Канке В.А., Лукашина Л.В. Концепция современного естествознания Теория и практика

алфавит: А, Г, Ц, Т и У; латинский алфавит: A, G, C, T и U). Нуклеотиды

вкачестве блоков ДНК и РНК состоят из фосфата, сахара и одного из азотистых оснований. На рис. 6.3 изображен один из дезиоксинуклеотидов,

всостав которого входит аденин.

Дезоксирибоза

Дезоксирибоза

Нуклеотид

Дезоксиаденозин-5 -фосфат (дАМФ) (дезоксиадениловая кислота)

OH H H

H H

OH H

Дезоксигуанозин-5 -фосфат (дГМФ) (дезоксигуаниловая кислота)

Рис. 6.3. Адениннуклеотид

Азотистые основания соединяются с атомом сахара в месте 1’-атома водорода H посредством ковалентной связи. Этот тип связи характерен также и для соединения фосфата с сахаром в месте 5’- и 3’-атома водорода.

На рис. 6.4 представлена схема устройства ДНК. Остатки фосфорной кислоты изображены кругами, дезоксирибоза — пентагонами, а азотистые основания — прямоугольниками. Ковалентные связи обозначены сплошными, а водородные — пунктирными линиями. Нуклеотиды соединяются между собой прочной ковалентной связью через сахар одного нуклеотида и фосфорную кислоту другого. Получается сахарофосфатный остов. Каждая ветвь ДНК является спиралью, т.е. образованием, которое огибает ось,

251

некоторую воображаемую линию (как правило, она не является прямой линией), занимающей в указанной молекуле центральное положение. Каждый виток спирали включает 10—12 пар азотистых оснований. Шаг спирали, т.е. расстояние вдоль оси ДНК, соответствующее одному полному витку, составляет 2,9—4,5 нм. Диаметр спирали равен 18—23 нм. Для многих разновидностей ДНК выполняется правило: чем больше шаг спирали, тем меньше ее диаметр. Так как шаг спирали ДНК больше ее диаметра, то обычно на рисунках и схемах ДНК изображается как спираль, вытянутая в вертикальном направлении. Размер молекулы ДНК обычно характеризуется в тысячах пар нуклеотидов (т.п.н.). Чем их больше, тем больше длина молекулы ДНК.

Рис. 6.4. Схема устройства ДНК

Число пар нуклеотидов простейших организмов и высших млекопитающих отличается в 105 раз, соответственно и длины их молекул ДНК отличаются во столько же число раз. Среднее число нуклеотидных пар в молекуле ДНК одного человека равно 1,5·108, длина же одной пары составляет 0,34 нм. Следовательно, средняя длина молекулы ДНК человека примерно равна 5 см. Для сравнения укажем, что эта длина в 5000 раз больше среднего размера клетки человека. Это обстоятельство указывает на исключительно плотную упаковку молекулы ДНК. В противном случае она просто не уместилась бы в ядре клетки. Если выстроить в линию все молекулы ДНК, заключенные в теле человека, то ее длина превзойдет расстояние от Земли до Солнца в 130 раз.

Азотистые основания, противостоящие друг другу в полинуклеотидных цепочках, объединяются посредством двухили трехводородной связи. Эти связи в десятки раз слабее ковалентной связи, но вполне достаточны для того, чтобы стабилизировать ДНК в направлении, перпендикулярном спирали. Стабилизацию ДНК в направлении вдоль оси осуществляют межмолеклярные силы, действующие между соседними азотистыми основаниями.

252

Азотистые основания парны друг другу: аденину соответствует тимин, а гуанину — цитозин. Таким образом, входящие в состав ДНК полинуклеотидные цепочки комплементарны (дополнительны), но не тождественны друг другу. В составе ДНК содержится всего четыре азотистых основания, но их последовательность варьируется в широких пределах. Это обстоятельство определяет многообразие ДНК, которая для каждого организма является особой.

Цепи ДНК антипараллельны друг другу (поэтому на рис. 6.3 правые пентагоны относительно левых пентагонов даны в перевернутом виде): там, где у одной полинуклеотидной цепи 5’-конец, у другой — 3’-конец и наоборот. Можно показать, что в случае отсутствия антипараллельности цепей ДНК она не могла бы быть устойчивой структурой. Каждая ветвь ДНК униполярна. Это означает, что синтез комплементарных цепей всегда проводится от 5’-конца к 3’-концу. Дело в том, что как ДНК-, так и РНКполимеразы присоединяют новые остатки нуклеотидов только к 3’-гидрок- сильной группе (-OH), но не к 5’-концу.

Спираль ДНК может быть закрученной как вправо (по часовой стрелке), так и влево. Из трех наиболее активных в биологическом отношении ДНК две, а именно А-ДНК и В-ДНК закручены вправо, а Z-ДНК влево (рис. 6.5).

