Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

не молекула белка подобна последователь ности бусинок на нити, где роль бусинок вы полняют молекулы аминокислот. В составе большинства белков находится в среднем 300 500 таких “бусинок”.

Количество аминокислот в природе ограничено – всего 20 видов, и их можно уподобить двадцати “буквам” особого “химического алфавита”, из которых сос тавлены белки – “слова” длиной в 300 500 букв.

С помощью двадцати букв можно на писать огромное количество таких длин

ных слов. Если учесть, что замена или перестановка хотя бы одной буквы в слове придаст ему новый смысл, то число возможных комбинаций букв в слове длиной в 500 символов составит 20500!

Цепь каждого белка построена из свойственной только этому белку комбинации аминокислот: только определенное число и только в определенной последовательности. Уникаль ность характерной для того или иного белка комбинации ами нокислот и определяет его химические и биологические свой ства. Перестановка всего лишь одного аминокислотного звена на другое место, его замена или потеря приведет к очень значи тельному изменению свойств белковой молекулы. Значит, при синтезе (построении) отдельного белка необходимо владеть точной информацией о чередовании аминокислотных звеньев в его структуре. В природе такая информация хранится на спе циальном носителе молекуле ДНК, в которой содержится ин формация о структуре всех существующих в организме белков.

Отрезок молекулы ДНК, в котором содержится информа ция о последовательности аминокислот в одном белке, называ ется ген, потому информацию в ДНК называют генетической, а ген является единицей наследственного материала. В ДНК со держится до нескольких сот генов.

Молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) предс тавляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити. Ширина такой двойной спирали – около 2 нм. Длина же

– в десятки тысяч раз больше – несколько сотен тысяч нано метров. За открытие двойной спирали ДНК, несущей наслед

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ственную информацию, в 1962 году ученые Уотсон и Крик по лучили Нобелевскую премию.

Нити ДНК представляют собой цепи из нуклеотидов, а нук* леотиды – это органические вещества, состоящие из трех сое диненных друг с другом молекул: азотистого основания, пяти углеродного сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты. Нуклеотиды назвали по именам 4 х типов азотистых основа ний, входящих в их состав: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Порядок расположения четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК очень важен он определяет порядок аминокис лот в белках, то есть их структуру.

Чтобы понять, как в ДНК запрограммирована структура белка, стоит вспомнить азбуку Морзе, по которой все буквы ал фавита, знаки препинания и цифры обозначаются комбинаци ей коротких (точка) и длинных (тире) сигналов. Оказывается, подобный шифр существует и в ДНК! Как в азбуке Морзе каж дой букве соответствует определенное сочетание точек и тире, так в коде ДНК определенное последовательное сочетание нук леотидов соответствует определенной аминокислоте в молеку ле белка. Знать код ДНК – значит знать сочетание нуклеоти дов, соответствующее каждой аминокислоте.

Чтобы закодировать все возможные цифры, буквы и знаки препинания, нам хватает всего двух символов (точка и тире). Чтобы закодировать одну аминокислоту, сочетания из трех нук леотидов вполне достаточно (из 4 нуклеотидов можно создать 64 комбинации, по три нуклеотида в каждой: 43=64). Такое со четание называется триплетом или кодоном.

Код ДНК обладает однозначностью (один триплет шифрует не более одной аминокислоты) и универсальностью (т.е. для всего живущего и растущего на Земле – бактерий, грибов, зла ков, муравья, лягушки, лошади, человека – одни и те же трип леты кодируют одни и те же аминокислоты). В настоящее вре мя код ДНК расшифрован полностью, т.е. для каждой амино кислоты точно установлены кодирующие ее триплеты.

Еще раз напоминаем читателям, что замена или удаление хотя бы одного нуклеотида в последовательности ДНК приве дет к нарушению структуры синтезируемых белков. Поскольку генетический код подобен языку, то наглядным примером этому

14

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

может послужить следующая фраза, составленная из буквен ных триплетов:

жил был кот тих был сер мил мне тот кот

Несмотря на отсутствие знаков препинания нам понятен и смысл и логика этого “предложения”. Если же мы уберем пер вую букву в этой фразе, но читать будем также триплетами, то получится бессмыслица:

илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от

Похожая генетическая бессмыслица возникает и при выпаде нии одного нуклеотида из гена. Белок, считываемый с такого ис порченного гена, может привести к серьезным генетическим забо* леваниям организма (болезнь Дауна, серповидноклеточная ане мия, сахарный диабет, мышечная дистрофия и т.д.). Такая ошип ка в информационной матрице ДНК будет повторяться всякий раз при синтезе конкретного белка, подобно тому, как ошибка на типографской матрице, с которой печатается книга или газета, будет повторяться во всех экземплярах данного тиража.

