какую роль играет репликация днк
Репликация ДНК
Расшифровка структуры молекулы ДНК помогла объяснить принцип ее репликации. Репликацией называется процесс удвоения молекул ДНК. Этот процесс лежит в основе воспроизведения себе подобных живыми организмами, что является главным признаком жизни.
Особая роль ДНК в живом организме определяется такой ее фундаментальной особенностью, как способность к самоудвоению.
Гигантские молекулы ДНК эукариот имеют много участков репликации – репликонов, тогда как относительно небольшие кольцевые молекулы ДНК прокариот представляют каждая один репликон. Полирепликативный характер огромных молекул ДНК эукариот обеспечивает возможность ее репликации без одновременной деспирализации всей молекулы. Так, хромосомы клетки человека имеют более 50 000 репликонов, которые синтезируются как самостоятельные единицы. Если бы молекула ДНК эукариот удваивалась как один репликон, то этот процесс растянулся бы на несколько месяцев. Благодаря полирепликации он сокращается до 7–12 ч. В остальном в общих чертах процессы репликации прокариот и эукариот весьма похожи.
Рис. 1. Полуконсервативный принцип репликации ДНК
Процесс репликации ДНК в репликоне происходит в 3 этапа, в которых участвуют несколько разных ферментов.
Начинается репликация ДНК с локального участка, где двойная спираль ДНК (под действием ферментов ДНК-геликазы, ДНК-топоизомеразы и др.) раскручивается, водородные связи разрываются и цепи расходятся. В результате образуется структура, названная репликативной вилкой.
На втором этапе происходит типичный матричный синтез. К образовавшимся свободным связям присоединяются по принципу комплементарности (А-Т, Г-Ц) свободные нуклеотиды. Этот процесс идет вдоль всей молекулы ДНК. У каждой дочерней молекулы ДНК одна нить происходит от материнской молекулы, а другая является вновь синтезированной. Такая модель репликации получила название полуконсервативной (рис. 1). Этот этап осуществляет фермент ДНК-полимераза (известно несколько ее разновидностей).
Рис. 2. Схема репликации ДНК
На третьем этапе происходит закручивание спирали и восстановление вторичной структуры ДНК при помощи ДНК-гиразы.
Большинство ферментов, участвующих в репликации ДНК, работают в мультиэнзимном комплексе, связанном с ДНК. На основании этого американский биохимик Б. Альбертс выдвинул концепцию реплисомы, однако отдельные структуры, аналогичные рибосомам, пока не выявлены. Слаженная работа ферментов позволяет осуществлять репликацию с огромной скоростью: у прокариот – около 3000 п. н. (пар нуклеотидов) в секунду, у эукариот – 100–300 п. н. в секунду. Две новые молекулы ДНК представляют собой точные копии исходной молекулы.
Механизмы репликации весьма сложны, и многие детали этого процесса, особенно у высших животных, до настоящего времени неизвестны.
Биология. 11 класс
§ 16. Клеточный цикл. Репликация ДНК
Период существования клетки от момента ее образования из материнской клетки до собственного деления (включая это деление) или гибели называется клеточным циклом.
Продолжительность клеточного цикла у разных организмов и различных клеток в составе одного организма варьирует. Так, у бактерий в благоприятных условиях он длится примерно 20 мин. Короткие клеточные циклы (30—60 мин) характерны для бластомеров рыб и земноводных на этапе дробления, в то время как у млекопитающих промежуток времени между делениями бластомеров может достигать 10 ч и более. У взрослых мышей клетки кишечного эпителия делятся каждые 11—22 ч, а роговицы глаза — приблизительно один раз в трое суток. Для регулярно делящихся клеток многоклеточных организмов длительность клеточного цикла обычно составляет 12—36 ч.
Пресинтетический, или G1-пе риод (от англ. gap — промежуток), начинается с момента образования новой клетки в результате деления материнской. Обычно это самый длительный период интерфазы и клеточного цикла в целом. В течение G1-периода молодая клетка интенсивно растет, в ней увеличивается количество органоидов и синтезируются различные соединения, необходимые для протекания процессов жизнедеятельности. В том числе образуются вещества, которые будут нужны для последующего удвоения молекул ДНК.
Вы уже знаете, что набор хромосом обозначают как n: например, 1n — гаплоидный набор, 2n — диплоидный. Набор молекул ДНК в клетках принято записывать с помощью буквы с. Из § 14 вам известно, что каждая хроматида содержит одну молекулу ДНК, т. е. количество молекул ДНК и хроматид в составе хромосом всегда совпадает. Таким образом, записи типа 1с, 2с, 4с отражают содержание в клетках не только молекул ДНК, но и соответствующих хроматид.
