Синтез ДНК, РНК і білків

Тема сьогоднішньої лекції - синтез ДНК, РНК і білків. Синтез ДНК називається реплікацією або редуплікаціей (подвоєнням), синтез РНК - транскрипцією (переписування з ДНК), синтез білка, що проводиться рибосомою на матричної РНК називається трансляцією, тобто перекладаємо з мови нуклеотидів на мову амінокислот.

Ми постараємося дати короткий огляд всіх цих процесів, в той же час зупиняючись більш докладно на молекулярних деталях, для того щоб ви отримали уявлення, на яку глибину цей предмет вивчений.

Реплікація ДНК

Молекула ДНК, що складається з двох спіралей, подвоюється при діленні клітини. Подвоєння ДНК засноване на тому, що при розплітання ниток до кожної нитки можна добудувати комплементарних копію, таким чином отримуючи дві нитки молекули ДНК, що копіюють вихідну.

Тут також вказаний один з параметрів ДНК, це крок спіралі, на кожний повний виток припадає 10 пар основ, зауважимо, що один крок - це не між найближчими виступами, а через один, тому що в ДНК є мала борозенка й велика. Через велику борозенку з ДНК взаємодіють білки, які розпізнають послідовність нуклеотидів. Крок спіралі дорівнює 34 ангстрем, а діаметр подвійної спіралі - 20 ангстрем.

Реплікація ДНК здійснює фермент ДНК-полімераза. Цей фермент здатний нарощувати ДНК тільки на 3 - наприкінці. Ви пам'ятаєте, що молекула ДНК антипаралельних, різні її кінці називаються 3-кінець і 5 - кінець. При синтезі нових копій на кожної нитки одна нова нитка подовжується в напрямку від 5 до 3, а інша - в напрямку від 3 до 5-кінця. Однак 5 кінець ДНК-полімераза нарощувати не може. Тому синтез однієї нитки ДНК, тієї, яка зростає в "зручному" для ферменту напрямі, йде безперервно (вона називається лідируюча або провідна нитка), а синтез іншої нитки здійснюється короткими фрагментами (вони називаються фрагментами Окадзакі на честь вченого, який їх описав). Потім ці фрагменти зшиваються, і така нитка називається запізнюється, в цілому реплікація цієї нитки йде повільніше. Структура, яка утворюється під час реплікації, називається реплікативної вилкою.

Якщо ми подивимося в реплікуються ДНК бактерії, а це можна спостерігати в електронному мікроскопі, ми побачимо, що у неї спочатку утворюється "око", потім він розширюється, врешті-решт вся кільцева молекула ДНК виявляється реплікованих. Процес реплікації відбувається з великою точністю, але не абсолютною. Бактеріальна ДНК-полімераза робить помилки, то є вставляє не той нуклеотид, який був у матричної молекули ДНК, приблизно з частотою 10-6. У еукаріотів ферменти працюють точніше, тому що вони більш складно влаштовані, рівень помилок при реплікації ДНК у людини оцінюється як 10-7 -- 10 -8. Точність реплікації може бути різною на різних ділянках геном, є ділянки з підвищеною частотою мутацій і є ділянки більш консервативні, де мутації відбуваються рідко. І в цьому слід розрізняти два різні процеси: процес появи мутації ДНК і процес фіксації мутації. Адже якщо мутації ведуть до летального результату, вони не виявляться в наступних поколіннях, а якщо помилка не смертельна, вона закріпиться в наступних поколіннях, і ми зможемо її прояв спостерігати і вивчити. Ще однією особливістю реплікації ДНК є те, що ДНК-полімераза не може розпочати процес синтезу сама, їй потрібна «Запал». Звичайно як такої затравки використовується фрагмент РНК. Якщо мова йде про геномі бактерії, то там є спеціальна точка звана origin (витік, початок) реплікації, в цій точці знаходиться послідовність, яка розпізнається ферментом, що синтезують РНК. Він належить до класу РНК-полімерази, і в даному випадку називається Праймаза. РНК-полімерази не потребують запал, і цей фермент синтезує короткий фрагмент РНК - ту саму «Затравки», з якої починається синтез ДНК.

Транскрипція

Наступний процес - транскрипція. На ньому зупинимося докладніше.

Транскрипція - Синтез РНК на ДНК, тобто синтез комплементарної нитки РНК на молекулі ДНК здійснюється ферментом РНК-полімеразою. У бактерій, наприклад, кишкової палички - один РНК-полімераза, і всі бактеріальні ферменти дуже схожі один на одного; у вищих організмів (еукаріотів) - кілька ферментів, вони називаються РНК-полімераза I, РНК-полімераза II, РНК-полімераза III, вони також мають схожість з бактеріальними ферментами, але влаштовані складніше, до їх складу входить більше білків. Кожен вид еукаріотичної РНК-полімерази володіє своїми спеціальними функціями, тобто транскрибуються певний набір генів. Нитка ДНК, яка служить матрицею для синтезу РНК при транскрипції називається смисловий або матричної. Друга нитка ДНК називається некодірующей (комплементарна їй РНК не кодує білки, вона "безглузда ").

В процесі транскрипції можна виділити три етапи. Перший етап - ініціація транскрипції - початок синтезу нитки РНК, що утворюється перший зв'язок між нуклеотидами. Потім відбувається нарощування нитки, її подовження - елонгація, і, коли синтез завершений, відбувається термінації, звільнення синтезованої РНК. РНК-полімераза при цьому «злазить» з ДНК і готова до нового циклу транскрипції. Бактеріальна РНК-полімераза вивчена дуже детально. Вона складається з декількох білкових-субодиниць: двох