В какой структуре клетки содержится наследственная информация
В обмене веществ организма ведущая роль принадлежит белкам и нуклеиновым кислотам.
Белковые вещества составляют основу всех жизненно важных структур клетки, обладают необычайно высокой реакционной способностью, наделены каталитическими функциями.
Нуклеиновые кислоты входят в состав важнейшего органа клетки — ядра, а также цитоплазмы, рибосом, митохондрий и т. д. Нуклеиновые кислоты играют важную, первостепенную роль в наследственности, изменчивости организма, в синтезе белка.
План синтеза белка хранится в ядре клетки, а непосредственно синтез происходит вне ядра, поэтому необходима помощь для доставки закодированного плана из ядра к месту синтеза. Такую помощь оказывают молекулы РНК.
Процесс начинается в ядре клетки: раскручивается и открывается часть «лестницы» ДНК. Благодаря этому буквы РНК образуют связи с открытыми буквами ДНК одной из нитей ДНК. Фермент переносит буквы РНК, чтобы соединить их в нить. Так буквы ДНК «переписываются» в буквы РНК. Новообразованная цепочка РНК отделяется, и «лестница» ДНК снова закручивается.
После дальнейших изменений этот вид закодированной РНК готов.
РНК выходит из ядра и направляется к месту синтеза белка, где буквы РНК расшифровываются. Каждый набор из трех букв РНК образует «слово», обозначающее одну конкретную аминокислоту.
Другой вид РНК отыскивает эту аминокислоту, захватывает ее с помощью фермента и доставляет к месту синтеза белка. По мере прочтения и перевода сообщения РНК цепочка аминокислот растет. Эта цепочка закручивается и укладывается в уникальную форму, создавая один вид белка.
Примечателен даже процесс укладки белка: на то, чтобы с помощью компьютера просчитать все возможности укладки белка среднего размера, состоящего из 100 аминокислот, потребовалось бы 1027 лет. А для образования в организме цепочки из 20 аминокислот требуется не более одной секунды — и этот процесс происходит непрерывно во всех клетках тела.
Гены, генетический код и его свойства.
На Земле живет около 7 млрд людей. Если не считать 25—30 млн пар однояйцовых близнецов, то генетически все люди разные: каждый уникален, обладает неповторимыми наследственными особенностями, свойствами характера, способностями, темпераментом.
Такие различия объясняются различиями в генотипах—наборах генов организма; у каждого он уникален. Генетические признаки конкретного организма воплощаются в белках — следовательно, и строение белка одного человека отличается, хотя и совсем немного, от белка другого человека.
Это не означает, что у людей не встречается совершенно одинаковых белков. Белки, выполняющие одни и те же функции, могут быть одинаковыми или совсем незначительно отличаться одной-двумя аминокислотами друг от друга. Но не существует на Земле людей (за исключением однояйцовых близнецов), у которых все белки были бы одинаковы.
Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК – гене – единице наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.
Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода, который универсален для всех организмов и отличается лишь чередованием нуклеотидов, образующих гены, и кодирующих белки конкретных организмов.
Генетический код состоит из троек (триплетов) нуклеотидов ДНК, комбинирующихся в разной последовательности (ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д.), каждый из которых кодирует определенную аминокислоту (которая будет встроена в полипептидную цепь).
Аминокислот 20, а возможностей для комбинаций четырех нуклеотидов в группы по три – 64 четырех нуклеотидов вполне достаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот
поэтому одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами.
Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка.
Собственно кодом считается последовательность нуклеотидов в молекуле и-РНК, т.к. она снимает информацию с ДНК (процесс транскрипции) и переводит ее в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемых белков (процесс трансляции).
В состав и-РНК входят нуклеотиды АЦГУ, триплеты которых называются кодонами: триплет на ДНК ЦГТ на и-РНК станет триплетом ГЦА, а триплет ДНК ААГ станет триплетом УУЦ.
Именно кодонами и-РНК отражается генетический код в записи.
Таким образом, генетический код — единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Г, Ц.
Основные свойства генетического кода:
1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) — последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. Поскольку в состав белков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом (поскольку в ДНК всего четыре типа нуклеотидов, то в этом случае 16 аминокислот остаются незакодированными). Двух нуклеотидов для кодирования аминокислот также не хватает, поскольку в этом случае могут быть закодированы только 16 аминокислот. Значит, наименьшее число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, оказывается равным трем. (В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 43 = 64).