В пресинтетическом периоде каждая хромосома состоит из одной хроматиды. Следовательно, в G1-периоде число хромосом (n) и хроматид (с) в клетке одинаковое. Набор хромосом и хроматид диплоидной клетки в G1-периоде клеточного цикла можно выразить записью 2n2c.
В синтетическом, или S-периоде (от англ. synthesis — синтез), происходит удвоение молекул ДНК — репликация, а также удвоение центриолей клеточного центра (в тех клетках, где он имеется). После завершения репликации каждая хромосома состоит уже из двух идентичных сестринских хроматид, которые соединены друг с другом в области центромеры. Количество хроматид в каждой паре гомологичных хромосом становится равным четырем. Таким образом, набор хромосом и хроматид диплоидной клетки в конце S-периода (т. е. после репликации) выражается записью 2n4c.
Постсинтетический, или G2-период, продолжается от окончания синтеза ДНК (репликации) до начала деления клетки. В это время клетка активно запасает энергию и синтезирует белки для предстоящего деления (например, белок тубулин для построения микротрубочек, образующих впоследствии веретено деления). В течение всего G2-периода набор хромосом и хроматид в клетке остается неизменным — 2n4c.
Обобщенная информация об основных периодах клеточного цикла представлена в таблице 16.1.
Таблица 16.1. Основные периоды клеточного цикла
Период
Содержание наследственного материала в диплоидной клетке
Репликация ДНК и транскрипция могут иметь общее происхождение
Рис. 1. Строение основных структурных мотивов, образующих активный центр ДНК- и РНК-полимераз. A — мотив двойной ψβ-бочонок (DPBB), B — мотив RRM, C — активный центр ДНК-полимераз семейства PolC. Голубыми стрелками обозначены β-листы, красными цилиндрами — α-спирали. Рисунок из обсуждаемой статьи в BMC Biology
Происхождение важнейшего молекулярно-биологического процесса, лежащего в основе размножения любой живой клетки, — репликации ДНК — окутано тайной. Дело в том, что ферменты, обеспечивающие удвоение цепочек ДНК — ДНК-полимеразы — у организмов из трех доменов жизни (архей, бактерий и эукариот) неродственны друг другу. Недавно группа исследователей во главе с Евгением Куниным предложила изящную гипотезу возникновения репликационного аппарата, согласующуюся с известными данными о сходстве и различиях ДНК-полимераз у архей, бактерий и эукариот. Ученые считают, что ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы (ферменты, осуществляющие транскрипцию) произошли от одного предкового белка, который функционировал, как РНК-зависимая РНК-полимераза — синтезировал комплементарную РНК на матрице РНК.
Существует великое множество гипотез происхождения жизни на Земле, и многие из них сходятся на том, что в определенный период на земле существовал некий гипотетический организм, от которого произошли все ныне живущие клеточные формы жизни — последний универсальный общий предок, или LUCA (от англ. Last Universal Common Ancestor; подробнее о том, каким мог быть LUCA и почему большинство ученых уверены в его существовании, читайте в новости Формальные статистические тесты подтверждают происхождение всех живых организмов от единого предка, «Элементы», 19.05.2010).
Если все формы жизни происходят от одного общего предка, то кажется разумным, что ферменты, обеспечивающие протекание базовых биологических процессов, общих для всего живого, должны быть очень близки у всех современных организмов. В самом деле, белки, участвующие в транскрипции, трансляции и ключевых метаболических процессах вроде синтеза нуклеотидов, крайне консервативны и очень близки даже у эволюционно далеких групп организмов (в частности, — у кишечной палочки и у человека).
Однако есть одно странное исключение, которое, на первый взгляд, ставит под сомнение если не существование LUCA, то, как минимум, наличие у него генома в виде молекулы ДНК — репликация ДНК. Дело в том, что ферменты ДНК-полимеразы, которые катализируют присоединение новых дезоксирибонуклеотидов, комплементарных матричной цепи ДНК, у представителей трех доменов клеточных форм жизни — бактерий, архей и эукариот — неродственны друг другу. Как же так получилось, что такой важнейший для любой клетки процесс как репликация ДНК у трех доменов жизни катализируют совершенно разные белки? Недавно группа ученых во главе с Евгением Куниным (Eugene V. Koonin) предложила новый изящный сценарий возможного происхождения репликации ДНК. Но прежде чем приступить к его обсуждению, давайте рассмотрим, какие вообще бывают ДНК-полимеразы.
