Нуклеиновые кислоты и матричные биосинтезы. Живые объекты обладают удивительной способностью поерживать свою структурную и динамическую организацию в условиях постоянно изменяющейся окружающей их среды

Живые объекты обладают удивительной способностью поерживать свою структурную и динамическую организацию в условиях постоянно изменяющейся окружающей их среды. Эта стабильность во многом зависит от генетической информации, имеющейся в живых системах, которая воспроизводится и реализуется в трех генетических процессах процессе репликации ДНК, процессе транскрипции или синтезе РНК и процессе трансляции или процессе биосинтеза белков. Все три названных процесса имеют принципиально общий механизм, поскольку и синтез ДНК, и синтез РНК и синтез полипептидных цепей белка носят матричный характер, т.е. структура синтезируемых полимерных молекул целиком определяется информацией, имеющейся в предсуществующем полимере, на котором и идет синтез.

2.1.Репликация или биосинтез ДНК В ходе процесса репликации происходит удвоение молекулы ДНК, причем структура образующихся в ходе синтеза двух дочерних молекул ДНК представляют собой точную копию структуру исходной или материнской молекулы ДНК. В каждой из идентичных дочерних молекул ДНК содержится тот же самый объем генетической информации, что и в материнской молекуле, поэтому при последующем делении клеток каждая из двух новых клеток получает эквивалентный объем генетической информации, что в конечном итоге и обеспечивает стабильность клеток и вида в целом в ряду поколений.

Принципиальная схема механизма репликации ДНК предельно проста. Молекула ДНК состоит из двух комплементарных дезоксирибополинуклеотидных цепей, каждая из которых в своей последовательности нуклеотидов содержит весь набор генетической информации. На первом этапе репликации происходит раскручивание двойной спирали ДНК и расхождение ее цепей. На следующем этапе на каждой из материнских цепей ДНК синтезируется новая вторая дезоксирибополинуклеотидная цепь, причем порядок соединения мономерных единиц во вновь синтезируемой цепи определяется последовательностью мононуклеотидных остатков материнской цепи. Каждый следующий дезоксирибонуклеотид будет присоединяться к синтезируемой цепи лишь в том случае, если его азотистое основание будет комплементарно азотистому основанию очередного дезоксирибонуклеотидного остатка материнской цепи. По завершению процесса синтеза мы будем иметь две молекулы ДНК, в каждой из которых одна из дезоксирибонуклеотидных цепей происходит из материнской ДНК, а вторая вновь синтезированная:

Такой механизм получил название полуконсервативного механизма репликации ДНК, поскольку в состав каждой из двух дочерних молекул ДНК входит неизмененная дезоксирибополинуклеотидная цепь материнской молекулы ДНК.

Пластическим материалом для синтеза служат молекулы дезоксирибонуклеозидтрифосфатов четырех главных нуклеотидов ДНК: дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ (ТТФ). Суммарное уравнение синтеза ДНК может быть представлено в виде нескольких вариантов.

Репликазный комплекс, обеспечивающий синтез дочерних молекул ДНК, представляет собой сложнейшую надмолекулярную структуру, в состав которой входит несколько десятков различных белков, в том числе как белковферментов, так и белков, не обладающих каталитической активностью. С его составными компонентами мы познакомимся при последующем более подробном рассмотрении механизма репликации.

Перед каждым делением в ядре клетки должно произойти удвоение ее хромосом, что и происходит в Sфазу клеточного цикла. Для удвоения хромосом необходимы, вопервых, репликация всех имеющихся в ядре молекул ДНК, вовторых, синтез полного комплекта гистонов, а возможно и других ядерных белков, участвующих в структурной организации второго хромосомного набора.