2. Избыточность (вырожденность) кода является следствием его триплетности и означает то, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (поскольку аминокислот 20, а триплетов — 64), за исключением метионина и триптофана, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того, некоторые триплеты выполняют специфические функции: в молекуле иРНК триплеты УАА, УАГ, УГА — являются терминирующими кодонами, т. е. стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокислоту, а выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания.
3. Одновременно с избыточностью коду присуще свойство однозначности: каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота.
4. Код коллинеарен, т.е. последовательность нуклеотидов в гене точно соответствует последовательности аминокислот в белке.
5. Генетический код неперекрываем и компактен, т. е. не содержит «знаков препинания». Это значит, что процесс считывания не допускает возможности перекрывания колонов (триплетов), и, начавшись на определенном кодоне, считывание идет непрерывно триплет за триплетом вплоть до стоп-сигналов (терминирующих кодонов).
6. Генетический код универсален, т. е. ядерные гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.
Существуют таблицы генетического кода для расшифровки кодонов и-РНК и построения цепочек белковых молекул.
Реакции матричного синтеза.
В живых системах встречается реакции, неизвестные в неживой природе — реакции матричного синтеза.
Термином “матрица” в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул.
Матричный принцип лежит в основе важнейших синтетических реакций клетки, таких, как синтез нуклеиновых кислот и белков. В этих реакциях обеспечивается точная, строго специфичная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах.
Здесь происходит направленное стягивание мономеров в определенное место клетки — на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно.
Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы нуклеиновых кислот ДНК или РНК.
Мономерные молекулы, из которых синтезируется полимер, — нуклеотиды или аминокислоты — в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном, заданном порядке.
Затем происходит “сшивание” мономерных звеньев в полимерную цепь, и готовый полимер сбрасывается с матрицы.
После этого матрица готова к сборке новой полимерной молекулы. Понятно, что как на данной форме может производиться отливка только какой-то одной монеты, одной буквы, так и на данной матричной молекуле может идти “сборка” только какого-то одного полимера.
Матричный тип реакций — специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого — его способности к воспроизведению себе подобного.
К реакциям матричного синтеза относят:
1. репликацию ДНК— процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов. На каждой из цепей ДНК, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток.
Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что в норме и происходит при делении соматических клеток.
Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей. Эти цепи удерживаются слабыми водородными связями, способными разрываться под действием ферментов.
Молекула способна к самоудвоению (репликации), причем на каждой старой половине молекулы синтезируется новая ее половина.
Кроме того, на молекуле ДНК может синтезироваться молекула и-РНК, которая затем переносит полученную от ДНК информацию к месту синтеза белка.
Передача информации и синтез белка идут по матричному принципу, сравнимому с работой печатного станка в типографии. Информация от ДНК многократно копируется. Если при копировании произойдут ошибки, то они повторятся во всех последующих копиях.
Правда, некоторые ошибки при копировании информации молекулой ДНК могут исправляться — процесс устранения ошибок называется репарацией. Первой из реакций в процессе передачи информации является репликация молекулы ДНК и синтез новых цепей ДНК.
2. транскрипцию – синтез и-РНК на ДНК, процесс снятия информации с молекулы ДНК, синтезируемой на ней молекулой и-РНК.
И-РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности при участии фермента, который активирует начало и конец синтеза молекулы и-РНК.
Готовая молекула и-РНК выходит в цитоплазму на рибосомы, где происходит синтез полипептидных цепей.
3. трансляцию— синтез белка на и-РНК; процесс перевода информации, содержащейся в последовательности нуклеотидов и-РНК, в последовательность аминокислот в полипептиде.
4. синтез РНК или ДНК на РНК вирусов
Последовательность матричных реакций при биосинтезе белков можно представить в виде схемы:
нетранскрибируемая цепь ДНК А Т Г Г Г Ц ТАТ
транскрибируемая цепь ДНК Т А Ц Ц Ц Г А Т А
транскрипция ДНК ß ß ß
кодоны мРНК А У Г Г Г Ц У А У
трансляция мРНК ß ß ß
антикодоны тРНК У А Ц Ц Ц Г А У А
аминокислоты белка метионин глицин тирозин
Таким образом, биосинтез белка – это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах.