ДНК-полимеразы бактерий, архей и эукариот относятся к трем разным белковым семействам и различаются друг от друга, прежде всего, организацией активного центра, который и катализирует присоединение новых нуклеотидов к растущей комплементарной цепи ДНК.
У эукариот, архей из типа Crenarchaeota и многих крупных ДНК-содержащих вирусов основная ДНК-полимераза, задействованная в репликации, относится к семейству полимераз B (PolB). Полимеразы из семейства PolB есть у некоторых бактерий и архей, не относящихся к Crenarchaeota, но у них она участвует не в репликации, а в репарации, восстанавливая бреши в поврежденных цепях ДНК. Ферменты PolB объединяет одинаковое устройство каталитического домена: его основу составляет мотив под названием RRM-ладонь (RNA recognition motif) (рис. 1, B). «Ладонью» (англ. palm) принято называть домен ДНК-полимеразы, который катализирует присоединение нового нуклеотида к цепочке (домен под названием «палец» (finger) обеспечивает образование комплементарных связей между новоприсоединенным доменом и матричной цепью, а домен «большой палец» (thumb) нужен для эффективного перемещения фермента по матричной цепи; подробнее см., например, T. A. Steitz, 1999. DNA Polymerases: Structural Diversity and Common Mechanisms). Домены получили свои говорящие названия из-за сходства их расположения друг относительно друга с расположением пальцев и ладони кисти руки.
Примечательно, что очень похожую структуру с мотивом RRM имеет каталитический центр ферментов из числа обратных транскриптаз, которые синтезируют ДНК на матрице РНК, и вирусных РНК-зависимых РНК-полимераз, которые синтезируют РНК на матрице РНК. Кроме того, активный центр на основе мотива RRM-ладонь имеют праймазы — ферменты, синтезирующие РНК-затравки в начале удвоения ДНК у архей, эукариот и вирусов, геном которых представлен двуцепочечной ДНК. Производное мотива RRM-ладонь имеется у полимераз семейства PolA. Эти полимеразы задействованы в репаративном синтезе ДНК у бактерий и являются главным репликативным ферментом у некоторых фагов, а также в митохондриях растений и грибов.
У архей, за исключением представителей типа Crenarchaeota и некоторых других видов, основная репликативная ДНК-полимераза относится к семейству полимераз D (PolD). Каталитический центр PolD образован двумя структурными мотивами, известными как двойной ψβ-бочонок (DPBB, от англ. Double Psi Beta Barrel). Два мотива DPBB составляют основу активного центра основного фермента транскрипции — РНК-полимеразы — у большинства форм жизни: бактерий, архей, многих ДНК-вирусов (рис. 1, A).
Бактериальная репликативная ДНК-полимераза принадлежит к семейству полимераз C (PolC). Каталитический центр имеет PolC иную структуру, чем PolB. Его основу составляет структурный мотив, известный как Polβ-подобная нуклеотидилтрансфераза (рис. 1, C). За пределами домена бактерий PolC практически не известны: исключение составляют несколько плохо изученных бактериофагов. Редкость полимераз PolC среди фагов, вероятно, свидетельствует о том, что PolC попали к вирусам от бактерий относительно недавно и не успели широко распространиться.
Как вы, наверное, уже заметили, различные семейства ДНК-полимераз существенно ближе к некоторым РНК-полимеразам, чем друг к другу. Долгое время ученые полагали, что репликация ДНК в ходе эволюции возникала несколько раз. Некоторые даже придерживались мнения, что геном LUCA был представлен молекулой РНК, поэтому и механизм репликации ДНК организмы из разных доменов «изобретали» независимо друг от друга.
В последние годы благодаря развитию метагеномики, позволяющей получать последовательности геномов микроорганизмов и вирусов прямо из образцов окружающей среды без культивации в лаборатории, базы данных пополнились последовательностями ДНК-полимераз множества новых организмов. Теперь уже стало возможным проследить определенные закономерности эволюции ДНК-полимераз, сравнивая последовательности миллионов генов, кодирующих ДНК-полимеразы у самых разных организмов. Кроме того, многие ДНК-полимеразы микроорганизмов и вирусов ученые сумели закристаллизовать и далее получить их пространственные структуры. Ученые из группы Кунина проанализировали новые данные о сходстве ДНК- и РНК-полимераз различных организмов и на их основании разработали вероятный сценарий возникновения и эволюции репликации ДНК.