0,34 nm

Рис. 6.5. Пространственные модели В-, А- и Z-ДНК

Что касается молекул РНК, то они во многом устроены так же, как молекулы ДНК. Но есть три существенных различия.

1.Вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза.

2.Тимин заменяется на урацил.

3.Молекула РНК представляет собой не две, а одну цепь.

Выводы

•ДНК и РНК — две главные биомолекулы.

•Нуклеотиды ДНК и РНК состоят из фосфата, сахара и одного из азотистых оснований.

•ДНК представляет собой двухцепочечную структуру.

•Азотистые основания в составе ДНК комплементарны друг другу.

•Цепи ДНК антипараллельны друг другу и униполярны.

•Молекула РНК представляет собой не две, а одну цепь.

253

6.5. Репликация ДНК

Самовоспроизведение ДНК называется репликацией (от лат. replicatio — возобновление, повторение). У этого термина есть синоним — редупликация. Репликация ДНК составляет основу многих основополагающих жизненных процессов, в частности, деления клеток, размножения организмов, передачи наследственных признаков от одного поколения к другому. Естественно, репликация, будучи основополагающим биологическим процессом, заслуживает отдельного рассмотрения. На рис. 6.6 приведена популярная схема процесса репликации. Ее автором является мексиканка М. Р. Вильярреал.

6

8

9

10

Рис. 6.6. Схема процесса репликации ДНК:

1 — отстающая нить; 2 — ведущая нить; 3 — ДНК-полимераза; 4 — ДНК-лигаза; 5 — РНК-праймер; 6 — праймаза; 7 — фрагмент Оказаки;

8 — ДНК-полимераза; 9 — хеликаза; 10 — одиночная нить со связанными белками; 11 — топоизомераза

Приведенная схема свидетельствует о том, что репликация осуществляется крупным комплексом, состоящим из ферментов, каждый из которых осуществляет некоторые функции, между которыми наблюдается высокой степени согласованность. В ее отсутствие процесс репликации нарушается и в конечном счете останавливается. Субстратом многих ферментов являются нуклеотид трифосфаты, которые состоят из трех остатков фосфорной кислоты, одного из пяти азотистых оснований и сахара (рибозы или дезоксирибоза). На рис. 6.3 изображен адениннуклеотид монофосфат. Нуклеотид трифосфаты устроены так же, как адениннуклеотид (но вместе одного остатка фосфорной кислоты присутствуют три). Наряду с ДНК и РНК нуклеотид трифосфаты (НТФ) являются важнейшими биомолекулами. Интересно, что подобно всем другим белкам они закодированы в ДНК. Следовательно, имеет место важнейшая в биологическом отношении обратная связь: ДНК направляют синтез белков, которые реплицируют ДНК.

254

Прежде чем обратиться непосредственно к механизму репликации ДНК, рассмотрим функции, выполняемые различными ферментами (табл. 6.3).

После разъяснения функций различных частей ферментативного комплекса нетрудно представить весь процесс репликации ДНК в виде последовательности некоторых этапов.

1.Хеликаза образует репликационную вилку.

2.Белки, связывающие одноцепочечную ДНК, предотвращают ее связывание с той цепью ДНК, от которой она отделилась.

3.ДНК-топоизомеразы помогают разрешить проблемы кручения и спутывания ДНК.

4.ДНК-праймазы образуют затравки (одну на лидирующей цепи

имного на отстающей, необходимых для синтеза фрагментов Оказаки), праймеры, без которых не может начаться процесс синтеза новой ДНК.

5.ДНК полимеразы синтезируют новые ветви ДНК.

6.Белки скользящей застежки увеличивают скорость репликации.

7.ДНК-лигазы соединяют ДНК-фрагменты в единую непрерывную

цепь.

255

8. Теломеразы удлиняют старую ДНК, что позволяет синтезировать еще один или несколько фрагментов Оказаки с тем, чтобы вновь образованная ДНК не была короче прежней. Без введения в действие теломеразы новая цепь короче старой постольку, поскольку ДНК-полимераза не способна начать с 5’-конца, а лишь достраивает 3’-конец.

