ГЛАВА 2. глюкозу и факторы роста. В этих условиях клетки делятся до тех пор, пока на стенках емкости с культурой не образуется клеточный монослой

глюкозу и факторы роста. В этих условиях клетки делятся до тех пор, пока на стенках емкости с культурой не образуется клеточный монослой. Если после этого не перенести клетки в емкости со свежей питательной средой, то рост прекратится. Обычно удается переносить (перевивать, субкультивировать) и поддерживать до 50-100 клеточных генераций исходной (первичной) клеточной культуры, затем клетки начинают терять способность к делению и гибнут. Культивируемые клетки сохраняют некоторые свойства исходного клеточного материала, поэтому их можно использовать для изучения биохимических свойств различных тканей.

Часто некоторые клетки перевиваемых первичных клеточных культур претерпевают генетические изменения, в результате которых ускоряется их рост. Культуры клеток, которые при этом приобретают селективные преимущества, оказываются способными к неограниченному росту in vitro и называются устойчивыми клеточными линиями. Одни клеточные линии сохраняют основные биохимические свойства исходных клеток, другие нет. У большинства клеток, способных к неограниченному росту, имеются значительные хромосомные изменения, в частности отмечается увеличение числа одних хромосом и потеря других. В молекулярной биотехнологии устойчивые клеточные линии иногда используют для размножения вирусов и для выявления белков, которые кодируются клонированными последовательностями ДНК. Кроме того, они применяются для крупномасштабного производства вакцин и рекомбинантных белков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В молекулярной биотехнологии используется множество различных биологических систем -как для осуществления генетических манипу-

ляций, так и для производства важных в коммерческом отношении продуктов. Наиболее значимыми из них являются бактерия Escherichia coli, дрожжи Saccharomyces cerevisiae и клеточные культуры насекомых, растений и млекопитающих.

ЛИТЕРАТУРА

Demain A.L., N.A. Solomon (ed.).1985. Biology of Industrial Organisms. Benjamin/Cummings Publishing Co., Inc., Menlo Park, Calif.

Dujon B.1996. The yeast genome project: what did we learn? Trends Genet. 12:263-270.

Lodish H., D. Baltimore, A. Berk, S.L. Zipursky, P. Matsudaira, J. Darnell1995. Molecular Cell Biology, 3rd ed. Scientific American Books, New York, N.Y.

O'Leary W. M. (ed.).1989. Practical Handbook of Microbiology. CRC Press, Inc., Boca Raton, Fla.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Почему в молекулярной биотехнологии применяется так много разных биологических систем?

2. Кто такие прокариоты?

3. Кто такие эукариоты?

4. Перечислите основные свойства Escherichia coli.

5. Что означает термин «грамотрицательный»?

6. Перечислите основные свойства S. cerevisiae.

7. Каковы основные компоненты простой жидкой питательной среды?

8. Каковы основные компоненты сложной жидкой питательной среды?

9. Что такое первичная клеточная культура? 10. Что такое устойчивая клеточная линия?

ГЛАВА 3.
ДНК, РНК и синтез белка

Вся информация о строении и функционировании любого живого организма содержится взакодированном виде в его генетическом материале, основу которого составляет дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК большинства организмов — это длинная двухцепочечная полимерная молекула. Последовательность мономерных единиц (дезоксирибонуклеотидов) в одной ее цепи соответствует (комплементарна) последовательности дезоксирибонуклеотидов в другой. Принцип комплементарности обеспечивает идентичность новосинтезированных молекул ДНК, образующихся при их удвоении (репликации), исходным молекулам. Индивидуальными генетическими элементами со строго специфичной нуклеотидной последовательностью, кодирующими определенные продукты, являются гены. Одни из них кодируют белки, другие -только молекулы РНК. Информация, содержащаяся в генах, которые кодируют белки (структурных генах), расшифровывается в ходе двух последовательных процессов: синтеза РНК (транскрипции) и синтеза белка (трансляции). Сначала на определенном участке ДНК как на матрице синтезируется матричная РНК (мРНК). Затем в ходе согласованной работы многокомпонентной системы при участии транспортных РНК (тРНК), мРНК, ферментов и различных белковых факторов осуществляется синтез белковой молекулы. Все эти процессы обеспечивают правильный перевод зашифрованной в ДНК генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот. Аминокислотная последовательность белковой молекулы однозначно задает ее структуру и функции.

