Вирусы синтезируют свою днк и белки из нуклеотидов

86. 1. Определение, химический состав вирусов, функции компонентов.
Функция нуклеиновой кислоты вируса: …
Функция белков вирусных частиц: …
Размножение вирусов, синтез их нуклеиновых кислот.
Где размножается вирус?
О видах вирусов
86. 2. (Молекулярные механизмы действия вирусов.)
Реакция иммунной системы на обнаружение вируса.
Как вирусная частица попадает в клетки.
Что происходит с вирусной частицей после её попадания в клетку.
86. 3. Онкогенные вирусы. См. п.87.
86. 4. ВИЧ. См. п.77 и 80.
86. 5. Прионы.

86. 1. Определение, химический состав вирусов, функции компонентов. –

Опеределение вируса.
Вирусами называют КОМПЛЕКСЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ С БЕЛКАМИ,
которые могут находиться во внешней среде вне клеток и
могут при попадании в организм проникать в клетки и размножаться внутри клеток.
Некоторые вирусы вдобавок к НК и белкам содержат липиды и углеводы.
Таким образом, вирусы не являются клетками, у вирусов нет органелл.

Отдельный комплекс нуклеиновых кислот с белками называется вирусной частицей или вирионом.

Функция нуклеиновой кислоты вируса:
нуклеиновые кислоты используются для синтеза белков вирусных частиц (кодируют первичную структуру белка).

Функция белков вирусных частиц:
1 – защищают НК от повреждений (НК сами по себе очень неустойчивы), образуя оболочку вокруг НК,
2 – участвуют в размножении вирусов в качестве ферментов и т.д. см. далее.
Углеводы вирусных частиц часто находятся на поверхности вирусных частиц и могут помогать вирусным частицам проникать в клетки.

Отдельная вирусная частица и вирусные частицы данного вида вирусов содержат только один вид НК – или ДНК, или РНК.
Вирусы, в вирионе которых находится ДНК, называются ДНК-овые вирусами,
а вирусы, в вирионе которых находится РНК, называются, РНК-овыми вирусами.

ДНК вируса может быть не только двухцепочечной, но и ОДНОЦЕПОЧЕЧНОЙ.
РНК вируса может быть как одноцепочечной (как в клетках), так и ДВУХЦЕПОЧЕЧНОЙ.

Размножение вирусов, синтез их нуклеиновых кислот.

Синтез нуклеиновых кислот вирусов происходит разными способами. –
1) Наряду с репликацией ДНК (см. п. 78),
2) у вирусов есть репликация РНК
3) и обратная транскрипция (см. п.80).

Какой бы ни была нуклеиновая кислота в самом вирионе,
при размножении вируса происходит синтез вирусных матричных РНК для синтеза вирусных белков (для трансляции).

Где размножается вирус?

Синтез вирусных нуклеиновых кислот и синтез вирусных белков может происходить только внутри клеток,
так как для синтезов нужны среда, рибосомы (осуществляются синтез белка), нуклеотиды и аминокислоты и т.д.
Поэтому размножаться вне клеток вирусы не могут. –
Пока вирус не проник в клетку, он не может размножаться, не может как-то влиять на обмен веществ в организме.
Поэтому наличие вируса (вирионов) в крови
не означает, что человек будет болеть болезнью, которая вызывается этим вирусом.
Он может заболеть, только если вирусные частицы проникнут в клетки,
а если они не проникнут в клетки, то человек не заболеет, хоть и будет носителем вируса.

О видах вирусов

Вирусы, содержащие разные нуклеиновые кислоты (то есть с разными последовательностями нуклеотидов) и разные белки, относят к разным видам вирусов.
Вирусные частицы с одинаковыми (или очень похожими) последовательностями нуклеотидов в НК, относятся к вирусу одного и того же вида.
Кроме того, последовательность нуклеотидов нуклеиной кислоты вируса данного вида
может меняться, то есть вирус может мутировать.
В итоге получается другой ШТАММ данного вида вируса, но сам вирус относится к тому же виду вирусов, что и до мутации.

Вирусы, которые поражают бактерии, называются БАКТЕРИОФАГАМИ.
Бактериофаги могут использоваться для внесения в клетку бактерии чужих для неё генов для синтеза клеткой белков, кодируемых этими генами,
То есть бактериофаги могут играть роль векторов – это используется генной инженерией.
В эукариотические клетки вирусы попадают не так, как в бактериальные (далее).

86. 2. (Молекулярные механизмы действия вирусов.)

Реакция иммунной системы на обнаружение вируса.

При попадании вирусной частицы в организм её должны заметить и уничтожить клетки иммунной системы
(с помощью АНТИТЕЛ – специальных белков, задача которых – распознавание антигенов)
для того чтобы вирус не успел проникнуть в клетку, размножиться в ней, убить её и заражать новые клетки.