Исследователи полагают, что наличие РНК-полимераз с двумя мотивами DPBB (являющихся основными ферментами транскрипции) у всех доменов жизни свидетельствует о том, что РНК-полимераза такого же устройства имелась еще у LUCA. Примечательно, что, хотя современные РНК-полимеразы с двумя мотивами DPBB обычно функционируют как ДНК-зависимые ферменты, при некоторых условиях они могут синтезировать РНК на матрице РНК. Например, растительные инфекционные агенты вироиды, имеющие мелкие РНК-геномы, заставляют РНК-полимеразу II растений функционировать как РНК-зависимую РНК-полимеразу, хотя как таковые РНК-зависимые РНК-полимеразы имеются только у РНК-содержащих вирусов. Ученые заключили, что предковая полимераза, содержащая мотив DPBB, появилась еще до того, как ДНК стала основной формой хранения генетической информации, и была РНК-зависимой РНК-полимеразой. Сам мотив DPBB, вероятно, первоначально служил вспомогательным, лишенным каталитической активности РНК-связывающим доменом, а роль РНК-зависимой РНК-полимеразы выполнял рибозим. Однако белок, содержащий не один, а два мотива DPBB в результате удвоения соответствующего участка гена, уже сам обладал полимеразной активностью и постепенно вытеснил менее эффективный рибозим, став настоящей РНК-зависимой РНК-полимеразой.
Рис. 2. Предлагаемый сценарий ранней эволюции и происхождения репликации ДНК и транскрипции. A — эволюция клеточных (вверху) и вирусных (внизу) полимераз с мотивами DPBB и RRM соответственно. Первые ДНК-полимеразы с упомянутыми мотивами, вероятно, появились в древних протоклетках еще до возникновения LUCA. Клетки и вирусы обменивались полимеразами с мотивом DPBB в обоих направлениях. B — схема эволюции репликации ДНК в трех доменах жизни. Различные белковые домены и субъединицы показаны разными цветами и фигурами. Мотив DPBB отмечен тройными решетками, а RRM — стрелками. RdRp — РНК-зависимая РНК-полимераза, RT — обратная транскриптаза, DP1 — малая субъединица полимеразы PolD с экзонуклеазной активностью, DP2 — большая субъединица полимеразы PolD с ДНК-полимеразной активностью. Рисунок из обсуждаемой статьи в BMC Biology
Появление клеток, геном которых представлен ДНК, сопровождалось разделением древней РНК-зависимой РНК-полимеразы с двумя мотивами DPBB на две эволюционные ветви: первая ветвь была родственна современным PolD архей и включала ДНК-зависимые ДНК-полимеразы, а вторую ветвь образовались РНК-полимеразы, «научившиеся» использовать ДНК в качестве матрицы и ставшие первыми ферментами, осуществляющими транскрипцию. Появление репликативных ДНК-зависимых ДНК-полимераз сопровождалось присоединением к DPBB-полимеразе нескольких дополнительных доменов, облегчающих взаимодействие с ДНК, в частности, доменов, содержащих ДНК-связывающие мотивы типа цинковые пальцы. Авторы гипотезы полагают, что у LUCA имелась репликационная ДНК-полимераза именно такого типа (то есть содержащая мотив DPBB и входящая в семейство PolD), а из современных организмов ее сохранили большинство архей.
Когда уже после LUCA произошло разделение клеточной жизни на архей и бактерий (эукариоты, по современным представлениям, являются обособленной группой архей, см. Новооткрытый микроб заполняет брешь между прокариотами и эукариотами, «Элементы», 12.05.2015), у бактерий DPBB-содержащая ДНК-полимераза была вытеснена ДНК-полимеразой семейства PolC, которая произошла от древней нуклеотидилтрансферазы семейства Polβ.
Поскольку мотив RRM очень консервативный и древний (он появился, вероятно, еще в эпоху РНК-мира), полимеразы семейства PolB, основу каталитического центра которых составляет RRM, возможно, появились у мобильных генетических элементов и вирусов, паразитировавших на древних протоклетках еще до возникновения LUCA. В частности, возможным предком PolB является обратная транскриптаза первых ретротранспозонов. У архей ДНК-полимеразы семейства PolB появлялись несколько раз, вероятно, благодаря заимствованиям у вирусов, у которых ферменты этой группы широко распространены. Появление полимераз PolB у бактерий также, по всей видимости, связано с заимствованием этого фермента у вирусов. У эукариот полимеразы PolB тоже появились благодаря вирусам, причем впоследствии эукариотические ДНК-полимеразы PolD, сохранившиеся от предков-архей, были полностью вытеснены PolB.