Молекулы белков по существу представляют собой полипептидные цепочки, составленные из отдельных аминокислот. Но аминокислоты недостаточно активны, чтобы соединиться между собой самостоятельно. Поэтому, прежде чем соединиться друг с другом и образовать молекулу белка, аминокислоты должны активироваться. Эта активация происходит под действием особых ферментов.
В результате активирования аминокислота становится более лабильной и под действием того же фермента связывается с т-РНК. Каждой аминокислоте соответствует строго специфическая т-РНК, которая находит «свою» аминокислоту и переносит ее в рибосому.
Следовательно, в рибосому поступают различные активированные аминокислоты, соединенные со своими т-РНК. Рибосома представляет собой как бы конвейер для сборки цепочки белка из поступающих в него различных аминокислот.
Одновременно с т-РНК, на которой «сидит» своя аминокислота, в рибосому поступает «сигнал» от ДНК, которая содержится в ядре. В соответствии с этим сигналом в рибосоме синтезируется тот или иной белок.
Направляющее влияние ДНК на синтез белка осуществляется не непосредственно, а с помощью особого посредника – матричной или информационной РНК (м-РНК или и-РНК), которая синтезируется в ядре под влиянием ДНК, поэтому ее состав отражает состав ДНК. Молекула РНК представляет собой как бы слепок с формы ДНК. Синтезированная и-РНК поступает в рибосому и как бы передает этой структуре план — в каком порядке должны соединяться друг с другом поступившие в рибосому активированные аминокислоты, чтобы синтезировался определенный белок. Иначе, генетическая информация, закодированная в ДНК, передается на и-РНК и далее на белок.
Молекула и-РНК поступает в рибосому и прошивает ее. Тот ее отрезок, который находится в данный момент в рибосоме, определенный кодоном (триплет), взаимодействует совершенно специфично с подходящим к нему по строению триплетом (антикодоном) в транспортной РНК, которая принесла в рибосому аминокислоту.
Транспортная РНК со своей аминокислотой подходит к определенному кодону и-РНК и соединяется с ним; к следующему, соседнему участку и-РНК присоединяется другая т-РНК с другой аминокислотой и так до тех пор, пока не будет считана вся цепочка и-РНК, пока не нанижутся все аминокислоты в соответствующем порядке, образуя молекулу белка.
А т-РНК, которая доставила аминокислоту к определенному участку полипептидной цепи, освобождается от своей аминокислоты и выходит из рибосомы.
Затем снова в цитоплазме к ней может присоединиться нужная аминокислота, и она снова перенесет ее в рибосому.
В процессе синтеза белка участвует одновременно не одна, а несколько рибосом — полирибосомы.
Основные этапы передачи генетической информации:
синтез на ДНК как на матрице и-РНК (транскрипция)
синтез в рибосомах полипептидной цепи по программе, содержащейся в и-РНК (трансляция).
Этапы универсальны для всех живых существ, но временные и пространственные взаимоотношения этих процессов различаются у про- и эукариотов.
У эукариот транскрипция и трансляция строго разделены в пространстве и времени: синтез различных РНК происходит в ядре, после чего молекулы РНК должны покинуть пределы ядра, пройдя через ядерную мембрану. Затем в цитоплазме РНК транспортируются к месту синтеза белка — рибосомам. Лишь после этого наступает следующий этап — трансляция.
У прокариот транскрипция и трансляция идут одновременно.
Таким образом,
местом синтеза белков и всех ферментов в клетке являются рибосомы — это как бы «фабрики» белка, как бы сборочный цех, куда поступают все материалы, необходимые для сборки полипептидной цепочки белка из аминокислот. Природа синтезируемого белка зависит от строения и-РНК, от порядка расположения в ней нуклеоидов, а строение и-РНК отражает строение ДНК, так что в конечном итоге специфическое строение белка, т. е. порядок расположения в нем различных аминокислот, зависит от порядка расположения нуклеоидов в ДНК, от строения ДНК.
Изложенная теория биосинтеза белка получила название матричной теории. Матричной эта теория называется потому, что нуклеиновые кислоты играют как бы роль матриц, в которых записана вся информация относительно последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка.
Создание матричной теории биосинтеза белка и расшифровка аминокислотного кода является крупнейшим научным достижением XX века, важнейшим шагом на пути к выяснению молекулярного механизма наследственности.
