. Рибосому можно сравнить с конвейером, на котором происходит сборка.

Другие находятся в «теле» клетки и называются транспортные РНК, или тРНК. Эти молекулы устроены так: с одной стороны находятся три азотистых основания, а с другой — участок для присоединения аминокислоты (см. Белки). Эти три основания на молекуле тРНК могут связываться с парными основаниями молекулы мРНК. (Существует 64 молекулы тРНК — четыре в третьей степени — и каждая из них может присоединиться только к одному триплету свободных оснований на мРНК.) Таким образом, процесс сборки белка представляет собой присоединение определенной молекулы тРНК, несущей на себе аминокислоту, к молекуле мРНК. В конце концов, все молекулы тРНК присоединятся к мРНК, и по другую сторону тРНК выстроится цепочка аминокислот, расположенных в определенном порядке.

Последовательность аминокислот — это, как известно, первичная структура белка. Другие ферменты завершают сборку, и конечным продуктом оказывается белок, первичная структура которого определена сообщением, записанным на гене молекулы ДНК. Затем этот белок сворачивается, принимая окончательную форму, и может выступать в роли фермента (см. Катализаторы и ферменты), катализирующего одну химическую реакцию в клетке.

Хотя на ДНК различных живых организмов записаны разные сообщения, все они записаны с использованием одного и того же генетического кода — у всех организмов каждому триплету оснований на ДНК соответствуют одна и та же аминокислота в образовавшемся белке. Это сходство всех живых организмов — наиболее весомое доказательство теории эволюции, поскольку оно подразумевает, что человек и другие живые организмы произошли от одного биохимического предка.

См. также:
Клеточная теория
Биологические молекулы
Белки
ДНК

9
Показать комментарии (9)
Свернуть комментарии (9)

  • flaps  | 20.05.2006 | 03:52 Ответить
    После прочтения статьи возникло несколько вопросов :

    1) Написано : "Когда необходимо транслировать какой-либо ген, специальные клеточные молекулы 'расплетают' участок ДНК, содержащий этот ген.".

    Как эти "специальные молекулы" называются по-научному и откуда они берутся ? Их рибосома создаёт или откуда ?

    Эти специальные молекулы заставляющие ген транслироваться также все расшифрованы, как и геном человека, или для этого потребуется ещё один схожий мегапроект ?

    1) Чем гены в ДНК отделены друг от друга ? В смысле, как узнают где начало гена, и где его конец ? Есть там в ДНК своя файловая система, али как ?

    3) Если рибосомы собирают белки, то что собирает сами рибосомы ? Откуда они берутся ?

    Я не очень разбираюсь в биологии, просто хочу понять как всё это происходит ...
    Если кто ответит, хотя бы частично, то заранее, спасибо !
    Ответить
    • Inkstone > flaps | 04.06.2006 | 01:40 Ответить
      "Как эти "специальные молекулы" называются по-научному и откуда они берутся ?"
      Эти молекулы - белки, и синтезируются соответствующим образом на рибосомах. В расплетании и самом синтезе РНК на базе ДНК участвуют несколько белков: основной фермент - РНК-полимераза и некоторые другие. Их структура, как и структура любого белка, закодирована в геноме (где же ещё ей быть закодированной :))

      "Чем гены в ДНК отделены друг от друга ? В смысле, как узнают где начало гена, и где его конец ? Есть там в ДНК своя файловая система, али как"
      Участок, с которого начинается транскрипция (синтез мРНК) называется промотором - это участок связывания РНК-полимеразы, который и является началом гена. Дойдя до определённого участка РНК-полимераза теряет сродство к молекуле ДНК и отсоединяется - соответственно, это можно считать концом гена.
      На самом деле этот процесс более сложный - синтезированная цепочка РНК - ещё не мРНК, а т.н. "первичный транскрипт" который подвергается процессингу, в результате которого и образуются окончательные мРНК, которые отправляются на рибосомы.
      Есть два типа белков, синтезируемых на ДНК - структурные и регуляторные (ферменты). После того, как фермент синтезировался, он включается (например, РНК-полимераза) в петли обратной связи (цепи химических реакций), например, в случае РНК-полимеразы, - она при необходимости (возможности) соединяется с промотором, запуская транскрипцию. Когда клетка не нуждается в данном белке, промотор блокирован, т. е. находится в таком состоянии, что присоединение РНК-полимеразы невозможно. При "нехватке" данного белка происходит каскад химических реакций, приводящий к разблокированию промотора, который опять блокируется, когда белка становится достаточно. Это если упрощённо.
      То есть как таковой "файловой системы" нет, она и не нужна - это сложная саморегулирующаяся система.

      "Если рибосомы собирают белки, то что собирает сами рибосомы ? Откуда они берутся ?"
      Рибосома - это рибонуклеопротеид, комплекс рРНК и белков (которые синтезируются на соответствующих участках ДНК). Сборка рибосом происходит в "ядрышке" - это место ДНК, где находтся гены, кодирующие элементы рибосом (точнее, ядрышко - это и есть собранные и собирающиеся рибосомы, основная масса которых затем фиксируется на внутриклеточных мембранах). Рибосомы "собираются" сами, т. е. их составные части, которые были синтезированы, вступают в реакцию с образованием рибосомы.

      Аналогия между хранением и считыванием информации на жёстком диске и в геноме чисто формальна, на самом деле общего мало.
      Ответить
      • flaps > Inkstone | 31.07.2006 | 07:01 Ответить
        2 Inkstone
        Спасибо за ответы !

        * * *
        "Участок, с которого начинается транскрипция (синтез мРНК) называется промотором - это участок связывания РНК-полимеразы, который и является началом гена. Дойдя до определённого участка РНК-полимераза теряет сродство к молекуле ДНК и отсоединяется - соответственно, это можно считать концом гена"

        То есть конец - это другой промотор? Промоторы отделяют гены друг от друга ? А как мРНК находит именно нужный ей промотор ? ДНК то большая.

        * * *
        "То есть как таковой "файловой системы" нет, она и не нужна - это сложная саморегулирующаяся система."

        А я тем временем прочитал про открытие нуклеосом http://www.membrana.ru/lenta/?6219

        Получается, что гены - это файлы. Нуклеосомы - это папки, которые могут быть закрыты для доступа или расшарены. А хромосомы - это диски. Где то я читал новость, что их (хромосомы) тоже можно добавлять. Полная файловая система. :)

        Просто неверилось, что такие огромные объёмы информации могут обходиться без них.

        Теперь, интересно бы узнать, какие бывают типы нуклеосом, и что управляет их открытием/закрытием. Наверняка тоже какие-нибудь простые гены. Которыми можно легко превращать клетку из одного типа в другой и обратно просто открыв одни и закрыв другие.

        * * *
        "Рибосомы "собираются" сами, т. е. их составные части, которые были синтезированы, вступают в реакцию с образованием рибосомы."

        Это реально круто !

