Путь информации от генотипа к фенотипу

Еще на рубеже 19-го и 20-го веков было выяснено, что ответст­венными за передачу признаков по наследству являются хромосомы, а именно определенный участок их, называемый геном и определяющий некоторый наследственный признак. Всему набору признаков организма соответствует набор генов всех хромосом - генотип.

Гены наряду с белками содержат ДНК, которые и осуществляют передачу наследственной информации от поколения к поколению в про­цессе репликации.

Существует механизм, который регулирует периодичность реп­ликации ДНК и фазы клеточного цикла. До конца этот механизм еще не выяснен. Синтез ДНК происходит во время фазы, предшествующей деле­нию клетки, после того как синтезируются все необходимые нуклеозидтрифосфаты. До этого клетки диплоидны, т.е. содержат две копии гено­типа. В результате репликации каждая из копий удваивается, и клетка становится тетраплоидной. Во время деления происходит конденсация хроматина и образование хромосом (тетраплоидный набор) с последую­щим делением родительской клетки на две дочерние диплоидные клетки.

Каждому генотипу соответствует определенный фенотип - набор фенотипических признаков организма (проявляющихся как внешне, так и внутренне).

Путь информации от генотипа к фенотипу можно выразить про­стой схемой: ДНК→РНК→белок.

1-я и 2-я стадии этой схемы уже рассмотрены. Таким образом, ген определяет первичную структуру белков: информация, записанная с помощью определенного чередования нуклеотидных остатков, перево­дится в информацию, записанную чередованием аминокислотных остатков. Иначе говоря, ДНК служит матрицей для синтеза РНК, а РНК - мат­рицей для синтеза белков. Это положение - основной постулат молеку­лярной биологии.

Основы генетической инженерии. Целью генетической ин­женерии является получение организмов (животных и растений) с новы­ми наследственными свойствами с помощью чисто лабораторных прие­мов. Осуществить эту цель чрезвычайно сложно, что обусловлено недос­таточностью знаний о структуре и функционировании генов.

Для достижения поставленной цели в организм необходимо вве­сти соответствующий ген или гены. Поэтому первым этапом является синтез гена химическим или биологическим путем либо выделение его из другого организма.

Следующий этап генетической инженерии - перенос генов в клетку - осуществляется тремя способами: трансформацией (перенос генов посредством выделенной и очищенной от примесей ДНК), трансдукцией (перенос генов посредством вирусов) или гибридизацией клеток, полученных из разных организмов.

Заключительный этап сводится к адаптации введенного гена в организме хозяина и уже не зависит от искусства экспериментатора.

Казалось бы, довольно простая схема, но тем не менее в на­стоящее время в генетической инженерии наблюдается некоторый спад. Переход от исследования на клетках прокариот (организмы, клетки кото­рых не имеют ядра как такового) к исследованиям на клетках эукариот встретил ряд технических трудностей из-за мозаичной структуры генов последних. В частности, открытие экзонов и интронов в генотипе ДНК, открытие явления сплайсинга во время формирования матричной РНК указывают на необходимость соблюдения высочайшей точности процеду­ры вырезания необходимого гена из ДНК генотипа соответствующими ферментами (рестриктазами). Иначе могут быть получены не гены, несу­щие информацию, а участки интронов, не кодирующие белок.

После открытия методов искусственного синтеза и сшивки от­дельных участков молекулы ДНК, появилась возможность создания но­вых, неизвестных ранее организмов с заранее заданными свойствами. Сложилось новое направление - биотехнология, занимающаяся решением практических задач здравоохранения и сельского хозяйства. Полученные в лаборатории гены широко используются в микробиологической про­мышленности для приготовления лекарственных препаратов белковой природы (гормонов, ферментов и др.), а также все больше попыток при­менить их при лечении многих наследственных заболеваний (всего их более 2000), генетический дефект которых точно известен пока только для 50 болезней.

Глава 13. ОБМЕН БЕЛКОВ

Понятие об обмене белков

Обмен белков занимает самое важное место в метаболизме жи­вых организмов, так как благодаря уникальным функциям и многообра­зию превращений белков любой живой организм существует, развивает­ся и воспроизводит сам себя. Все другие виды обмена подчинены и об­служивают обмен белков как источник самой жизни.

Обмен углеводов и липидов является основным источником энергии в форме АТФ, необходимой для синтеза липидов. Углеводный обмен, кроме того, является основным источником углеродных цепей в биосинтезе аминокислот.

Обмен нуклеиновых кислот обеспечивает хранение и передачу информации о первичной структуре белков, обслуживая специфическое воспроизведение белковых молекул.

Минеральный обмен способствует созданию или распаду фер­ментов, катализирующих синтез белков, а также структур, при помощи которых этот синтез осуществляется.

С другой стороны, белковый обмен координирует и регулирует все виды обмена в организме, так как помимо основной пластической функции (главный строительный материал всех органов и тканей) белки могут служить источником энергии, белки выполняют уникальную ката­литическую функцию (ферменты), белки принимают участие в биосинте­зе гормонов, регулирующих процессы обмена веществ в организме.

Таким образом, белки являются незаменимыми веществами для организма, и основной их источник - это продукты питания. При незна­чительном содержании белков в пище возникает серьезное заболевание - белковая недостаточность, следствием которой является нарушение ряда важных физиологических функций организма (исключение белков из пищи на длительный срок приводит к серьезным нарушениям, а ино­гда и к необратимым патологическим явлениям).

В теле взрослого человека массой 70 килограммов содержится примерно 15-17 килограммов белков. Ежесуточно распадается на амино­кислоты 400 граммов белков и столько же синтезируется из свободных аминокислот, источниками которых служат белки пищи, белки собствен­ных тканей, а также синтез аминокислот из углеводов. Доказано, что белки нужны не только растущему организму, но и уже сформировавше­муся, так как в организме происходит постоянное обновление химическо­го состава всех органов и тканей, но с различной скоростью.

Время, в течение которого белки всего организма обновляются наполовину, называют средним временем полужизни или полупериодом распада белков. У человека он равен примерно 12 неделям. Измеряют время полужизни и отдельных белков. У человека белки печени в сред­нем обновляются наполовину за 2 недели, хотя некоторые из них - за 15-20 минут, белки мышц - за 27 недель. Самый интенсивный обмен веществ происходит в печени. Для белков кишечника полупериод распада равен нескольким дням, а для ряда, гормонов - нескольким часам или даже минутам (инсулин).

В растущем организме, а также при выздоровлении или бере­менности скорость синтеза белков превышает скорость их распада, тогда как для сформировавшегося и нормально функционирующего организма эти скорости равны. Состояние белкового обмена регулируется деятель­ностью центральной нервной системы (ЦНС) и зависит как от экзогенных факторов (характер питания, экология), так и от эндогенных (обеспечен­ность витаминами В₁, В₂,В₆,РР и др., деятельность желез внутренней сек­реции, вырабатывающих гормоны; оснащенность организма ферментами; степень усвоения белков и аминокислот пищи и др.)

Так как основная масса азота пищи (более 95 %) находится в соста­ве белков, а большинство выделяемых организмом азотистых соединений являются продуктами распада белка, то о состоянии белкового обмена можно судить по азотистому балансу. Под последним понимают разницу между количеством азота, поступающего с пищей, и количеством выде­ляемого азота. Для здорового взрослого человека характерно состояние азотистого равновесия. Для растущего и выздоравливающего организма наблюдается положительный азотистый баланс - выводится азота мень­ше, чем поступает, общая масса белков организма увеличивается. При старении, голодании, тяжелых болезнях - азота выводится больше, чем поступает - отрицательный азотистый баланс, общая масса белков уменьшается. Для поддержания азотистого равновесия, для нормального здоровья и работоспособности взрослому человеку умственного труда с умеренной физической нагрузкой требуется 100-120 граммов белка в сутки, при тяжелой физической нагрузке - 130-160 граммов. Детям до 10-12 лет - от 55 до 80 граммов белка в сутки, после 12-13 лет - не менее 90-100 граммов в сутки.

Наибольшее содержание белков в следующих продуктах: мясо (18-22 %), рыба (17-22 %), сыр (20-36 %), горох и фасоль (24-26 %), соя (35 %), яйца (13 %), крупы (8-12 %), орехи (8-13 %), макароны (9-13 %) и в некоторых других.

Состояние белкового обмена человека зависит не только от ко­личества поступающего с пищей белка, но и от его качества. Установлено, что в организме человека и большинства животных, в отличие от растительных организмов, из 20 необходимых аминокислот синтезирует­ся только 10 и эти аминокислоты называются заменимыми. Другие 10 аминокислот, названные незаменимыми, обязательно должны поступать в организм с пищей. К ним относят триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, аргинин (частично неза­меним) и гистидин (незаменим для детей и частично незаменим для взрослых). Следует особо подчеркнуть, что недостаток какой-либо одной незаменимой аминокислоты ведет к неполному усвоению и других ами­нокислот.

Биологическая ценность пищевого белка зависит прежде всего от степени его усвоения организмом, что определяется соответствием между аминокислотным составом белков пищи и белков тела. Кроме то­го, пищевая ценность белка высока, если он содержит все незаменимые аминокислоты или большинство из них в необходимых для человека со­отношениях. Таким требованиям отвечают многие белки животных. По­этому для человека биологически более ценны белки животного проис­хождения, которые усваиваются организмом более чем на 90%. Белки растительного происхождения перевариваются труднее и усваиваются на 60-80 %. Поэтому для оптимального удовлетворения всех потребностей организма в белках человеку нужно значительно больше растительных белков, чем животных.

Таким образом, для нормальной жизнедеятельности организма очень большое значение имеет полноценное питание, имеющее различия для разных возрастов, разных климатических условий и различных усло­вий труда.