Являясь матрицей для синтеза всех белков, сама молекула ДНК, однако, в процессе синтеза не участвует. Она является лишь носителем генетической информации.

При синтезе белка информация о его структуре сначала дос тавляется из ДНК к молекуле рибосомы – своеобразной фабрике по производству белков. Этот перенос информации осуществля ется с помощью молекулы информационной РНК (рибонуклеино вая кислота), которая является точной копией, зеркальным отра жением структуры одного участка ДНК. И РНК – это одноце почная спираль, комплементарная одной нити молекулы ДНК

Процесс копирования генетической информации из ДНК в РНК называют транскрипцией (лат. “transcriptio” переписыва ние). В процессе переписывания специальный фермент – по лимераза, двигаясь вдоль ДНК, последовательно считывает ее нуклеотиды и по принципу комплементарности образует це почку и РНК, как бы снимая с ДНК “чертеж” того или иного гена. С каждого гена можно снять любое число копий РНК.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Таким образом, можно сказать, что в процессе синтеза бел ка и РНК выполняет роль перфокарты2, на которую записана “программа” для построения конкретного белка.

Итак, молекула и РНК с записанной на нее программой направляется к рибосоме, где происходит синтез белка. Туда же направляется поток материала, из которого строится белок аминокислот. Аминокислоты попадают в рибосому не самосто ятельно, а с помощью подвижных транспортных РНК (т РНК). Эти молекулы способны различать среди всего многообразия аминокислот только “свою” аминокислоту, присоединять её к себе и подтаскивать к рибосоме.

Синтез белка на рибосомах называется трансляцией (от лат. “translatio” – “передача”).

По мере сборки белковой молекулы рибосома “ползет” по и РНК и синтезирует белок, запрограммированный на данной и РНК. Чем дальше продвинулась рибосома по и РНК, тем больший отрезок белковой молекулы “собран”. На ленте и РНК, как на конвейере, одновременно идет сборка одного и то го же белка несколькими рибосомами (см. рисунок 4). Когда рибосома достигает конца и РНК, синтез окончен.

Рис 4. Процесс синтеза белка рибосомами

2 Перфокарта это кусок или лента из твердой бумаги с дырочками для светового луча, пробитыми в определенных местах. В XIX веке перфокарты применялись в текстильном производстве с их помощью ткацкий станок "программировали" на получение того или иного рисунка, а в середине XX века на перфокартах и перфолентах записывались программы для первых ЭВМ).

16

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

Теперь остановимся подробнее на механизме работы рибосо мы. Обратимся к рисунку. Рибосома движется по и РНК не плав но, а прерывисто, “шажками”, триплет за триплетом. На каждом шаге к месту контакта рибосомы с и РНК “подплывает” какая нибудь молекула т РНК с прицепленной к ней аминокислотой.

Как уже было сказано, каждая т РНК способна различать только “свою” аминокислоту и присоединять её для транспор тировки к месту построения белка. Это происходит благодаря содержащемуся в ней триплету, комплементарному (подходя щему) конкретной аминокислоте.

Если кодовый триплет т РНК окажется комплементарным к триплету и РНК, находящемуся в данный момент в рибосоме, то аминокислота отделится от т РНК и присоединится к строящейся цепочке белка (к белковой молекуле добавится еще одна “бусинка”).

Рис 5. Рибосома синтезирует белок

Свободная т РНК затем выбрасывается из рибосомы в ок ружающую среду. Здесь она захватывает новую молекулу ами нокислоты и несет ее в любую из работающих рибосом. А наша рибосома делает следующий “шаг” вперед по и РНК на один триплет. Так постепенно, триплет за триплетом, движется по и РНК рибосома и растет звено за звеном цепь белка.

Пройдя по всей длине и РНК, рибосома с готовым белком “сходит” с неё. Затем белковая молекула направляется к тому участку клетки, где требуется данный вид белка, а рибосома