        Скажите, а нет ли какого нибудь учебника или сайта в Интернете, где бы все этим клеточные механизмы изображались бы графически? Или какой нибудь программой трёхмерной? А то чисто в терминах, что куда, давольно сложно понять.
        Ответить
        • Xanarrr > flaps | 12.08.2006 | 00:08 Ответить
          http://encyclopedia.yandex.ru/
          Вводите в поле поиска например "РНК-полимераза" и смотрите ссылки на БСЭ (информация предоставляется http://www.rubricon.com, но там она платная). Правда цельной картины нет, только отдельные статьи.
          Ответить
  • stranger  | 05.06.2006 | 00:22 Ответить
    Сам первый тезис не соответствует истине. "Один ген молекулы ДНК кодирует один белок, отвечающий за одну химическую реакцию в клетке."
    Во-первых, один ген может кодировать не один белок. Например, альтернативный сплайсинг, когда из одной пре-мРНК(прематричная РНК) получаются два или более разных мРНК и следовательно разных белка.
    Во-вторых, белок может не отвечать за химическую реакцию, например, белки цитоскелета, ядерного матрикса и многое другое. Да и просто кальцийсвязывающие белки - они не отвечают за химические реакции, но могут участвовать во многих (один и тот же белок).
    "Вся информация в клетке хранится в молекуле ДНК". Опять же не совсем так. В яйцеклетке существует так называемая эпигенетическая информация. Градиенты белков, ответственных за развитие организма на самых ранних стадиях, за дифференциацию клеток сразу после первого деления. У некоторых организмов очень жесткая детерминация дальнейшей диффенциации. Без родительских белков и их градиентов организм просто не смжет развиться. В этом сложность "выращивания", скажем, динозавров. Некоторые характеристики могут быть не записаны в ДНК, а передаваться цитоплазматически.
    " У человека и других высокоразвитых организмов ДНК обвернута вокруг молекулярного остова, вместе с которым она образует хромосому." Хромосома - это только ДНК, но для стабилизации, компактизации используется набор белков, гистонов. Они не входят в состав хромосомы.
    "Теперь молекулы РНК, в огромном количестве плавающие в клеточной жидкости, могут присоединиться к свободным основаниям молекулы ДНК." Они сами ничего такого не делают, так как при этом возникло бы множество мутаций. За всеми ситетическими процессами в клетке ведется строгий контроль. И главное, надо не просто присоединиться к ДНК, но еще и "сшиться" между собой, чтобы образовать цепочку. Все это делают специализированные белки.
    "Поскольку мРНК намного короче, чем вся ДНК в хромосоме, они могут проникать через ядерные поры в цитоплазму клетки." Сами не выходят. Совершенно не верно. Существует специальные сигналы в последовательности РНК, по которым они как по пропускам проходят из ядра в цитоплазму через "границу" - оболочку ядра.
    " у всех организмов каждому триплету оснований на ДНК соответствуют одна и та же аминокислота в образовавшемся белке" - не совсем существуют редкие исключения, которые подтверждают правило :)
    Ответить
    • Egoisteg > stranger | 26.06.2012 | 19:11 Ответить
      " " у всех организмов каждому триплету оснований на ДНК соответствуют одна и та же аминокислота в образовавшемся белке" - не совсем существуют редкие исключения, которые подтверждают правило :) "
      Скажите пожалуйста, правильно ли я понимаю - вот это соответствие триплета оснований какой-то конкретной аминокислоте это на самом деле правило (шифр), непонятно на чем основанное, или есть в этом соответствии какая-то логическая связь (или физическая или химическая)?
      т.е. известно ли ученым , почему конкретной аминокислоте соответствует конкретный триплет?
      Ответить
      • Анатолий > Egoisteg | 27.12.2014 | 18:04 Ответить
        Чтобы ответить на поставленные вопросы следует перейти на квантовый уровень познания. На молекулярном и атомарном уровне на эти вопросы ответить нельзя.
        Ответить
  • DVORNIK A.  | 25.09.2013 | 19:01 Ответить
    Интересно было бы узнать: удовлетворили ли любознательного flaps (20.05.2006 03:52) предложенные ответы на поставленные им вопросы? Прошло столько времени. Может быть, за это время flaps уже узнал не только что расплетает ДНК, но и как расплетает? Inkstone возможно представляет себе это так? РНК-полимераза (это небольшой комочек белков возможно в соединении с нуклеотидными фрагментами ДНК и РНК) после синтеза на рибосоме отсоединилась от рибосомы и двинулась в направлении ДНК. Учтем тот факт, что в клетке большое множество всевозможных молекул и органелл. Что приведет РНК-полимеразу к промотору? В человеческой ДНК порядка 50 000 генов, а, следовательно, столько же должно быть и промоторов. И вот что-то должно как-то и в какое-то время подействовать на полимеразу так, чтобы побудить ее двинутся в требуемом направлении к транскрибируемому гену, а он может быть расположен на любой хромосоме в любом месте. Что промотор видит начало требуемого гена издалека? Чем он видит, или слышит, или осязает? Белком, аминокислотой или чем?
    А как РНК-полимераза может двигаться? У нее ничего, кроме торчащих во все стороны атомов, и обычно никак не упорядоченных в виде ног, колес, плавников и тому подобное, нет. Не торопитесь только приписывать это движение тепловым процессам. Они с одинаковой вероятностью могут сближать и удалять объекты.
    Допустим, что РНК-полимераза добралась каким-то чудесным образом до требуемого промотора или пусть даже была рядом с ним. Если промотор и полимераза рядом, то им что-то должно дать команду на взаимодействие.
    Предположим, что такая команда в каком-то виде поступила. Что должен делать РНК-полимераза? Разорвать связь гена с молекулой (3’и 5’), как-то соединится с обеими ветвями молекулы, и начать ген разрывать по основаниям и раскручивать спираль. Или молекулу не разрывать? Попытайтесь расплести свитую веревку, и Вы увидите, что это не просто. Одна часть веревки будет раскручиваться, а другая еще плотнее будет свиваться. В любом случае надо либо перехватывать руки, либо крутится самому. Может ли такие сложные манипуляции выполнить комочек белка? Ой, ли. А еще интересней такое положение дел. Ген сам строит на себе мРНК или РНК-полимераза поставляет для строительства основания, рибозу и фосфат, а затем связывает их совместно? Если ген сам строит мРНК, то, как он понимает, что надо строить именно мРНК, а не вторую ветвь ДНК? Что делает в это время вторая ветвь? Если это делает РНК-полимераза, то она умнее человека. Надо анализировать каждый нуклеотид, подбирать ему нужную пару, вытаскивать ее из массы других молекул, соединять их в нужном порядке и т.д. и т.п.
    В общем, на ни один из этих вопросов ни Inkstone, ни БСЭ, ни кто другой из самых ученых ничего толком ответить не смогут. Да на них и нельзя ответить в рамках молекулярной биологии, а вся наука пока находится именно на молекулярной ступени познания. Ответы на все эти вопросы появляются, если перейти на квантовую ступень познания. На этой ступени физика органично входит в биологию, не стык наук появляется, а их естественное слияние. Автору этот переход удался. Все это изложено в книгах “Квантовая биология” (ISBN: 978-3-659-33209-8) и “Квантовая физика” (ISBN-13: 978-3-659-40470-2). Их можно заказать в онлайн-магазине по адресу http://ljubljuknigi.ru/.
    Ответить
  • nookosmizm  | 18.10.2016 | 07:47 Ответить
    Как формируется ДНК

