растягивают остовы цепей, делая их азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами, находящимися в нуклеоплазме. На каждой из цепей, образующихся в области редупликации, при участии фермента ДНК-полимеразы осуществляется синтез дочерних комплементарных цепей.
Редупликация молекул ДНК происходит с удивительной точностью: новые молекулы абсолютно идентичны старой. В этом заключается глубокий биологический смысл, потому что нарушение структуры ДНК, приводящие к искажению генетического кода, сделали бы невозможным сохранение и передачу по наследству генетической информации, обеспечивающей развитие полезных для организма признаков. И всё же под воздействием химических и физических факторов (ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, повышенная температура) правильность структуры вновь синтезированной молекулы ДНК может нарушаться. Для ликвидации этих нарушений существует специальный фермент, который «узнаёт» участок молекулы ДНК, не сходный с матрицей, и выщепляет его, после чего недостающий участок достраивается . Таким образом, консерватизм наследственности обеспечивают матричный синтез ДНК и система восстановления повреждённых участков молекулы.
9.4.4. Использование генетической информации в процессах жизнедеятельности. Синтез белка
Наследственная информация, записанная с помощью генетического кода, хранится в молекулах ДНК и размножается для того, чтобы обеспечить вновь образуемые клетки необходимыми «инструкциями» для их развития и
функционирования. Вместе с тем непосредственного участия в жизнеобеспечении клеток ДНК не принимает. Роль посредника, функцией которого является перевод наследственной информации, хранящейся в ДНК, в рабочую форму, играют рибонуклеиновые кислоты – РНК.
В отличие от молекул ДНК рибонуклеиновые кислоты представлены одной полинуклеотидной цепью, которая состоит из четырёх разновидностей нуклеотидов, содержащих сахар – рибозу (вместо дезоксирибозы), остаток фосфорной кислоты и одно из четырёх азотистых оснований – аденин, гуанин, цитозин или урацил (вместо тимина). В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путём образования ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. РНК синтезируются на молекулах ДНК при помощи ферментов РНК-полимераз с соблюдением принципа комплементарности, причём аденину ДНК в РНК комплементарен урацил. Всё многообразие РНК, действующих в клетке, в зависимости от функции и местонахождения можно разделить на три вида:
информационные РНК (иРНК), транспортные РНК (тРНК)
и рибосомные РНК (рРНК). Каждая из этих РНК синтезируется на определённом участке ДНК.
Процесс синтеза иРНК, который называют транскрипцией – переписыванием информации, начинается с обнаружения РНК-полимеразой особого участка в молекуле ДНК, указывающего место начала транскрипции – промотора. После присоединения к промотору РНКполимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК. Две цепи ДНК в этом месте расходятся, и на одной из них фермент осуществляет синтез иРНК (рис. 9.9). Размер иРНК зависит от длины участка ДНК, на котором она была
синтезирована. Молекулы иРНК могут состоять из 300– 30 000 нуклеолтидов.
Рис. 9.9. Синтез иРНК (транскрипция). В месте синтеза иРНК цепи ДНК расходятся (расплетаются).
.
В процессе синтеза, по мере продвижения РНКполимеразы вдоль молекулы ДНК, пройденные ею одноцепочечные участки ДНК вновь объединяются в двойную спираль. Образуемая в ходе транскрипции иРНК содержит точную копию информации, записанной в соответствующем участке ДНК. Тройки рядом стоящих нуклеотидов иРНК, шифрующие аминокислоты, называются кодонами. Последовательность кодонов иРНК шифрует последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Кодонам иРНК соответствуют определённые аминокислоты (рис. 9.10).
Важная роль в процессе использования наследственной информации клеткой принадлежит транспортной РНК, состоящей из 75–95 нуклеотидов (рис. 9.11). Доставляя
необходимые аминокислоты к месту сборки пептидных цепей, тРНК выполняет функцию трансляционного посредника. Транспортные РНК по принципу комплементарности (взаимного соответствия) «узнают» участок (триплет) иРНК, соответствующий переносимой аминокислоте, и осуществляют ориентацию аминокислоты на рибосоме. Установлено существование нескольких типов тРНК, способных соединяться с одним и тем же кодоном, и некоторых типов тРНК, которые узнают несколько кодонов. В результате в цитоплазме клеток встречается не 61 (по количеству кодонов), а около 40 различных молекул тРНК. Этого количества достаточно, чтобы транспортировать 20 разных аминокислот к месту сборки белка.
Рис. 9.10. Соотношение последовательности триплетов ДНК, РНК и аминокислот в белковой молекуле.
Процесс взаимодействия иРНК и тРНК, обеспечивающий трансляцию информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, осуществляется на рибосомах. Последние
представляют собой сложные комплексы рРНК и разнообразных белков, в которых первые образуют каркас. Рибосомные РНК содержат от 3000 до 5000 нуклеотидов и являются не только структурным компонентом рибосом, но и обеспечивают связывание их с определённой нуклеотидной последовательностью иРНК. Этим устанавливается начало и рамка считывания при образовании пептидной цепи. Кроме того, они обеспечивают взаимодействие рибосомы и тРНК. Многочисленные белки, входящие в состав рибосом наряду с рРНК, выполняют как структурную, так и ферментативную роль.
Рис. 9.11. Схема строения тРНК: А, Б, В, Г – участки комплементарного соединения внутри одной цепочки РНК; Д – активный центр (участок соединения с аминокислотой); Е – участок комплементарного соединения с молекулой иРНК.
Рассмотрим процесс синтеза белка (рис. 9.12). В цитоплазме на один из концов информационной РНК, а именно на тот, с которого начинается синтез иРНК в ядре, вступает рибосома и начинается синтез полипептида. Рибосомная РНК удерживает иРНК и поступающую в рибосому тРНК, а также выступает катализатором процесса синтеза белков. По мере продвижения по молекуле иРНК рибосома транслирует триплет за триплетом, т. е. переводит последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи, присоединяя последовательно аминокислоты к растущему концу полипептидной цепи.
тРНК
Большая субъединица рибосомы
иРНК
Малая субъединица рибосомы
Рис. 9.12. Синтез белковой молекулы. Аминокислоты:
Ала – аланин; Вал – валин; Лей – лейцин; Три – триптофан; Фен – фенилаланин.