Будова і функції ДНК

Молекула ДНК утворена двома полінуклеотидні ланцюгами, спірально закрученими один біля одного і разом навколо уявної осі, тобто являє собою подвійну спіраль (виняток - деякі ДНК-віруси мають одноцепочечную ДНК). Діаметр подвійної спіралі ДНК - 2 нм, відстань між сусідніми нуклеотидами - 0,34 нм, на один оборот спіралі доводиться 10 пар нуклеотидів. Довжина молекули може досягати декількох сантиметрів. Молекулярний вага - десятки і сотні мільйонів. Сумарна довжина ДНК ядра клітини людини - близько 2 м. У клітині ДНК утворює комплекси з білками і має специфічну просторову конформацію.

Мономер ДНК - нуклеотид (дезоксірібонуклеотідов) - складається із залишків трьох речовин: 1) азотистої основи, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентози) і 3) фосфорної кислоти. Азотисті основи нуклеїнових кислот відносяться до класів піримідинів і пуринів. Піримідинові підстави ДНК (мають в складі своєї молекули одне кільце) - тимін, цитозин. Пуринові основи (мають два кільця) - аденін і гуанін.

Моносахарид нуклеотиду ДНК представлений дезоксирибозою.

Назва нуклеотиду є похідним від назви відповідного підстави. Нуклеотиди і азотисті основи позначаються великими літерами.

З принципу комплементарності слід, що послідовність нуклеотидів одного ланцюга визначає послідовність нуклеотидів інший.

Ланцюги ДНК антіпараллельни (різноспрямовані), тобто нуклеотиди різних ланцюгів розташовуються в протилежних напрямках, і, отже, навпаки 3'-кінця одного ланцюга знаходиться 5'-кінець інший. Молекулу ДНК іноді порівнюють з гвинтовими сходами. «Перила» цих сходів - сахарофосфатний остов (чергуються залишки дезоксирибози і фосфорної кислоти); "Сходинки" - комплементарні азотисті основи.

Функція ДНК - зберігання і передача спадкової інформації.

Реплікація (від лат. Replicatio - відновлення) - процес синтезу дочірньої молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти на матриці батьківської молекули ДНК. В ході подальшого поділу материнської клітини кожна дочірня клітина отримує по одній копії молекули ДНК, яка є ідентичною ДНК вихідної материнської клітини. Цей процес забезпечує точну передачу генетичної інформації з покоління в покоління. Реплікацію ДНК здійснює складний ферментний комплекс, що складається з 15-20 різних білків, званий реплісомой

Реплікація ДНК - ключова подія в ході поділу клітини. Принципово, щоб до моменту розподілу ДНК була реплицирована повністю і при цьому тільки один раз. Це забезпечується певними механізмами регуляції реплікації ДНК. Реплікація проходить в три етапи: ініціація реплікації; елонгація; термінація реплікації.

Регуляція реплікації здійснюється в основному на етапі ініціації. Це досить легко можна здійснити, тому що реплікація може починатися не з будь-якої ділянки ДНК, а зі строго певного, званого сайтом ініціації реплікації. У геномі таких сайтів може бути як всього один, так і багато. З поняттям сайту ініціації реплікації тісно пов'язане поняття реплікон. Реплікон - це ділянка ДНК, який містить сайт ініціації реплікації і реплицируется після початку синтезу ДНК з цього сайту. Геноми бактерій, як правило, представляють собою один реплікон, це означає, що реплікація всього генома є наслідком всього одного акта ініціації реплікації. Геноми еукаріот (а також їх окремі хромосоми) складаються з великого числа самостійних репліконов, це значно скорочує сумарний час реплікації окремої хромосоми. Молекулярні механізми, які контролюють кількість актів ініціації реплікації в кожному сайті за один цикл поділу клітини, називаються контролем копийности. У бактеріальних клітинах крім хромосомної ДНК часто містяться плазміди, які представляють собою окремі реплікони. У плазмід існують свої механізми контролю копийности: вони можуть забезпечувати синтез як всього однієї копії плазміди за клітинний цикл, так і тисяч копій [1].