Продолжительность Sфазы клеточного цикла равняется 8 часам. Скорость роста цепи ДНК в ходе репликации в клетках эукариот составляет около 50 нуклеотидных остатков в секунду. При средней величине ДНК хромосомы человека, составляющей около 150 млн пар нуклеотидов, удвоение такой молекулы за счет работы одного репликазного комплекса занимало бы время порядка 800 часов. Детальное изучение процесса репликации показало, что в Sфазе клеточного цикла на каждой хромосоме работает одновременно от 20 до 80 репликазных комплексов, обеспечивающих удвоение отдельных участков хромосомы. Размер этих участков автономной репликации, так называемых репликационных единиц или репликонов, составляют от 30 000 до 300 000 тысяч пар нуклеотидов, что в среднем равняется величине одной петле хроматина. Отдельные репликационные единицы удваиваются в разные промежутки времени в течение Sфазы. В определенном участке хромосомы, который получил название сайта инициации репликации, одновременно формируется два репликационных комплекса, которые движутся по молекуле ДНК в противоположных направлениях, образуя две репликационных вилки, а на хромосоме формируется репликационный глазок:

Репликационные вилки соседних репликационных глазков сталкиваются и при их слиянии высвобождаются удвоенные участки хромосомной ДНК.

Структура сайтов инициации репликации в хромосомах эукариот мало изучена. Возможно, ими служат участки петель хроматина, с помощью которых эти петли прикрепляются к осевой нити хромосомы. Существует предположение, что эти участки обогащены остатки тимидиловой и дезоксиадениловой кислот, подобно тому, как это имеет место в сайтах инициации репликации у бактерий. К сайтам инициации репликации присоединяются специальные инициаторные белки, с помощью которых в соответствующих участках ДНК и формируются два репликазных комплекса, движущиеся по ДНК в противоположных направлениях от сайта инициации репликации.

Поскольку отдельные репликоны реплицируются в разное время, возникает еще одна проблема проблема предотвращения повторной репликации уже удвоенного участка хромосомной ДНК. То, что такой повторной репликации не происходит твердо установленный факт. Однако механизм предотвращения повторной репликации пока остается неясным. Существует несколько версий относительно возможных механизмов такого контроля. Согласно одной из них к реплицированным участкам ДНК присоединяются белки, ингибирующие повторную репликацию. Эти белки в ходе митоза инактивируются или удаляются, поэтому в дочерних клетках вновь становится возможной репликация ДНК.

Ферментом, непосредственно катализирующим синтез дочерних цепей ДНК является ДНКполимераза. В клетке имеется три ДНКполимеразы: это aДНКполимераза, принимающая непосредственное участие в репликации хромосомной ДНК; bДНКполимераза, участвующая в процессах репарации поврежденной хромосомной ДНК и gДНКполимераза, обеспечивающая репликацию митохондриальной ДНК.

aДНКполимераза способна, вопервых, отбирать из окружающей среды дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, азотистое основание которых комплементарны азотистым основаниям очередных дезоксирибонуклеотидных остатков материнской цепи ДНК; вовторых, катализировать образование фосфодиэфирной связи между между 3'концом синтезируемой дочерней цепи ДНК и фосфатной группировкой очередного дезоксирибонуклеотида; в третьих, фермент способен контролировать правильность сборки дезоксирибополинуклеотидной цепи дочерней молекулы ДНК, проверяя точность комплементарного спаривания азотистого основания 3'концевого дезоксирибонуклеотида растущей цепи ДНК с азотистым основанием соответствующего дезоксирибонуклеотида материнской цепи.

В то же время для работы aДНКполимеразы необходимы три непременных условия: во первых, фермент может работать только на одноцепочечной матрице; вовторых, ДНКполимераза способна лишь присоединять новые нуклеотидные остатки к уже имеющемуся фрагменту дочерней цепи ДНК, но не может начать синтез дочерний цепи с нуля; в третьих, фермент способен синтезировать дочернюю цепь ДНК только в направлении 5'> 3', причем работая при этом на антипараллельной матричной цепи. Реплицируемая молекула ДНК не удовлетворяет ни одному из этих требований, поскольку представляет собой двойную плотно скрученную структуру из антипараллельных цепей без какихлибо разрывов, в районе которого мог бы присоединиться и начать работу фермент. Все перечисленные сложности разрешаются в ходе работы репликазного комплекса.