Источник
Наследственная информация – это генетическая информация, которая передается по наследству от родителей потомству. Она обеспечивает преемственность поколений и непрерывность существования биологических видов.
У всех клеточных организмов и ряда вирусов единственную, но очень важную роль носителя наследственной информации играет ДНК.
Считывание генетической информации и ее реализация в процессах биологического синтеза осуществляются посредством различных ферментных комплексов и разных молекул РНК. Однако главным компонентом– хранителем наследственной информации являются молекулы ДНК. Это определяется тем, что двухцепочечная молекула ДНК способна к самоудвоению, обеспечивая тем самым точное воспроизведение идентичных дочерних молекул. Кроме того, ДНК служит матрицей для синтеза всех видов РНК. Полагают, что на самых ранних этапах возникновения жизни эту функцию выполняла РНК, но позднее она перешла к ДНК.
Наследственная информация закодирована последовательностью нуклеотидов молекул ДНК (у некоторых вирусов – РНК). Она содержит сведения о строении всех ферментов (а их в природе существует около 10 тыс.), всех структурных белков и РНК клетки, а также о системах регуляции их синтеза.
Итак, именно ДНК определяет наследственность организмов, то есть воспроизводящийся в поколениях набор белков и связанных с ними признаков. Биосинтез белков является центральным процессом живой материи, а нуклеиновые кислоты обеспечивают его, с одной стороны, программой, определяющей весь набор и специфику синтезируемых белков, а с другой – механизмом точного воспроизведения этой программы в поколениях.
Понятие о репликации
Самоудвоение, или репликация (от лат. replicatio – повторение), – это процесс самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации. В основе этого механизма лежит ферментативный синтез ДНК на матрице ДНК или РНК на матрице РНК (у РНК-содержащих вирусов). Важное место среди ферментов, осуществляющих этот процесс, занимает ДНК-зависимая ДНК-полимераза, или просто ДНК-полимераза.
Напомним, что перед каждым делением клетки, в интерфазе клеточного цикла, происходит самоудвоение молекул ДНК. Процесс самоудвоения ДНК осуществляется с помощью фермента ДНК-полимеразы при участии четырех типов мономеров – дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (дАТФ, дТТФ, дГТФ и дЦТФ), являющихся «поставщиками» и нуклеотидов для сборки новой молекулы ДНК, и необходимой для этого энергии, носителем которой служит трифосфатная группа.
Рибонуклеозидтрифосфат — АТФ (аденозинтрифосфат)
Процесс удвоения ДНК, то есть репликация, начинается с того, что двойная спираль ДНК раскручивается, а затем в определенной точке (или в нескольких точках) обе цепи под действием фермента расходятся под определенным углом, образуя активный участок Y-образной формы, перемещающийся вдоль родительской спирали ДНК, который называют репликационной вилкой. В каждом таком участке ДНК-полимераза осуществляет синтез двух новых дочерних цепей ДНК только в направлении от 5′-конца к 3′-концу (5′ → 3′).
Каждая одинарная цепь присоединяет к себе свободные нуклеотиды, имеющиеся в клетке, и достраивается по принципу комплементарности (А–Т и Г– Ц) до двойной. Таким образом, каждая полинуклеотидная цепочка, выполняя роль шаблона, или матрицы, создает новую цепь. Матрицей (от лат. mater – основа) называют зеркальную основу печатной формы, служащей для получения стереотипных копий. По принципу «копирования с матрицы» осуществляется и репликация дочерних молекул ДНК. В итоге вместо одной молекулы ДНК воссоздаются две молекулы точно такого же нуклеотидного состава, как и первоначальная.
Во время репликации ДНК каждая из образовавшихся двухцепочечных молекул имеет одну нить от материнской ДНК, а другую – вновь образованную – дочернюю молекулу ДНК. Сохранение одной первоначальной (материнской) нити в структуре новой молекулы ДНК получило название полуконсервативности ДНК. Вновь синтезированная молекула ДНК полностью идентична первоначальной.
Обычно репликация начинается одновременно во многих точках двухцепочечной молекулы ДНК. Место начала репликации называют точкой инициации. Длинная цепь ДНК реплицируется не вся сразу, а фрагментами. Участок между двумя точками инициации, в которых осуществляется синтез дочерних нитей, называют репликоном. Репликон является единицей репликации.