Первые шесть этапов обычно называют инициацией репликации. Пятый и шестой этапы представляют собой пролонгацию (от лат. prolongare — удлинять), шестой и седьмой этап образуют терминацию (окончание) репликации. На стадии пролонгации выявляется весьма характерная для нее особенность, связанная с антипараллельностью двух ветвей репликативной вилки (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Репликативная вилка и две цепи репликации

Направление движения репликативной вилки является одним и тем же как для верхней, так и для нижней дочерней линии, синтез которых всегда осуществляется в направлении 5’—3’. Репликация начинается с затравки, праймера. Для верхней цепи достаточно одной затравки. После этого репликация осуществляется непрерывно вплоть до начала оси симметрии репликативной вилки. На нижней линии репликация не может осуществляться в сходном режиме, потому что движение к началу оси симметрии происходило бы в направлении 3’—5’. Природа нашла выход из затруднительного положения. На нижней цепи образуется много затравок. Единым репликативным движением их невозможно охватить. Но возможно реализовать короткие переходы в 5’—3’ направлениях, формируя фрагменты Оказаки. ДНК-полимераза удаляет РНК-затравки и заполняет бреши между фрагментами Оказаки. Затем все фрагменты ДНК нижней цепи сшиваются ДНК-лигазой в одну непрерывную цепь. Цепь, образованная посредством непрерывной репликации, называется ведущей, а другая, собранная из фрагментов Оказаки, отстающей.

В заключение параграфа отметим, что процесс репликации ДНК, равно как и набор ферментов с их функциональными особенностями, рассмотрен нами лишь в основных чертах. Многочисленные подробности пришлось опустить.

256

Выводы

•Репликация ДНК составляет основу многих основополагающих жизненных процессов, в частности передачи наследственных признаков от одного поколения

кдругому.

•Репликация проводится ферментативным комплексом. Каждый фермент выполняет специфические функции.

•Репликация ДНК осуществляется в несколько этапов, каковыми являются в частности инициация репликации, ее пролонгация и терминация.

•Одна из дочерних цепей ДНК является ведущей, а другая отстающей.

6.6. Транскрипция: синтез РНК на ДНК-матрице

Согласно принципу последовательности, информация переносится от ДНК к РНК и белкам: ДНК РНК белок. В связи с этим обратимся к содержанию транскрипции (от лат. transcriptio — переписывание), наряду с репликацией ДНК являющейся важнейшим генно-молекулярным механизмом. Транскрипция во многом похожа на репликацию, но, разумеется, у нее есть и многочисленные особенности. Одна из них состоит в том, что при выяснении содержания транскрипции непременно необходимо учитывать строение генов. Дело в том, что в репликации воспроизводятся все структурные единицы генов, чего нет при транскрипции.

Традиционно ген определяется как единица наследственной информации, детерминирующая выполнение организмом определенной функции. Ген состоит из регуляторной и кодирующей части. Транскрибируется только кодирующая часть, которая состоит из экзонов и интронов. Такая транскрипция характерна для незрелой РНК. Она находит свое продолжение в окончательной стадии транскрипции, при которой из незрелой РНК исключаются все интроны, а оставшиеся экзоны объединяются. В месте промотора с регуляторной частью гена связывается РНК-полимераза, которая в результате инициирует начало транскрипции на одной из двух цепей ДНК. На рис. 6.8 представлена схема устройства гена эукариотов, а также зрелой и незрелой РНК.

Незрелая РНК Интрон 1 Эксон 1 Интрон 2 Экзон 2 Интрон

Зрелая РНК Экзон 1 Экзон 2

Рис. 6.8. Схема устройства гена эукариотов и РНК

Некоторые из использованных выше терминов, очевидно, нуждаются в характеристике.

Промотор (от франц. promoteur — основатель, инициатор) — это последовательность нуклеотидов ДНК, которая позволяет регулировать

257

экспрессию генов. Он находится около 5’-гена и, следовательно, непосредственно перед той частью гена, которая кодирует РНК. Существенным признаком промотора является его специфическое взаимодействие с ДНК зависимыми белками, которые посредством РНК-полимеразы определяют начало транскрипции. Такие белки называются факторами транскрипции.

Наряду с промотором к регуляторной части гена относятся последовательности нуклеотидов, которые также оказывают существенное влияние на экспрессию генов. Энхансеры (англ. enhancer — усилитель, увеличитель) ее усиливают, а сайленсеры (от англ. silencer — глушитель) подавляют, но не сами по себе, а лишь в случае воздействия на них факторов транскрипции. Пространственное положение энхансеров и сайленсеров не является четко определенным, они могут находиться на меньшем или большем расстоянии от промотора.

Экзон (англ. expressed region — область выражения) — участок гена, кодирующий зрелую РНК и белки. Экзоны являются первичными генетическими единицами, от которых решающим образом зависит облик всего биологического мира. Именно их перекомбинация приводит к образованию новых генов и белков. Всего лишь 1,5% генного состава ДНК определяет синтез белков. Другая часть этого состава либо вообще не транскрибируется, либо определяет строение таких разновидностей РНК, например транспортных РНК, которые не обладают функцией синтеза белков.

