. Нуклеиновые кислоты и матричные биосинтезы

ЛЕКЦИЯ №

БИОСИНТЕЗ ДНК (РЕПЛИКАЦИЯ), БИОСИНТЕЗ РНК (ТРАНСКРИПЦИЯ),

ПЛАН

1. Репликация или биосинтез ДНК

2. Транскрипция или синтез РНК

Синтез первичного транскрипта

Процессинг РНК

Синтез рибосомальной РНК

Синтез транспортной РНК

3. Транспорт РНК из ядра в цитозоль

Живые объекты обладают удивительной способностью поддерживать 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 предшествующем полимере, на котором и идет синтез.

Репликация или биосинтез днк

В ходе процесса репликации происходит удвоение 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 ряду поколений.

Принципиальная схема механизма репликации ДНК предельно проста.

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. 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. Один из этих вариантов следующий:

Материнская цепь ДНК + n(дАТФ) + m(дГТФ) + р(дЦТФ) + q(дТТФ) -->

Репликазный комплекс

-------------------> Дочерняя молекула ДНК + Ф~Ф(n+m+p+q)

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 репликационные вилки, а на хромосоме формируется репликационный глазок:

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

Ферментом, непосредственно катализирующим синтез дочерних цепей ДНК является ДНК-полимераза. В клетке имеется три ДНК-полимеразы: это ‑ДНК‑полимераза, принимающая непосредственное участие в репликации хромосомной ДНК; -ДНК-полимераза, участвующая в процессах репарации поврежденной хромосомной ДНК и -ДНК-полимераза, обеспечивающая репликацию митохондриальной ДНК.

-ДНК-полимераза способна:

• во-первых, отбирать из окружающей среды дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, азотистое основание которых комплементарно азотистым основаниям очередных дезоксирибонуклеотидных остатков материнской цепи ДНК;

• во-вторых, катализировать образование фосфодиэфирной связи между между 5'‑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 5'-концевого дезоксирибонуклеотида растущей цепи ДНК с азотистым основанием соответствующего дезоксирибонуклеотида материнской цепи.

В то же время для работы -ДНК-полимеразы необходимы три непременных условия:

• во- первых, фермент может работать только на одноцепочечной матрице;

• во‑вторых, ДНК-полимераза 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 каких-либо разрывов, в районе которого мог бы присоединиться и начать работу фермент. Все перечисленные сложности разрешаются в ходе работы репликазного комплекса.

Репликазный комплекс представляет собой сложнейшую надмолекулярную структуру, в состав которой входит несколько десятков различных белков - ферментов и неферментных белков, формирующих одноцепочечные матрицы, на которых может работать ДНК-полимераза.

Расплетение двойной спирали ДНК осуществляется с помощью фермента - ДНК-хеликазы, способной 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.

К образовавшимся одноцепочечным участкам молекулы ДНК присоединяются SSB‑белки, препятствуя обратному скручиванию расплетенного участка.

При расплетении молекулы ДНК на нераскрученной части может 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 супервитки, возникающие в ходе расплетения двойной спирали ДНК.

Поскольку ДНК-полимераза 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) олигонрибоуклеотид, который и служит затравкой или праймером для ДНК-полимеразы. Праймер синтезируется с помощью фермента праймазы, в дальнейшем этот олигорибонуклеотид будет удален из дочерней цепи ДНК.

ДНК-полимераза присоединяется к праймеру и начинает последовательно присоединять к его 3'- концу новые дезоксирибонуклеотидные остатки, обеспечивая непрерывный рост дочерней цепи ДНК в направлении 5'3'.

Для работы ДНК-полимеразы 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.

По современным представлениям репликация второй цепи материнской ДНК идет небольшими участками, получившими название “фрагменты Оказаки” по фамилии ученого, обнаружившего данный феномен.

К 3'- концу праймера, синтезированного на цепи, идущей в направлении 5'3'присоединяется ДНК-полимераза и синтезирует фрагмент дочерней цепи ДНК, двигаясь при этом по материнской цепи в направлении, обратном направлению движения репликационной вилки. Размер синтезируемого фрагмента дочерней цепи ДНК составляет около 200 нуклеотидных остатков. Затем на этой цепи материнской ДНК опять в районе репликационной вилки с помощью праймазы синтезируется новый праймер, на котором ДНК-полимеразой синтезируется очередной фрагмент дочерней цепи ДНК. В ходе репликации праймеры удаляются с помощью специальной РНК-азы. Возникающие свободные промежутки на дочерней цепи ДНК застраиваются дезоксирибонуклеотидами с участием фермента -ДНК-полимеразы, а затем соседние остатки дезоксирибонуклеотидов соединяются с участием фермента ДНК-лигазы.

Таким образом, дочерняя цепь ДНК, синтезируемая на материнской цепи ДНК, идущей в направлении 3'5' по ходу движения репликационной вилки, синтезируется несколько раньше и в виде непрерывной цепи; она получила название “ведущей” цепи. Тогда как синтез дочерней цепи на материнской цепи ДНК, идущей в направлении 5'3' по ходу движения репликационной вилки, несколько запаздывает во времени и идет в виде фрагментов Оказаки, она носит название “отстающей” цепи.

Точность работы ДНК-полимеразы не абсолютна, частота ошибочно включенных во вновь синтезируемую цепь ДНК “неправильных” дезоксирибонуклеотидов составляет 110^-4–110^-5. В то же время точность репликации ДНК столь велика, что частота ошибок не превышает 110^-9. Эта высочайшая точность воспроизведения генетической информации обусловлена наличием в клетках специальных механизмов коррекции ошибок репликации, изученных в настоящее время пока недостаточно.

Вновь синтезированные молекулы ДНК подвергаются в клетках ряду преобразований, получивших название “процессинг” ДНК, в ходе которого происходит:

• превращение части главных дезоксирибонуклеотидных остатков в минорные;

• формирование третичной структуры новообразованной ДНК, для чего необходимо дополнительное количество ядерных белков - гистонов.