Репликон ДНК эукариотической клетки
В каждой молекуле ДНК обычно функционируют несколько репликонов. В каждом репликоне под действием перемещающегося фермента ДНК-полимеразы обе цепи расходятся, образуя вилку, разошедшиеся участки молекулы начинают выполнять роль матрицы, на которой происходит самоудвоение (репликация) ДНК.
Репликационная вилка прекращает свое движение, только когда встречает соседнюю вилку, движущуюся в противоположном направлении.
Процесс самоудвоения
В конце 1950-х годов считалось, что с помощью фермента ДНК-полимеразы каждая отделившаяся цепочка по мере перемещения репликационной вилки от одного конца к другому достраивается на основе комплементарности до новой – дочерней двойной цепи ДНК. Однако дальнейшие исследования показали, что процесс репликации не идет так просто, поскольку две цепи в молекуле ДНК антипараллельны, а ДНК-полимераза ведет сборку биополимера только в направлении от 5′-конца к 3′-концу. Тогда можно ожидать, что рост дочерних молекул по одной цепочке будет происходить в направлении от 5′-конца к З’-концу, а в направлении 3′ → 5′ идти не будет. Следовательно, таким путем, как полагали в 60-е годы XX века, самоудвоение молекулы происходить не может. То, как на антипараллельной цепочке ДНК образуется дочерняя молекула, установили только в начале 70-х годов.
В настоящее время установлено, что если на одной полимерной цепи молекулы ДНК сборка дочерней спирали (направление 5′ → 3′) идет непрерывно и она постепенно удлиняется за счет добавления нуклеотидов на З’-конце, то синтез второй дочерней молекулы на антипараллельной материнской цепи тоже идет в направлении 5′ → 3′, но прерывисто и с заметным отставанием от первой. Поэтому первую, непрерывно образующуюся цепь называют ведущей, или лидирующей, а вторую – отстающей, или запаздывающей.
Репликационная вилка и образование дочерних молекул ДНК
Заметим, что из-за антипараллельности молекул ДНК образующаяся репликационная вилка оказывается асимметричной. Из двух синтезируемых дочерних цепей одна (ведущая) строится непрерывно и достаточно быстро в направлении 5′ → 3′. Другая – прерывисто и из небольших фрагментов (фрагментов Оказаки), каждый из которых тоже наращивается в направлении 5′ → 3′, хотя в целом вся эта цепь строится на матрице от З’- к 5′-концу. Фрагментарный способ удвоения молекулы занимает больше времени, поэтому данный процесс идет с отставанием в сравнении с репликацией первой цепочки.
Из клеток живых организмов выделено несколько ДНК-полимераз, и в разных лабораториях они получили различные наименования.
После открытия в 1958 году Артуром Корнбергом у Escherichia coli фермента, катализирующего биосинтез ДНК и названного ДНК-полимеразой I, в течение почти 10 лет считалось, что этот фермент является единственной полимеразой, принимающей участие в репликации ДНК in vitro. Но в дальнейшем оказалось, что для репликации ДНК необходимо участие нескольких ферментов. ДНК-полимераза I не наделена способностью инициировать синтез цепей ДНК. Одним из хорошо изученных ферментов, участвующих в стадии инициации репликации ДНК, является специфическая клеточная РНК-полимераза, названная праймазой, которая катализирует синтез первого короткого олигорибонуклеотида (от 10 до 60 нуклеотидов), то есть праймера, с которого затем начинается синтез ДНК.
Основным ферментом, катализирующим биосинтез новообразованной ДНК (ведущей и отстающей цепей), является ДНК-полимераза III, представляющая собой комплекс собственно ДНК-полимеразы (молекулярная масса около 900 тыс.) и ряда других белков.
Этапы биосинтеза ДНК
Основываясь главным образом на данных, полученных в опытах in vitro, предполагают, что условно механизм синтеза ДНК может быть подразделен на три этапа; инициацию, то есть начало, элонгацию – продолжение и терминацию – завершение (прекращение) синтеза. Каждый из этих этапов требует участия специфических ферментов и белковых факторов.
Этап I – инициация биосинтеза ДНК – является началом синтеза дочерних нуклеотидных цепей. В инициации участвует минимум восемь хорошо изученных ферментов и белков. Инициация – единственная стадия репликации ДНК, которая весьма тонко и точно регулируется, однако детальные механизмы ее до сих пор не раскрыты и в настоящее время интенсивно исследуются.