Интрон (от англ. intervening regions — промежуточные области) — участок гена, который не содержит информации о зрелых РНК и белках. Биологические функции интронов изучены значительно хуже, чем функции экзонов. Большие споры вызывает также вопрос об их происхождении: то ли они возникли вместе с прокариотами, то ли вместе с эукаритотами или же даже позже их. В одном гене человека в среднем содержится 8,8 экзонов и 7,8 интронов, но интроны в среднем приблизительно в 25 раз длиннее экзонов.

После сказанного нетрудно представить в себе в основных чертах весь процесс транскрипции (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Транскрипция РНК

Этап инициации. Под воздействием ферментов, в частности энхансеров, присоединившись к промотору, РНК-полимераза разрывает азотистые основания (указаны на рис. 6.9 вертикальными короткими линиями) и выбирает ту ветвь ДНК, которая становится матрицей транскрипции (на рис. 6.9. это нижняя линия). Она также создает глазок транскрипции (на рис. 6.9. это треугольная крышечка). При этом для этапа элонгации

258

обнажается 10—20 пар неклеотидов. Интересно, что в случае транскрипции нет необходимости в формировании праймера, характерного для процесса репликации ДНК. Транскрипция обходится без праймера.

Этап элонгации. Под действием РНК-полимеразы в области транскрипционного глазка формируется РНК. В отличие от ДНК-полимеразы РНК-полимераза не способна корректировать правильность синтеза РНК цепи и исправлять допущенные ошибки. Если в процессе синтеза возникают затруднения, то движение РНК-полимеразы приостанавливается. В результате вероятность ошибочной сборки РНК снижается. Транскрипция не прекращается, глазок удаляется от промотера. В тех областях, которые миновал глазок, восстанавливается дуплексная структура ДНК. Цепь синтезируемой РНК постепенно удлиняется. Она растет в направлении 5 —3 .

Этап терминации. Он наступает в силу воздействия на РНК-полимеразу вспомогательных факторов. Как только область транскрипции достигается экзонуклеазами, транскрипция прекращается, а РНК-полимераза и РНК отделяются друг от друга. ДНК полностью восстанавливает свою дуплексную структуру.

До сих пор мы рассматривали транскрипцию РНК в самом общем плане, абстрагируясь от нескольких существенных обстоятельств, в частности, не учитывалось наличие различных типов как РНК, так и РНК-полимераз. Различают следующие типы РНК:

1)участвующие в синтезе белков;

2)участвующие в модификациях транскрибированных РНК, а также

врепликации ДНК;

3)регулирующие функционирование некоторых биологических единиц, например генов;

4)паразитарные РНК (часто саморазмножающиеся и входят в состав вирусов);

5)другие РНК (тип которых не поддается однозначной классифика-

ции).

Информация обо всех разновидностях РНК содержится в ДНК. Впрочем, не все они транскрибируются непосредственно на матричной ДНК. Некоторые РНК являются модификациями ранее транскрибированных РНК. Для нас, знакомящихся с основаниями молекулярной генетики, наибольший интерес представляют РНК, участвующих непосредственно

всинтезе белков. Их всего 5 типов (табл. 6.4).

259

* Информационная РНК — то же самое, что матричная РНК; ** SPR — сокр. англ. signal recognition particle — частицы, распознающие сигналы.

Транскрипция всех РНК происходит под действием определенных РНК-полимераз или их сочетаний. В табл. 6.5 приведены основные три типа РНК-полимераз.

* Малые (короткие) РГК отличаются от длинных РНК. Микро РНК являются разновидностью малых РНК, которые составляют 98% всего рибонуклеотидного материала.

В заключение параграфа отметим, что наряду с прямой транскрипцией возможна и обратная. Способностью транскрибировать РНК в ДНК обладают ретровирусы, в частности ВИЧ, ответственный за СПИД. Ретровирус встраивается в клетку. Специальный фермент обратная транскриптаза осуществляет транскрипцию РНК ДНК. Затем на полученной цепи ДНК как на матрице достраивается вторая цепь ДНК. После чего реализуется цикл ДНК РНК белки. Некоторые эукариоты содержат фермент теломеразу, которая также инициирует обратную транскрипцию. Феномен обратной транскрипции должен учитываться при формулировке принципа последовательности. Он не должен интерпретироваться в качестве отрицания обратной транскрипции.

Выводы

•Ген состоит из регуляторной и кодирующей части.

•Кодирующая часть гена включает экзоны и интроны.

•Интроны не транскрибируются в зрелую РНК.

•Транскрипция включает этапы инициации, элонгации и терминации.

•Существуют различные типы и виды как РНК, так и РНК-полимераз транскрипции.

•Синтез любой РНК осуществляет либо одна, либо несколько полимераз, причем не без участия белковых ферментов.

260