    1. Представление учёных

    Ученые не без основания утверждают, что каждое живое существо строится по заранее заданной волновой программе. На основании многочисленных исследований и экспериментов, выполненных в Институте клинической и экспериментальной медицины при Сибирском отделении РАН, ученые под руководством академика В.П. Казначеева полностью подтвердили, что в момент оплодотворения эфирное, астральное и ментальное тела сливаются с зародышем. Живое вещество (Душа) сначала проектирует себя в виде голографического полевого образа и на основании именно этого образа строит свое конкретное земное биохимическое тело. Академик РАН П.П. Горяев и его коллеги экспериментально доказали, что такая голограмма возникает еще до появления на свет целостного организма. Грубо говоря, информация, приходящая извне по отношению к эмбриону, заставляет его хромосомы создавать определенный волновой образ. Этот образ-голограмма и диктует делящимся клеткам, когда и куда должны расти ноги, руки, голова и т.д. Волновой образ заполняется материей, подобно тому, как литейная форма заполняется литьем.

    2. Когда и из чего формируется ДНК

    Казалось бы, что все мы едим что попало, а в общем – одно и то же, но у каждого свой спектр ДНК - конкретный для каждого человека спектр электромагнитных волн, из которых формируется тело человека. То есть всё тело человека состоит из энергетики персональной ДНК.
    http://nookosmizm.bbmy.ru/viewtopic.php?id=89#p95
    Ответить
Написать комментарий

Древний мир
1828
XIX–начало XX в.
1958
Центральная догма молекулярной биологии
На этой авторадиограмме темные полосы отражают расстояние, пройденное различными фрагментами ДНК в геле. Анализируя последовательность темных полос, генетики воспроизводят генетический код, записанный на молекуле ДНК

На этой авторадиограмме темные полосы отражают расстояние, пройденное различными фрагментами ДНК в геле. Анализируя последовательность темных полос, генетики воспроизводят генетический код, записанный на молекуле ДНК

Элементы

© 2005-2017 «Элементы»