Для получения ценных биотехнологических продуктов используют гены самых разнообразных организмов. Чтобы лучше понять, как работают биотехнологические системы, рассмотрим строение молекулы ДНК и процессы репликации, транскрипции и трансляции.

Структура ДНК

Первые данные о химических свойствах ДНК появились в 1868 г. К началу 40-х годов XX в.

Рис. 3.1. Структурные формулы компонентов ДНК. А. Нуклеотид. Основанием может быть аденин, гуанин, цитозин или тимин. Цветной штриховой линией обведен сахарный остаток (дезоксирибоза): цифрами указаны его углеродные атомы. Б. Основания. Цветной штриховой линией обведен атом азота, по которому к основанию присоединяется дезоксирибоза.

30 ГЛАВА 3

Рис. 3.2. Одна из цепей молекулы ДНК.

Рис. 3.3. Модель двойной спирали ДНК, Поперечные перекладины — комплементарные пары оснований, «боковины» - сахарофосфатный остов.

было установлено, что молекула ДНК — это линейный полимер. Его мономерными единицами являются нуклеотиды, состоящие из азотистого основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и фосфатной группы (рис. 3.1, А). Фосфатная группа присоединена к 5'-атому углерода моносахаридного остатка, а органическое основание — к 1'-атому. Основания в ДНК бывают двух типов: пуриновые [аденин (А) и гуанин (G)] и пиримидиновые [цитозин (С) и тимин (Т)] (рис. 3.1, Б). В ДНК моносахарид представлен 2'-дезоксирибозой, содержащей только одну гидроксильную группу (ОН), а в РНК — рибозой, имеющей две гидроксилъные группы. Нуклеотиды соединены друг с другом фосфодиэфирными связями, при этом фосфатная группа 5'-углеродного атома одного нуклеотида связана с 3'-ОН-группой дезоксирибозы соседнего нуклеотида (рис. 3.2). На одном конце полинуклеотидной цепи находится 3'-ОН-группа (3'-конец), а на другом — 5'-фосфатная группа (5'-конец).

В 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, основываясь на данных рентгеноструктурного анализа кристаллов ДНК, пришли к выводу, что нативная ДНК состоит из двух полимерных цепей, образующих двойную спираль (рис. 3.3). Навитые одна на другую полинуклеотидные цепи удерживаются вместе водородными связями, образующимися между комплементарными основаниями противоположных цепей (рис. 3.4). При этом аденин образует пару только с тимином, а гуанин — с цитозином. Пара оснований А—Т стабилизируется двумя водородными свя-

ДНК, РНК и синтез белка 31

Рис. 3.4. Фрагмент двухцепочечной ДНК.

зями, а пара G—С — тремя. Длина двухцепочечной ДНК обычно измеряется числом пар комплементарных нуклеотидов (п.н.). Для молекул ДНК, состоящих из тысяч или миллионов пар нуклеотидов, приняты единицы т.п.н. и м.п.н. соответственно. Например, ДНК хромосомы 1 человека представляет собой одну двойную спираль длиной 263 м.п.н.

Сахарофосфатный остов молекулы, который состоит из фосфатных групп и дезоксирибозных остатков, соединенных 5'—3'-фосфодиэфирными связями, образует как бы боковины винтовой лестницы, а пары оснований А—Т и G—С — ее ступеньки (рис. 3.4). Цепи молекулы ДНК антипараллельны: одна из них имеет направление 3'à-5', другая 5' --> 3'. В соответствии с принципом комплементарности, если в одной из цепей имеется нуклеотидная последовательность 5'-TAGGCAT-3', то в комплементарной цепи в этом месте должна находиться последовательность 3'-ATCCGTA-5'. В этом случае двухцепочечная форма будет выглядеть следующим образом:

5--TAGGCAT-3'