Происхождение полимераз PolA, содержащих мотив RRM и отличающихся высокой консервативностью, вызывает много вопросов. Возможно, PolA впервые появились у вирусов из предковой RRM-полимеразы, а затем были перенесены бактериям. Примечательно, что подобный сценарий был реализован у митохондрий, у которых PolA служит главным репликативным ферментом: вероятнее всего, митохондрии получили PolA от фагов. Таким образом, заимствование клеткой вирусных ферментов, которые по эффективности зачастую превосходят клеточные аналоги, происходило несколько раз в ходе эволюции репликации ДНК.
Таким образом, согласно новой гипотезе Кунина и соавторов, современные ДНК- и РНК-полимеразы произошли от общего белка-предка, который функционировал как РНК-зависимая РНК-полимераза. Существующие возможности молекулярной биологии позволяют, хотя и с большим трудом, реконструировать древние формы РНК- и ДНК-полимераз. И, хотя изложенный выше сценарий в значительной степени остается гипотетическим, реконструкция предковых полимераз может позволить проверить его экспериментально.
Источник: Eugene V. Koonin, Mart Krupovic, Sonoko Ishino & Yoshizumi Ishino. The replication machinery of LUCA: common origin of DNA replication and transcription // BMC Biology. 2020. DOI: 10.1186/s12915-020-00800-9.
ДНК и гены
ДНК ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ
Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года
Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения
Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.
В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.
С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С) и фосфатной (Ф) группы (фосфодиэфирные связи).
Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы
В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т), гуанин — только с цитозином (Г-Ц). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой «лестницы» ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).
Рис. 2. Азотистые основания
Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.
Рис. 3. Репликация ДНК
Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.
Образование новой ДНК (репликация)
По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.
Более подробная информация:
СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты – это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.
НУКЛЕОТИДЫ состоят из азотистого основания, соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) – дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H2PO3–).
Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания – урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания – аденин и гуанин.
Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые
Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:
Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК
Две цепи ДНК образуют двойную спираль. Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей. Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин – с гуанином. Это называется правилом комплементарности (см. принцип комплементарности ).
Правило комплементарности:
| A–T G–C |
Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность
3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,
то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении – от 5’-конца к 3’-концу:
5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’.
Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей
РЕПЛИКАЦИЯ ДНК
Репликация ДНК – это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК праймером для синтеза ДНК является короткий фрагмент РНК (создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой (ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).
Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.
Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК
ДНК-синтез – это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:
Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α ( Polα ), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ ( Polδ ), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.
Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему репликативной вилки и функции ферментов репликации)
Нагляднее о репликации ДНК см. видео →
5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5’→3′ синтезирует праймер (РНК-затравку) – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК.
СТРОЕНИЕ РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.
Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.
Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.
Рис. 10. Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.
ТРАНСКРИПЦИЯ
Транскрипция – это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК – эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ – 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.
Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции
Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи
3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,
то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность
5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’,
а синтезируемая с нее РНК – последовательность
3’– AUGUCCUAGCUGCUCG – 5’.
ТРАНСЛЯЦИЯ
Рассмотрим механизм синтеза белка на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:
Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5′ к 3′ концу мРНК.
Таблица 1. Стандартный генетический код
Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:
Свойства генетического кода
1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом или кодоном.
2. Непрерывность. Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.
3. Неперекрываемость. Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.
4. Однозначность. Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.
5. Вырожденность. Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.
6. Универсальность. Генетический код одинаков для всех живых организмов.
Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:
3’– CCGATTGCACGTCGATCGTATA– 5’.
Матричная цепь будет иметь последовательность:
5’– GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT– 3’.
Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:
3’– CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA– 5’.
Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:
5’– AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.
Теперь найдем старт-кодон AUG:
5’– AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.
Разделим последовательность на триплеты:
Найдем стоп-кодон и согласно таблице генетического кода запишем последовательность аминокислот:
Центральная догма молекулярной биологии звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК – на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.
Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии
ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ
Термин «геном» был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными») последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.
Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК
За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.
В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент». Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид», поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.
Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.
Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.
Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена, кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350 аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.
Сколько генов в одной хромосоме?
ДНК прокариот устроена более просто: их клетки не имеют ядра, поэтому ДНК находится непосредственно в цитоплазме в форме нуклеоида.
Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру – нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli, чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.
Прокариоты (Бактерии).
Бактерия E. coli имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами (рис. 16).
Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.
Эукариоты.
Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов