Синтез ДНК PDF Печать E-mail

Мы с вами уже говорили о том, что свойства белковых молекул определяются их первичной структурой. Даже незначительное изменение последовательности аминокислотных остатков в полипептиде может привести к нарушению его функции. Ясно, что в организме существует специальный механизм воспроизводства точных копий сложных молекул, какими являются нерегулярные полимеры: белки и нуклеиновые кислоты.

Впервые мысль о том, что синтез белков должен осуществляться матричным способом, при котором одна молекула биополимера служит основой для воспроизводства другой, высказал в 1927 году выдающийся русский биолог Николай Константинович Кольцов. Это было гениальное предвидение, которое подтвердилось в 50-60-е годы в работах молекулярных биологов.

Сейчас мы знаем, что все макромолекулы — нерегулярные линейные полимеры — белки, РНК и ДНК — синтезируются матричным способом. Рассмотрим процессы матричных синтезов, начиная с репликации. Возможность точного воспроизводства структуры ДНК заложена в ее свойстве — комплементарности двух ее цепей.

Эту особенность подчеркивали Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. в своей статье о структуре ДНК: "В нашей модели дезоксирибонуклеиновой кислоты имеется, по существу, пара матриц, причем каждая из них коплементарна другой. Мы думаем, что перед удвоением водородные связи разрушаются, и две цепи дестабилизируются и расходятся. Далее каждая цепь служит источником для создания на ней новой комплементарной цепи, так что, в результате получится две пары цепей, тогда как раньше существовала только одна. Более того, при таком способе репликации последовательность пар оснований будет в точности удвоена". Предположение Дж. Уотсона и Ф. Крика полностью подтвердилось. Удвоение молекулы ДНК начинается с разрушения водородных связей и расплетания двойной спирали. Затем каждая из двух цепей "материнской" молекулы достраивается комплементарной цепью.

Как вы помните, две комплементарные цепи в молекуле ДНК направлены противоположно друг другу. Ферменты, синтезирующие новые нити ДНК, так называемые ДНК-полимеразы, могут передвигаться вдоль матричных цепей лишь в одном направлении — от 3 - конца к 5- концу "материнской" цепи. Поэтому в процессе репликации одновременный синтез новых цепей идет антипараллельно. При этом одна цепь растет непрерывно, а вторая строится из коротких фрагментов, которые потом сшиваются специальным ферментом — лигазой.

Поражает слаженность взаимодействия множества белков, участвующих в процессе репликации. В бактериальной клетке синтез ДНК ведут 15 различных белков. Скорость репликации такова, что за 1 секунду происходит соединение одной ДНК-полимеразой почти тысячи нуклеотидов. Таким образом, молекула ДНК кишечной палочки длиной более чем 4 миллиона пар нуклеотидов удваивается примерно за 40 минут.

У высших организмов молекулы ДНК более длинные. Они связаны с белками в сложные комплексы, поэтому в репликации участвует большее число ферментов и идет она с более низкой скоростью (примерно 50 нуклеотидов в секунду). При такой скорости для удвоения самой длинной молекулы ДНК человека (250 миллионов пар нуклеотидов) потребовалось бы несколько сотен часов. На самом деле такая молекула удваивается за 2-3 часа, так как синтез ДНК начинается сразу во многих местах по длине молекулы. Участок между двумя точками, в которых начинается синтез "дочерних" цепей, называется репликоном.

Существует еще один процесс синтеза ДНК по матрице ДНК -репарация. Если нарушается одна из цепей ДНК, например, под действием рентгеновского излучения, ультрафиолетового света или химических веществ, то специальные ферменты вначале вырезают поврежденный участок, затем полимеразы застраивают его комплементарными нуклеотидами и в заключение лигазы сшивают новый отрезок цепи с концом старой. Процесс репарации позволяет клеткам сохранять ДНК в неизменном виде.

Интересные статьи по биологии:

1) Белки, связанные с микротрубочками

2) Регуляция синтеза и сборки бактериального жгутика