Репликазный комплекс, как уже упоминалось ранее, формируется с помощью инициаторных белков в зоне сайта инициации репликации.

В состав этого комплекса прежде всего входят ферменты и неферментные белки, формирующие одноцепочечные матрицы, на которых может работать ДНКполимераза. Расплетение двойной спирали ДНК осуществляется с помощью ферментов ДНКхеликаз и топоизомеразы типа 1, а также белков, связывающих одноцепочечную ДНК (SSBбелки).

ДНКхеликаза способна связываться с одной из цепей ДНК и двигаться по этой цепи, расплетая по ходу своего движения двойную спираль ДНК. Энергия, необходимая для такого перемещения фермента, обеспечивается гидролизом АТФ. Расплетение спирали ДНК в районе репликационной вилки, вероятно, осуществляется за счет действия двух разных ДНКхеликаз, поскольку ферменты должны передвигаться в одном направлении по двум антипараллельным цепям ДНК. Обе ДНКхеликазы обнаружены в клетках.

К образовавшимся одноцепочечным участкам молекулы ДНК присоединяются SSBбелки, препятствуя обратному скручиванию расплетенного участка. Таким образом, за счет совместного действия ДНКхеликаз и SSBбелков решается проблема формирования одноцепочечной матрицы для работы ДНКполимеразы.

При расплетении молекулы ДНК на каждые 10 пар оснований эта молекула должна совершать один оборот вокруг своей оси. Следовательно, чтобы репликационная вилка могла двигаться вдоль молекулы ДНК, эта молекула должна быстро вращаться вокруг свой оси, в противном случае на нераскрученной части молекулы будет возникать множество супервитков. Эта проблема решается с помощью фермента топоизомеразы типа I. Фермент присоединяется к участку ДНК, имеющему супервиток, разрезает одну из цепей ДНК, что сопровождается ликвидацией супервитка, а затем вновь восстанавливает целостность разрезанной цепи. Таким образом, фермент выполняет функцию «шарнира» ликвидирующего супервиткм, возникающие в ходе расплетения двойной спирали ДНК.

Поскольку ДНКполимераза неспособна начать синтез дочерней цепи ДНК с нуля, на одной из цепей материнской ДНК, идущей в направлении 3'>5', синтезируется небольшой (порядка десятка нуклеотидных остатков) олигонуклеотид, который и служит затравкой или праймером для ДНКполимеразы. ДНКполимераза присоединяется к праймеру и начинает последовательно присоединять к его 3' концу новые дезоксирибонуклеотидные остатки, обеспечивая рост дочерней цепи ДНК в направлении 5'>3'. Интересно, что праймер представляет собой олигорибонуклеотид, он синтезируется на материнской цепи ДНК с помощью специального фермента праймазы, являющейся по сути дела РНКполимеразой с специализированной функцией. Разумеется, в дальнейшем этот олигорибонуклеотид будет удален из дочерней цепи ДНК.

Для работы ДНКполимеразы на цепи ДНК, идущей в направлении 3'>5', достаточно синтеза всего лишь одного праймера, поскольку в дальнейшем фермент будет постепенно наращивать дочернюю цепь ДНК, не встречая на своем пути каких либо сложностей.

Вторая цепь материнской ДНК антипараллельна первой и, если смотреть по ходу движения репликационной вилки, имеет обратную ориентацию, т.е. расположена в направлении 5'>3'. ДНКполимераза не может синтезировать дочернюю цепь ДНК просто двигаясь по ней вслед за зоной расплетения. По современным представлениям репликация второй цепи материнской ДНК идет небольшими участками, получившими название «фрагменты Оказаки» по фамилии ученого, обнаружившего данный феномен.

Дата добавления: 2015-01-03