Как вирусная частица попадает в клетки.

Проникновение вирусной частицы в клетку начинается с того, что
вирус связывается с определённым белком на поверхности клетки,
который таким образом выполняет функцию РЕЦЕПТОРА клетки для этого вируса.
Роль рецептора вируса обычно играют белки, предназначенные для других целей –
например, ВИЧ использует рецепторы хемокинов.

Если рецепторы вируса отличаются от обычных так, что вирус не может с их помощью проникнуть в клетку, то вирус не приведёт к заболеванию.
Причиной отличия рецептора может быть мутация гена, который кодирует этот рецептор.

Что происходит с вирусной частицей после её попадания в клетку.

После попадания вирусной частицы внутрь клетки
вирусная нуклеиновая кислота высвобождается, после чего
могут синтезироваться новые молекулы вирусной нуклеиновой кислоты (см. п.77)
и новые молекулы вирусных белков (п.82).

После этого из молекул вирусных нуклеиновых кислот и молекул вирусных белков
могут образовываться новые вирусные частицы –
так происходит РАЗМНОЖЕНИЕ ВИРУСОВ.

Новые вирусные частицы могут покидать клетку, в которой образовались,
и поступать в новые клетки, заражая всё новые и новые клетки.
Если заражённые вирусом клетки подвергнутся АПОПТОЗУ (см. п. 79),
то распространение вирусных частиц может затормозиться.
Поэтому замедленный апоптоз способствует распространению вирусной инфекции.

Накопление вирусных частиц в клетке может приводить к РАЗРУШЕНИЮ КЛЕТКИ;
кроме того, оно нарушает нормальную жизнедеятельность клетки и организма –
всё это приводит к появлению симптомов вирусной инфекции.

Нуклеиновые кислоты некоторых вирусов (см. ВИЧ далее) могут использоваться
в качестве матриц для образования двухцепочечных ДНК (вирусных ДНК),
которые способны встраиваться в ДНК человека –
это встраивание называется интегрированием в геном,
оно относится к ПЕРЕСТРОЙКАМ генома – см. п.79.

86. 3. Онкогенные вирусы. См. п.87.

Некоторые вирусы способствуют появлению онкологических заболеваний.
Такие вирусы называются онкогенными вирусами.
Примеры онкогенных вирусов:
вирус папилломы человека способен приводит к раку матки,
вирусы гепатитов В и С приводят к раку печени.
Онкогенные вирусы относят к группе биологических мутагенов – см. п.79.

Почему некоторые вирусы могут приводить к онкологическим заболеваниям (см. п.87 и п.92, 98):
потому что онкогенные вирусы приводят к таким МУТАЦИЯМ,
которые способствуют появлению онкологических заболеваний.

Например, считается, что онкогенными являются те вирусы,
которые приводят к встраиванию вирусных ДНК в ДНК (геном) человека (интегрируется).
Потому что это встраивание может изменить тот участок ДНК,
в который встраивается вирусная ДНК (то есть привести к мутации).

В норме, до мутации, протоонкоген кодирует белки, которые стимулируют деление клеток и относятся к онкобелкам.
В норме активность онкобелков регулируется,
поэтому они стимулируют деление клетки только тогда, когда нужно –
и поэтому деление клетки (и образованных при её делении клеток) не приводит к образование опухоли.
Но после мутации протоонкогена он может измениться так, что
кодируемые им онкобелки не смогут регулироваться
и станут стимулировать деление клетки постоянно, без остановки,
что может привести к появлению опухоли,
если мутантные клетки не подвергнутся апоптозу
или не уничтожатся клетками иммунной системы.

86. 4. ВИЧ. См. п.77 и 80.

ВИЧ – это вирус иммунодефицита человека.
Размножение ВИЧ в организме человека может привести к развитию СПИДа –
Синдрома Приобретённого Иммунодефицита Человека.
ВИЧ повреждает клетки иммунной системы (Т-хелперы, макрофаги),
что приводит к дефициту иммунных клеток и снижению иммунитета (иммунодефициту).

1. После попадания ВИЧ в организм человека
ВИЧ, как и все вирусы, сначала связывается с рецепторами на поверхности клеток:
ВИЧ связывается с рецепторами хемокинов
(хемокиновыми рецепторами;
хемокины – это гормоны, относятся к цитокинам)
и СД4 рецепторами на поверхности клеток иммунной системы.

Связыванию ВИЧ с рецепторами помогают гликопротеины, расположенные на поверхности вирусной частицы ВИЧ.

Есть люди, в организме которых есть ВИЧ, но у которых не развивается СПИД –
то есть они являются носителями вируса, они могут заразить ВИЧ,
но больными они не являются.
Предполагают, что это связано с тем, что ВИЧ не может размножаться в организме этих людей,
поскольку не проникает в их клетки из-за особенностей строения рецепторов ВИЧ у этих людей:
возможно, из-за мутаций генов, кодирующих эти рецепторы.

