Ген — это выраженный сегмент ДНК

Понятие генов как основных единиц наследственности было известно задолго до того, как молекулярная генетика смогла подтвердить их наличие и значение, определить биохимическую природу. Ген — это выраженный сегмент ДНК, который может иметь длину от нескольких сотен до нескольких миллионов базовых пар. До сих пор истинное количество генов в геноме человека неизвестно. Оценки колеблются от 30 до 120 тысяч; обобщая оценки, полученные различными путями, этот диапазон можно сузить до 65-80 тысяч. На момент написания этих строк были отмечены места расположения в специфических участках ДНК менее 10 тысяч генов, и для гораздо меньшего их количества были идентифицированы специфические функции (или дисфункции).

Каждую минуту изо дня в день гены осуществляют один важный процесс — синтез протеинов (белков). Протеины — это молекулы, выполняющие разнообразные функции, имеющие решающее значение и касающиеся различных частей организма. В базе данных Национального центра биотехнологий (США) представлены описания более 200 тысяч различных протеинов (белков — webpolyglot.ru), имеющихся в организме человека. Наиболее общий вид протеинов — энзимы: они служат катализатором многих текущих биологических реакций в клетках организма, т.е. они разбивают либо изменяют биохимические вещества. Кроме того, они выполняют эту функцию в процессе производства других протеинов, при копировании либо «починке» ДНК. Другие протеины в клеточной мембране выполняют такие функции, как регулирование входящего и исходящего потоков биохимических соединений, «информирование» клетки о состоянии внешней среды, а также распознавание и, при возможности, уничтожение непрошеных гостей, пытающихся проникнуть в клетку.

Гемоглобин в красных кровяных тельцах — это протеин, соединяющийся с кислородом для обеспечения его транспортировки к клеткам всего организма, и особенно мозга. Мышцы состоят из особого «сокращающегося» протеина, позволяющего им двигаться и осуществлять усилия. Кости и соединительные ткани включают в свой состав коллаген, еще один специализированный структурный протеин. Волосы и ногти тоже состоят из протеинов. Важный класс протеинов — это гормоны, регулирующие физический рост и развитие начиная с пренатального периода. Они запускают процесс интенсивного роста подростков и переход в пубертатный период, помогают подготовить тело к стрессу и опасности. В свою очередь, искажения в структуре протеинов или в степени их производства являются первичной причиной генетических нарушений, обсуждающихся далее.

Обзор протеинового синтеза в общих чертах

Из многих тысяч генов лишь некоторые являются «активными» и участвуют в синтезе необходимых для жизни протеинов. Этот процесс начинается с присоединения ядра энзима к соответствующему сегменту ДНК, вызывая разъединение нуклеотидных связей. После этого одна его сторона становится трафаретом и начинает притягивать свободные нуклеотиды в ходе процесса, называемого считыванием генетической информации. Его результатом является информационная (матричная) РНК, молекула, несущая генетическую информацию. На рисунке проиллюстрирована получившаяся молекулярная цепочка «доинформационной РНК», являющаяся зеркальным отражением молекулярной цепочки ДНК, за исключением того, что основной урацил связывается с аденином; информационная РНК не содержит тимина. На следующих стадиях молекулярная цепочка «доинформационной РНК» отделяется, и цепочка ДНК воссоединяется. После этого «доинформационная РНК» подвергается дальнейшей обработке в ядрах клетки, из которой удаляются ненужные нуклеотиды, а концы молекулярной цепочки «заделываются», превращая ее в зрелую информационную РНК, готовую выйти в цитоплазму клетки. Заметьте, что любая тройственная комбинация нуклеотидов имеет название «кодон»; каждая из них будет переводиться в специфические аминокислоты, молекулы, являющиеся компонентами протеинов.
Этапы синтеза протеинов
Молекулы транспортной РНК (transfer RNA, tRNA) инициируют этот перевод, прикрепляясь с одной стороны к кодонам информационной (матричной) РНК и выстраивая соответствующие им свободные аминокислоты при помощи энзимов цитоплазмы, выполняющих функцию актуального распознавания.

На следующей стадии рибосома — опять же с помощью энзимов — стартует с одного конца молекулярной цепочки информационной (матричной) РНК-транспортной РНК, продвигаясь вдоль нее на несколько шагов. С каждым шагом смежные аминокислоты связываются в последовательность, называемую полипептидной цепью; когда рибосома достигает конца, полипептидная цепь является законченной и освобождается. Некоторые протеины состоят из одной полипептидной цепи; сложные протеины состоят из нескольких таких цепей.

Некоторые рибосомы прикрепляются к стенкам эндоплазматического ретикулума. Если одна из них выполняет перевод, полипептидная цепь входит в эндоплазматический ретикулум для дальнейшей обработки, например, чтобы соединиться с другими полипептидными цепями для производства некоего сложного протеина. Химическая структура также может изменяться; все зависит от того, какой протеин синтезируется. Отсюда протеины «упаковываются» и посылаются в аппарат Гольджи для дальнейшей обработки и постепенной секреции через клеточную мембрану. Другие рибосомы в свободном состоянии находятся в цитоплазме; если одна из них совершает перевод, полипептидная цепь обычно немедленно активируется в виде протеина и остается внутри клетки.

Таким образом, используются всего лишь четыре нуклеотида, составляющих ДНК всех живых существ, чтобы произвести миллиарды потенциально возможных комбинаций 20 главных аминокислот, т.е. миллиарды различных протеинов. У человека были идентифицированы более 200 тысяч протеинов.