Этап II – элонгация синтеза ДНК – включает два кажущихся одинаковыми, но резко различающихся по механизму синтеза лидирующей и отстающей цепей на обеих материнских цепях ДНК. Синтез лидирующей цепи начинается с синтеза праймера (при участии праймазы) у точки начала репликации, затем к праймеру присоединяются дезоксирибонуклеотиды под действием ДНК-полимеразы III. Далее синтез протекает непрерывно, следуя шагу репликационной вилки. Синтез отстающей цепи, напротив, протекает в направлении, обратном движению репликационной вилки, и происходит фрагментарно. Фрагменты всякий раз синтезируются раздельно, начиная с синтеза праймера, который может переноситься с помощью одного из белковых факторов репликации с готового фрагмента в точку старта биосинтеза последующего фрагмента противоположно направлению синтеза дочерней цепи (подобно шитью иголкой назад). На этом участке сборка фрагментов идет при участии ДНК-полимеразы, но в направлении 5’→ 3′ (встречно). Элонгация завершается заполнением (достраиванием) освободившихся мест (брешей) комплементарными дезоксирибонуклеотидами под действием той же праймазы, объединением образовавшихся небольших фрагментов ДНК (их называют фрагментами Оказаки, по имени ученого, открывшего это явление) с помощью ДНК-лигаз и формированием дочерней цепи ДНК.
Схема сборки фрагментов отстающей цепи ДНК: 1 – антипараллельная цепь ДНК (матрица); 2 – фермент РНК-праймаза переносит начало сборки нового фрагмента; 3 – участок, собранный с помощью ДНК-полимеразы; 4 – переход праймазы на новый участок синтеза; 5 – начало синтеза дочерней ДНК
Этап III – терминация синтеза ДНК – наступает, скорее всего, когда исчерпана ДНК-матрица и трансферазные реакции (реакции переноса) прекращаются. Точность репликации ДНК чрезвычайно высока, возможна одна ошибка на 1010 трансферазных реакций, однако подобная ошибка обычоо легко исправляется за счет процессов репарации (восстановления).
Функцию раскручивания (расплетения) двойной спирали ДНК в репликационной вилке, происходящего за счет энергии гидролиза АТФ, выполняет специфический белок, названный геликазой (молекулярная масса 300 тыс.). Образовавшиеся на определенное время одноцепочечные участки ДНК служат в качестве матрицы при репликации и стабилизируются при помощи особых белков, связывающихся с одноцепочечной ДНК (ДНК-связывающие белки) и препятствующих обратному комплементарному взаимодействию цепей ДНК (молекулярная масса 75 600). В связи с этим их иногда называют дестабилизирующими.
Дестабилизирующие белки (1) и фермент ДНК-геликаза (2) обеспечивают деспирализованность цепи ДНК в репликационной вилке
Мы привели лишь схематическое описание процесса репликации ДНК. На самом деле этот процесс очень сложен, в нем участвует множество специфических белков и различных ферментов, способствующих расплетению ДНК и предотвращению ее спутывания, скручивания, а также обеспечивающих сшивание фрагментов ДНК в целостную двойную спираль.
Имеются, кроме того, особые ферменты топоизомеразы (у прокариот одна из них названа ДНК-гиразой), которые играют особую роль в сверхспирализации, обеспечивая как репликацию, так и транскрипцию ДНК. Эти ферменты наделены способностью не только создавать супервитки, но и уничтожать суперспирализацию путем сшивания образующихся разрывов или разрезания ДНК. Наконец, открыты специальные ферменты, «редактирующие» ДНК, то есть осуществляющие вырезание и удаление ошибочно включенных нуклеотидов или репарирующие повреждения ДНК, вызванные физическими или химическими факторами (рентгеновское излучение, УФ-лучи, химический мутагенез и др.).
Из приведенного неполного перечня участников репликации ДНК можно понять, каким образом осуществляется этот процесс и какова его сложность.
Таким образом, процесс репликации ДНК характеризуется рядом принципиальных особенностей. Среди них: 1) комплементарность оснований и матричный характер синтеза; 2) полуконсервативность; 3) антипараллельность; 4) прерывистость синтеза; 5) точность копирования генетического кода; б) полная идентичность дочерних молекул материнской молекуле ДНК.
Источник