Воспроизводство нуклеиновых кислот. Синтез белков.Генетический код

Синтез нерегулярных линейных полимеров - белков и нуклеиновых кислот - происходит матричным способом. Только таким образом можно точно воспроизвести последовательность мономеров в полимерной молекуле. При синтезе ДНК матрицами служат каждая из цепей «материнской» молекулы ДНК. Выбор нужных нуклеотидов для строительства новой цепи осуществляется по принципу их комплементарности. Результатом синтеза являются две двойные "дочерние" спирали, каждая из которых содержит в неизменном виде одну из половин "материнской" ДНК. Вторые цепи "дочерних" молекул синтезируются из нуклеотидов заново по принципу комплементарности к цепям "материнской" ДНК. "Дочерние" ДНК ничем не отличаются друг от друга и от "материнской" двойной спирали, поэтому синтез ДНК называется репликацией (лат. герНсаИо - повторение).

Матрицей для синтеза РНК служит участок одной из цепей молекулы ДНК, но комплиментарная цепь строится не из дезоксирибонуклеотидов, а из рибонуклеотидов. Поэтому процесс синтеза РНК называется транскрипцией (лат. - переписывание) (рис. 8 - 3).

Третий тип матричного синтеза в живых организмах - это трансляция (лат. передача), синтез белка. Матрицей для него является РНК. Существует несколько видов РНК. Та РНК, которая служит матрицей для синтеза белка, так и называется матричная - мРНК или, по-другому, информационная - иРНК, т.е. содержащая информацию о последовательности аминокислот в полипептиде.

Существует система перевода информации о последовательности мономеров с языка нуклеотидов на язык аминокислот - генетический код. Перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот осуществляет комплекс из 3-4 молекул РНК и нескольких десятков белков, собранных вместе в сложную надмолекулярную структуру - рибосому (рибонуклеиновая кислота и сома - тело) Необходимыми участниками процесса трансляции являются транспортные РНК, которые доставляют к рибосомам аминокислоты.

Так как синтез белка идет по матрице РНК, которая в свою очередь синтезируется по матрице ДНК, то мы можем сказать, что информация о последовательности аминокислот в белке закодирована в последовательности нуклеотидов в ДНК или, в сокращенном виде:

ДНК ^ иРНК ^ белок

Это выражение получило название центральной догмы молекулярной биологии. В нем отражено направление передачи информации о последовательности аминокислот в белке. Белки, как мы уже говорили, в конечном счете, определяют все свойства живых организмов, их индивидуальную и видовую специфичность. Таким образом, вся информация о живом организме заключена в его ДНК. Эта информация называется генетической. Единицей генетической или наследственной информации является ген, который мы сейчас можем определить как участок ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида. Генами называют и участки ДНК, с которых считываются РНК, некодирующие белки.

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 полагаем, что перед удвоением водородные связи разрываются, и две цепи раскручиваются и расходятся. Затем каждая цепь используется в качестве матрицы для образования на ней новой комплементарной цепи, так что, в конце концов, у нас будет две пары цепей, тогда как раньше была 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.

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.

Принцип комплементарности лежит также в основе транскрипции. Синтез молекулы РНК осуществляет фермент - РНК- полимераза. Используя ДНК как матрицу, РНК-полимераза движется по ней в направлении от 3'- к 5'- концу и строит комплементарную цепь. Скорость транскрипции - примерно 50 нуклеотидов в секунду. Молекулы РНК гораздо короче молекул ДНК, поэтому каждая молекула ДНК служит матрицей для синтеза множества различных РНК.

В природе существуют еще и другие матричные синтезы нуклеиновых кислот: синтез РНК по матрице РНК и синтез ДНК по матрице РНК. Они происходят в клетках при размножении некоторых вирусов и осуществляются специальными ферментами.

При трансляции по матрице РНК строится молекула полипептида. Каким же образом происходит перевод информации с "языка" нуклеотидов на "язык" аминокислот? Он осуществляется в два этапа.

На первом этапе специальные ферменты со сложным названием - аминоацил-тРНК-синтетазы - связывают аминокислоты с небольшими молекулами РНК, называемыми транспортными (тРНК). Транспортных РНК в клетках живых организмов несколько десятков типов, незначительно отличающихся друг от друга по своей первичной структуре. Специфичность действия ферментов-синтетаз очень высока, они соединяют каждую аминокислоту только со "своей" тРНК.

На втором этапе происходит взаимодействие участка тРНК с мРНК. Длина участка взаимодействия - три нуклеотида. Если эти три нуклеотида иРНК комплементарны трем соответствующим нуклеотидам тРНК, то аминокислота отсоединяется от тРНК и присоединяется к растущей полипептидной цепочке, т.е. принцип комплементарности нуклеотидов лежит в основе не только синтеза нуклеиновых кислот, но и синтеза полипептидов.