2. В качестве нуклеиновой кислоты в ВИЧ содержится одноцепочечная РНК.
В клетках РНК вируса становится матрицей для синтеза комплементарной ей цепи ДНК
(комплементарной ДНК, кДНК),
который катализируется ферментом обратная транскриптаза
(потому что синтез ДНК на матрице РНК называется обратной транскрипцией),
который содержался в вирусной частице ВИЧ.

Затем на матрице первой цепи ДНК синтезируется вторая цепь ДНК,
в результате чего образуется двухцепочечная ДНК.
Эта вирусная ДНК способна встраиваться в ДНК человека
с помощью фермента ИНТЕГРАЗЫ, который тоже содержится в вирусной частице ВИЧ.

3. В некоторый момент вирусная ДНК, находящаяся в составе ДНК человека,
может использоваться для синтеза вирусных РНК (то есть для транскрипции – п.80).

4. Вирусные РНК могут использоваться для синтеза вирусных белков (для трансляции) с помощью рибосом самой клетки.

5. Один из ферментов ВИЧ осуществляет расщепление полипептидной цепи, синтезированной на вирусной РНК;
этот фермент называется ПРОТЕАЗОЙ.
В итоге образуются вирусные белки, в том числе уже названные протеаза, интеграза и обратная транскриптаза.

6. Объединение вирусных белков с вирусной РНК приводит
к появлению новых вирусных частиц ВИЧ,
которые могут разрушать клетки, поступать в кровь и проникать в новые клетки.

Диагностика ВИЧ
осуществляется методом ПЦР и с помощью иммуноферментного анализа.
Метод ПЦР быстрее и надёжнее.

СПИД пока считается неизлечимым заболеванием.
Но замедлить развитие СПИДа и продлить жизнь человека, инфицированного ВИЧ, можно за счёт замедления размножения ВИЧ в организме заражённого.

Размножение ВИЧ замедляется за счёт применения лекарств,
снижающих активность ферментов ВИЧ, участвующих в размножении ВИЧ (см. выше),
то есть за счёт применения ИНГИБИТОРОВ ферментов ВИЧ.

Чем раньше начинают лечение инфицированного ВИЧ – тем дольше он проживёт. Поэтому важно вовремя делать анализ на ВИЧ при наличии оснований предполагать, что человек мог заразиться ВИЧ.
При наличии ВИЧ у беременной есть шанс родить здорового ребёнка,
если вовремя сделать анализ на ВИЧ и провести лечение.

Прионами называют белки с особой структурой, которая приводит к так называемым прионовым болезням:
куру, болезни Крейцфельдта-Якобы, почесухе овец, коровьему бешенству.

У прионов есть способность
превращать молекулы нормальных белков в прионы
за счёт того, что под влиянием структуры уже имеющихся молекул прионов
структура молекул ряда других белов может измениться так,
что эти молекулы тоже становятся прионами –
нерастворимыми в воде молекулами,
под влиянием которых могут стать прионами другие молекулы белков –
то есть происходит как бы цепная реакция;
из-за этого число прионов в организме становится всё больше.

Из-за этого свойства прионы считаются инфекционными белками,
а прионовые болезни считаются заразными
(заражение происходит при попадании прионов в организм – обычно в качестве пищи).

В случае с прионами увеличение числа болезнетворных молекул
происходит не путём деления клеток
(в отличие от бактериальных и других инфекций, где бактерии размножаются делением)
и не путём синтеза нуклеиновых кислот (см. выше о размножении вирусов),
а под влиянием уже имеющихся молекул прионов.

Прионы могут оказаться в организме не только в результате заражения
(не только при съедении пищи, содержащей прионы),
но и в результате мутаций генов некоторых белков.
Из-за своей структуры прионы не уничтожаются и не теряют свои вредные свойства при сколь угодно долгой варке, поэтому варка не является способом сделать пищу безопасной и свободной от прионов. Единственный способ исключить возможность заражения прионами при эпидемиях коровьего бешенства – это не употреблять в пищу мясо, тушёнку, консервы, желатин и т.д.А единственный способ уничтожить прионы - только сжечь. Прионы устойчивы и к действию других факторов, которые разрушают структуру обычных белков, то есть прионы устойчивы к денатурации под действием излучений, ультразвука и т.д.

Открытие вирусов

В 1892 году Д.И. Ивановский (см. Рис. 1), изучая мозаичную болезнь табака (см. Рис. 2), установил, что причиной заболевания является некое инфекционное начало, содержащееся в листьях больных растений, которое проходит через фильтр, задерживающий обыкновенные бактерии. Если профильтрованный сок внести в листья здоровых растений, то они также заболевают мозаичной болезнью.

Рис. 1. Д.И. Ивановский

Рис. 2. Мозаичная болезнь табака

В 1898 году независимо от Ивановского аналогичные результаты получил голландский микробиолог М. Бейеринк. Однако он предположил, что мозаичную болезнь табака вызывают не мельчайшие бактерии, а некое жидкое заразное начало, которое он назвал фильтрующим вирусом.

Размеры вирусов определяются нанометрами (20-200 нм), поэтому их изучение началось после открытия электронного микроскопа. В настоящее время описаны вирусы практически всех групп живых организмов.

Строение вирусов

Вирусы – неклеточные формы жизни. Они состоят (см. Рис. 3) из фрагмента генетического материала (РНК или ДНК), составляющего сердцевину вируса, и защитной оболочки, которая называется капсид. У некоторых вирусов (герпес, грипп) есть дополнительная липопротеидная оболочка – суперкапсид, которая возникает из плазматической мембраны клетки-хозяина.

Рис. 3. Строение вируса

Вирусы не способны к самостоятельной жизнедеятельности. Они могут проявлять свойства живого, только попав в клетку-хозяина. Они используют потенциал и энергию этой клетки для создания своих новых вирусных частиц, следовательно, вирусы являются внутриклеточными паразитами.

Размножение вирусов

Обычно вирус связывается с поверхностью клетки-хозяина и проникает внутрь. Каждый вирус ищет своего хозяина, то есть клетки строго определенного вида. Например, вирус – возбудитель гепатита (желтуха) проникает и размножается только в клетках печени, а вирус эпидемического паротита (свинка) – только в клетках околоушных слюнных желез человека.

Проникнув внутрь клетки-хозяина, вирусная ДНК или РНК начинает взаимодействовать с ее генетическим аппаратом таким образом, что клетка начинает синтезировать белки, свойственные вирусу (см. Рис. 4).

Рис. 4. Схема репродукции вируса

При заражении ретровирусом (например, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ)), у которого в качестве генетического материала используется молекула РНК, наблюдается другая картина. При попадании ретровируса в клетку-хозяина происходит обратная транскрипция. То есть на основе вирусной РНК синтезируется вирусная ДНК, которая встраивается в ДНК человека. Такой тип взаимодействия вируса с клеткой называется интегративным, а встроенная в состав хромосомы клетки ДНК вируса называется провирусом. Далее провирус реплицируется (удваивается) в составе хромосомы и переходит в геном дочерних клеток. Однако под влиянием некоторых физических и химических факторов провирус может выщепляться из хромосомы клетки и переходить к продуктивному типу взаимодействия, то есть синтезировать новые вирусные частицы.

При заражении ВИЧ человек чувствует себя здоровым, пока вирусный генетический материал встроен в хромосому человека. Однако при выщеплении этого вирусного генетического материала из клетки она начинает образовывать новые вирусные частицы, вследствие чего развивается смертельное заболевание – синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД).

Вирусы являются возбудителями большого количества заболеваний человека: корь, грипп, оспа, краснуха, энцефалит, свинка, гепатиты, СПИД. Известен также целый ряд заболеваний растений, вызываемых вирусами, например мозаичная болезнь табака, томатов, огурцов или скручивание листьев картофеля. Всего описано около 500 видов вирусов, поражающих клетки позвоночных животных, и около 300 вирусов растений. Некоторые вирусы участвуют в злокачественном перерождении клеток и тем самым провоцируют онкологические заболевания.

ДНК- и РНК-содержащие вирусы

В зависимости от содержащегося генетического материала вирусы подразделяются на ДНК-содержащие и РНК-содержащие.

Одноцепочные РНК-содержащие вирусы подразделяются на:

1. Плюс-нитевые (положительные). Плюс-нить РНК этих вирусов вы­полняет наследственную (геномную) функцию и функцию информационной РНК (иРНК).

2. Минус-нитевые (отрицательные). Минус-нить РНК этих вирусов выпол­няет только наследственную функцию.

К РНК-содержащим вирусам относятся более
вирусов, вызывающих респираторные заболевания, а также вирус гриппа, кори, краснухи, свинки, ВИЧ. Также существует специфическая группа вирусов – арбовирусы, которые переносятся членистоногими.

Двухцепочные ДНК-содержащие вирусы вызывают такие заболевания, как папиллома человека или герпес, гепатит В (гепатит А и гепатит С вызывается РНК-содержащими вирусами).

ДНК-содержащие вирусы поражают также растения. Они вызывают, например, золотую мозаику бобов или полосатость у кукурузы.

Вирус гепатита С

По своему строению вирус гепатита С – это РНК-содержащий вирус, имеющий сферическую форму, сложно устроенный (см. Рис. 5).

В качестве генетического материала такой вирус содержит линейную однонитчатую молекулу РНК.

Рис. 5. Гепатит С

Вопреки бытующим предрассудкам, подцепить вирус гепатита C невозможно через социальные контакты (поцелуи, объятия), через продукты или воду, через грудное молоко. Вы ничем не рискнете, если разделите с носителем вируса трапезу или напитки. Заразиться гепатитом C можно при контакте с кровью инфицированного человека либо половым путем.

В настоящее время для лечения гепатита С используют два препарата: Интерферон альфа и Рибавирин.

Бактериофаги

Рис. 6. Бактериофаг (Источник)

Особую группу вирусов составляют бактериофаги (или просто фаги), которые заражают бактериальные клетки (см. Рис. 6). Фаг укрепляется на поверхности бактерии при помощи специальных ножек и вводит в ее цитоплазму полый стержень, через который проталкивает внутрь клетки свою ДНК или РНК. Таким образом, генетический материал фага попадает внутрь бактериальной клетки, а капсид остается снаружи. В цитоплазме начинается репликация генетического материала фага, синтез его белков, построение капсида и сборка новых фагов. Уже через 10 мин после заражения в бактерии формируются новые фаги, а через полчаса бактериальная клетка разрушается, и из нее выходят около 200 заново сформированных вирусов – фагов, способных заражать другие бактериальные клетки (см. Рис. 7). Некоторые фаги используются человеком для борьбы с болезнетворными бактериями, вызывающими холеру, дизентерию, брюшной тиф.

Рис. 7. Схема размножения бактериофага (Источник)

Список литературы

1. Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П.В. Ижевский, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.
3. Беляев Д.К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.
4. Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

Привет Хабр! Сегодня мы продолжим прошлый рассказ о ДНК. В нем мы поговорили о том, сколько ее бывает, как ДНК хранится и почему так важно то, как она хранится. Сегодня мы начнем с исторической справки и закончим основами кодирования информации в ДНК.

Теперь, встал вопрос, как отдельные звенья соединены между собой. Для этого цепи ДНК нужно было разрушить и посмотреть на то, что получится после разрушения. Для этого полимер ДНК подвергался гидролизу. Однако Левен изменил метод гидролиз. Теперь вместо многочасового кипячения в закисленной среде он использовал ферменты. На этот раз из гидролизатов удалось выделить не только отдельные аденин, гуанин, тимин, цитозин, дезоксирибозу и фосфорную кислоту, но и более крупные фраг­менты, например соединения азотистых оснований с углеводом или углевода с фосфорной кислотой. Вместе с тем в гидролизатах нуклеиновых кислот не были обнаружены соедине­ния, состоящие из двух азотистых оснований, или соединения типа основание – фосфорная кислота. То есть стало понятно, что фосфорная кислота соединяется с сахаром, а он в свою очередь, с азотистым основанием. Соединения азотистых ос­нований с углеводом было предложено называть нуклеозидами, а фос­форные эфиры нуклеозидов назвали нуклеотидами.

В результате этих работ Левен пришел к выводу, что нуклеиновые кислоты являются полимерами. В качестве мономеров служат нуклео­тиды. Содержание каждого из четырех нуклеотидов в ДНК, или РНК, по данным химического анализа того времени, представлялось Левену равным. Поэтому Левен предложил следую­щую теорию строения нуклеиновых кислот: они являются поли­мерами, мономерами которых служат блоки из четырех нуклео­тидов, соединенных последовательно.
Теория тетрануклеотидного строения в то время выглядела вполне обоснованно, войдя во все учебники довоенного времени. Однако вопрос функции ДНК оставался неясным. Чтобы прояснить этот вопрос понадобилось почти полвека.

Наступил период, во время которого биологи накапливали сведения об распространении нуклеиновых кислот в различных типах животных и растительных тканей, в бактериях и вирусах, в некоторых одноклеточных организмах.

В то время научное сообщество всерьез полагало, что за хранение генетической информации ответственны именно белки. Традиционное представление о первичной роли белков в жизненном процессе не позволяло и думать о том, что столь важное ве­щество, как вещество наследственности, могло быть чем-либо, кроме белка. Белки были крайне разнообразны по своей структуре, чего тогда не могли сказать о нуклеиновых кислотах. Известный советский генетик-цитолог Н. К. Кольцов подсчитал, что, варьируя последовательность 20 аминокислот, входящих в состав белковой молекулы, можно создать триллионы непохожих друг на друга белков.

Если бы мы захотели напечатать в самой упрощенной форме, как печатаются логарифмические таблицы, этот триллион молекул и предоставили для выполнения этого плана все ныне существующие типографии мира, выпуская в год 50000 томов по 100 печатных листов, то до конца предпринятой работы протекло б столько времени, сколько его прошло с архейского периода д наших дней.

Действительно много… 20 в 20й… А ведь последовательности бывают куда длиннее чем 20 аминокислот.

А вот как пишет по этому поводу А. Р. Кизель – один из наиболее эрудированных биохимиков того времени.

Из только что приведенных воззрений на роли нуклеиновой кислоты… вытекает ее непричастность к строению генов и следует, что гены составлены из какого-то другого материала. Этого материала мы еще достоверно не знаем, несмотря на то, что он в большинстве случаев прямо называется белком.

Первый успех пришел из микробиологии. В 1944 г. были опубликованы результаты опытов Эвери и сотрудников (США) по трансформации бактерий. Пару слов о трансформации.

Сама трансформация была открыта в 1928 году микробиологом Гриффитсом.

Гриффит работал с культурами пневмококка (Streptococcus pneumoniae) возбудителя одной из форм пневмонии. Некоторые штаммы этой бактерии являются вирулентными, вызывая воспаление легких. Их клетки покрыты полисахаридной капсулой, защищающей бактерию от действия иммунной системы. В культуре такие бактерии образуют крупные гладкие колонии правильной сферической формы. Благодаря этому, они получили название S–штаммы (от английского smooth – гладкий).

Существуют различные вирулентные штаммы пневмококка, они отличаются по антителам, которые вырабатываются в организме при попадании в него бактерий. Их называют IS, IIS, IIIS и т. д. Время от времени некоторые клетки вирулентных штаммов S мутируют, утрачивая способность синтезировать полисахаридную оболочку, и становятся авирулентными. В культуре они образуют мелкие шероховатые колонии неправильной формы, из-за этого получили название R–штаммов (от английского rough – шероховатый). Иногда происходят обратные мутации, восстанавливающие способность к синтезу полисахаридной оболочки, но только в группах соответствующих штаммов:

Это говорит о том, что авирулентные R–штаммы всегда соответствуют родительскому вирулентному S–штамму.

Гриффит вводил разным группам лабораторных мышей вирулентный и авирулентный штамм пневмококка. В первой контрольной группе инъекция вирулентного штамма IIIS приводила к гибели животных. Животные второй контрольной группы после инъекции авирулентного штамма IIR оставались живы. После этого Гриффит нагревал раствор с культурой вирулентого штамма IIIS при температуре 60 °С, что привело к гибели бактерий. Убитые нагреванием бактерии он ввел третьей группе подопытных мышей. Животные остались живы, что в принципе и ожидалось. Однако это не все. Он ввел части выживших мышей бактерии авирулентного штамма IIR.

Казалось, ни к каким страшным последствиям для мышей это не могло привести. Однако вопреки ожиданиям, животные погибли. Когда из их тел были выделены бактерии и высеяны в культуру, оказалось, что они относятся к вирулентному штамму IIIS.

Тот факт, что вызывающие гибель мышей клетки синтезировали полисахаридную оболочку типа III, а не II, свидетельствовал о том, что они не могли возникнуть в результате обратной мутации IIR — IIS. Из этого Гриффит сделал очень важный вывод. Авирулентные бактерии штамма IIR могут трансформироваться в вирулентные как-то взаимодействуя с убитыми нагреванием бактериями штамма IIIS, которые еще оставались в теле мышей. Другими словами, авирулентные бактерии штамма IIR получают от мертвых бактерий штамма IIIS некий фактор, превращающий их в вирулентные. Однако, что это за фактор, Гриффит не знал.

Собственно этот феномен и был назван бактериальной трансформацией. Он представляет собой однонаправленный перенос наследственных признаков от одной бактериальной клетки к другой.

Теперь вернемся к опытам Эвери. Схема их экспериментов несколько схожа с экспериментами Гриффитса. Эвери и сотрудники поставили перед собой задачу выяснить химическую природу трансформирующего агента. Они разру­шали суспензию пневмококков и удаляли из экстракта белки, капсульный полисахарид и РНК, однако трансформирующая активность экстракта сохранялась. Трансформирующая активность препарата не терялась при его обработке кристаллическим трипсином или химотрипсином (разрушающими белки), рибонуклеазой (разрушает РНК). Было ясно, что препарат не являлся ни белком, ни РНК. Однако трансформирующая активность препарата полностью утрачивалась при обработке его дезоксирибонуклеазой (разрушающей ДНК), причем ничтожные количества фермента вызывали полную инактивацию препарата. Таким образом, было установлено, что трансформирующий фактор у бактерий является чис­той ДНК. Этот вывод явился значительным открытием, и Эвери отлично сознавал это. Он писал, что это как раз то, о чем дав­но мечтали генетики, а именно вещество гена. Кажется вот оно доказательство. Но уж слишком сильна была вера в белок, как вещество наследственности. Некоторые считали, что трансформацию могут вызывать и те ничтожные примеси белка, которые оставались в препарате.

Новым доказательством прямой генетической роли ДНК явились опыты вирусологов Херши и Чейз. Они работали с бактериофагом Т2 (Бактериофаги — вирусы бактерий), который заражает бактерию Escherichia coli (кишечную палочку).

Собственно что они сделали. В состав ДНК одних бактериофагов они включили радиоактивный фосфор (P32), а в состав белков других — изотоп серы (S35). Для этого одни бактерии выращивались на среде с добавлением радиоактивного фосфора в составе фосфат иона, другие — на среде с добавлением радиоактивной серы в составе сульфат иона. Затем к этим бактериям добавлялся бактериофаг Т2, который, размножаясь в клетках бактерий, включал радиоактивную метку в свою ДНК (P есть в ДНК, но нет в белках), или белки (S есть в белках, но нет в ДНК).

Эти открытия сильно повлияли на многих биологов того времени. В особенности на знаменитого своими правилами Чаргаффа. Он считал, что Эвери по сути открыл 'новый язык', или как минимум показал, где его искать.

Чаргафф при­нялся искать разницу в нуклеотидном составе и расположении нуклеотидов в препаратах ДНК, полученных из различных источников. И, поскольку методов позволяющих точно дать химическую характеристику ДНК, в то время не существовало… ему пришлось их придумать. Им было показано, что старая тетрануклеотидная теория строения нуклеиновых кислот неверна. ДНК у разных организмов по составу и строению сильно отличаются. При этом обнаружились новые факты, не установленные ранее для других природных полимеров, а именно регулярности в соотношении отдельных ос­нований в составе всех исследованных ДНК. Сейчас даже школьники знают их, как правила Чаргаффа.

1. Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина — цитозину: А=Т, Г=Ц.
2. Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц.
3. Вытекает из первого и второго. Количество оснований с аминогруппами в положении 6 равно количеству оснований с кетогруппами в положении 6: А+Ц=Т+Г.

Механизм мы затрагивали в прошлой статье, поэтому тут я останавливаться на нем не буду.

Потихоньку мы подошли к двум легендарным людям, открывшим структуру ДНК. Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон встретились впервые в 1951 году. Уотсон тогда решил заняться структурой ДНК. Как биолог, он понимал, что при выборе определенной структуры ДНК нужно учитывать существование какого-то простого принципа удвоения молеку­лы ДНК, заложенного в ее структуре. Ведь одним из важнейших свойств генов является передача наследственной информации.
Криком же была создана теория дифракции рентгеновских лучей на спи­ралях, позволяющая опреде­лить, находится исследуемая структура в спиральной конформации или нет. В то вре­мя рентгенограммы ДНК уже существовали. Их получили в Лондоне Морис Уилкинс и Розалинд Фрэнклин.

По характеру рентгенограммы ДНК Уотсон и Крик поняли, что исследуемая структура находится в спираль­ной конформации. Они знали также, что молекула ДНК представляет собой длинную линейную полимерную цепь, состоящую из мономеров-нуклеотидов. Фосфодезоксирибозный костяк этого полимера непрерывен, а сбоку к дезоксирибозным остаткам присоединены азотистые основания. Для построения моделей оставалось решить вопрос, сколько цепей линейного полимера уложено в компактную структуру.

На основании рентгенограммы В-формы ДНК Уотсон и Крик предположили, что молекула ДНК состоит из двух линейных полинуклеотидных цепей с фосфодезоксирибозным остовом снаружи молекулы и азотистыми основаниями внутри ее. Что в последствии подтвердилось. Оставалось только решить вопрос о порядке расположения азотистых оснований двух цепей внутри биспирали.

Рассматривая возможные комбинации пар азоти­стых оснований, Уотсон обнаружил, что пары аденин–тимин и гуанин–цитозин имеют одинаковый размер и ста­билизируются водородными связями. Сразу же объяснялись и правила Чаргаффа: если в биспирали ДНК аденин одной цепи всегда соединяется с тимином другой цепи, а гуанин всегда входит в паре с цитозином, то аденина в составе ДНК должно быть всегда столько же, сколько тимина, а гуанина – столько же, сколько цитозина. Ясно было также, как должно происходить удвоение молекулы ДНК. Каждая цепь комплементарна другой, и в процессе репликации ДНК цепи биспирали должны разойтись и на каж­дой полинуклеотидной цепи должна достроиться комплемен­тарная к ней цепь. Тут тоже было несколько теорий, но о них через неделю, в следующей статье.

Итак, мы знаем, что ДНК — носитель информации, знаем из чего она состоит. Но как кодирует информацию — все еще не понятно.

Пойдем от задачи. ДНК кодирует 20 аминокислот (можно сказать, что 21, но селеноцистенин пока не трогаем). Нуклеотидов имеется 4 варианта. То есть один нуклеотид может кодировать 4 варианта, 2 — 16, 3 -64. Логично предположить, что код — триплетен (то есть три основания кодируют одну аминокислоту). Про экспериментальное подтверждение можете почитать здесь. Боюсь, что тут и без того много истории…

Собственно у нас есть 64 варианта и 20 аминокислот. Аминокислоты могут кодироваться разными кодонами. Так же существуют старт и стоп кодоны, с которых начинается считывание.
Не забываем, что сначала ДНК считывается в РНК, с которой уже происходит считывание в белок.
Таблица внизу — соответствие кодонов РНК аминокислотам. Помним, что в РНК нет тимина, вместо него идет урацил.

Если вы не нашли в таблице старт кодон — поищите AUG. Он кодирует метионин и одновременно является стартовым. При трансляции генов прокариот, пластидных и митохондриальных генов стартовой аминокислотой является N-формилметионин (это просто для справки)).

Если расписать весь путь от ДНК до белка, получим что-то такое.

На данном рисунке синтез идет с красной цепи. Как следствие РНК будет совпадать с синей цепью (не забываем про замену Т на У)

Как я уже говорил, каждую аминокислоту может кодировать несколько кодонов. На первый взгляд это кажется не особо нужным побочным эффектом избыточности числа кодонов. Но у него, на самом деле, довольно важная роль.

Тут мы немного затронем мутации. Они бывают разных типов. От хромосомных, когда целые куски хромосом удаляются из генома, меняются местами, дублируются, до точечных, когда происходит замена одного азотистого основания на другое. Сфокусируемся на точечных мутациях.

Кодон может начать кодировать другую аминокислоту, что не всегда страшно. Такие мутации называются миссенс-мутацими (то есть со сменой смысла). Это может повлиять на структуру белка. Например если положительно заряженная аминокислота заменится на отрицательно заряженную — это может сделать белок нестабильным, или приведет к тому, что он свернется в другую конформацию (да, линейная последовательность аминокислот обычно сворачивается в определенную форму) и не сможет выполнять свои функции (или начнет делать это лучше, это уже попахивает эволюцией).

Если конкретно, то гемоглобин S имеет единичную замену нуклеотида (А на Т) в кодирующем гене. В результате триплет ГАГ, кодирующий глутамат, заменяется на ГТГ, кодирующий валин. Гемоглобин S тоже может транспортировать кислород, но делает это хуже чем обычный гемоглобин.

В молекуле гемоглобина Хикари аспарагин замещен на лизин, однако он все также хорошо перенести кислород.

Как пример с потерей функции рассмотрим гемоглобин M. Другая точечная мутация в гене гемоглобина приводит к полной утрате функции (гистидин меняется на тирозин в активном центре).

Кстати, сворачивание белка выглядит примерно так, если опустить все нюансы.

Что еще может произойти?

Замена одного азотистого основания может так же привести к появлению стоп кодона в центре последовательности, или наоборот стоп кодон в конце исчезнет. На выходе получится либо неполная цепь, либо экстремально длинная цепь, которые в любом случае не смогут нормально функционировать. Такие мутации называются нонсенс.

Есть еще третий тип мутации — сайленс-мутация. По сути происходит смена кодона на другой, кодирующий ту же аминокислоту. Свойства белка не меняются.

Подитожим общей схемой.

В завершение хотел бы еще рассказать об одной интересной особенности. Одну аминокислоту может кодировать несколько кодонов. Это мы знаем. Но что это значит? Организм использует сразу все кодоны для кодирования. Но какие-то чаще, какие-то реже.

Сравним человека и… кишечную палочку (Escherichia coli) по частоте использования кодонов кодирующих цистеин.

Он кодируется двумя кодонами UGU и UGC.

Человек
UGU 10.6
UGC 12.6

Кишечная палочка (штамм O127:H6)
UGU 19.1
UGC 0.0

Цифры это встречаемость триплета на тысячу. Видно, что мы используем оба кодона примерно с одинаковой частотой, в то время как E. coli почти не использует UGC кодон.

Об этой особенности нужно помнить, особенно когда ты занимаешься геноинженерией и хочешь нарабатывать продукт гена одного организма в другом. Если ген человека, с частой встречаемость UGC кодона попытаться вставить в кишечную палочку данного штамма — вас ждет разочарование. В клетке аминокислоты связаны с транспортными РНК, каждая из которых соответствует своему кодону. Так вот тРНК соответствующих UGC кодону будет крайне мало, что сильно замедлит синтез.

Если интересно, тут можно посмотреть отличия в кодонном составе у разных организмов.

Кодонный состав может сильно отличаться как у организмов разных видов, так и разных штаммов. Так у Escherichia coli O157:H7 EDL933 все более менее поровну в плане UGC и UGU. Или вот еще пример. У штаммов туберкулезной палочки выделенных в разных странах также отличается кодовый состав.

В этот раз было очень много истории и относительно мало биологии. Больше такого не будет. Мы поговорили о том, как стало понятно, что ДНК — носитель информации, как она хранится в самой ДНК. Поговорили об избыточности ген кода и о том, к чему это приводит. Немного затронули мутации и разницу в частоте использования определенных кодонов.

В следующий раз поговорим о репликации ДНК.