Реплікація починається в сайті ініціації реплікації з розплітання подвійної спіралі ДНК, при цьому формується репликационная вилка - місце безпосередній реплікації ДНК. В кожному сайті може формуватися одна або дві Реплікаційний вилки в залежності від того, чи є реплікація одно- або двобічної. Більш поширена двунаправленная реплікація. Через деякий час після початку реплікації в електронний мікроскоп можна спостерігати реплікаційний вічко - ділянка хромосоми, де ДНК вже реплицирована, оточений більш протяжними ділянками нерепліцірованной ДНК.

У вилці реплікації ДНК копіює великий білковий комплекс (реплісома), ключовим ферментом якого є ДНК-полімераза. Репликационная вилка рухається зі швидкістю близько 100 000 пар нуклеотидів в хвилину у прокаріотів і 500-5000 - у еукаріот.

Молекулярний механізм реплікації

Ферменти (ХЕЛІКАЗИ, топоізомераза) і ДНК-зв'язуючі білки розплітає ДНК, утримують матрицю в розведеному стані і обертають молекулу ДНК. Правильність реплікації забезпечується точною відповідністю комплементарних пар основ і активністю ДНК-полімерази, здатної розпізнати і виправити помилку. Реплікація у еукаріот здійснюється кількома різними ДНК-полімерази. ДНК-полімераза I діє на запізнілої ланцюга для видалення РНК-праймерів і дореплікаціі очищених місць ДНК. ДНК полімераза III - основний фермент реплікації ДНК, який здійснює синтез провідної ланцюга ДНК і фрагментів Окадзакі при синтезі запізнілої ланцюга. Далі відбувається закручування синтезованих молекул за принципом суперспіралізації і подальшої компактизації ДНК. Синтез енерговитратний.

Ланцюги молекули ДНК розходяться, утворюють вилку реплікації, і кожна з них стає матрицею, на якій синтезується нова комплементарна ланцюг. В результаті утворюються дві нові двоспіральні молекули ДНК, ідентичні батьківській молекулі.

Характеристики процесу реплікації:

матричний - послідовність синтезується ланцюга ДНК однозначно визначається послідовністю материнської ланцюга відповідно до принципу комплементарності;

· Напівконсервативний - одна ланцюг молекули ДНК, що утворилася в результаті реплікації, є знову синтезованої, а друга - материнської;

· Йде в напрямку від 5'-кінця нової молекули до 3'-кінця;

· Напівбезперервний - одна з ланцюгів ДНК синтезується безперервно, а друга - у вигляді набору окремих коротких фрагментів (фрагментів Окадзакі);

· Починається з певних ділянок ДНК, які називаються сайтами ініціації реплікації.

Генетичний код - це система запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот, заснована на певному чергуванні послідовностей нуклеотидів в ДНК або РНК, що утворюють кодони, відповідні амінокислотам в білку.

Генетичний код має кілька властивостей.

2.Вирожденность або надмірність.

Генетичний код, як і багато складно організовані система має найменшу структурну і найменшу функціональну одиницю. Триплет - найменша структурна одиниця генетичного коду. Складається вона з трьох нуклеотидів. Кодон - найменша функціональна одиниця генетичного коду. Як правило, кодонами називають триплети іРНК. У генетичному коді кодон виконує кілька функцій. По-перше, головна його функція полягає в тому, що він кодує одну амінокислоту. По-друге, кодон може не кодувати амінокислоту, але, в цьому випадку, він виконує іншу функцію (див. Далі). Як видно з визначення, триплет - це поняття, яке характеризує елементарну структурну одиницю генетичного коду (три нуклеотидів). Кодон - характеризує елементарну смислову одиницю генома - три нуклеотиду визначають приєднання до поліпептидного ланцюжка однієї амінокислоти.

Елементарну структурну одиницю спочатку розшифрували теоретично, а потім її існування підтвердили експериментально. І дійсно, 20 амінокислот неможливо закодувати одним або двома нуклеотидом тому останніх всього 4. Три нуклеотиду з чотирьох дають 4 3 = 64 варіанта, що з надлишком перекриває кількість наявних у живих організмах амінокислот.

Представлені в таблиці 64 поєднання нуклеотидів мають дві особливості. По-перше, з 64 варіантів кодонів тільки 61 є кодонами і кодують якусь амінокислоту, їх називають смислові кодони. Три триплета НЕ кодіруютамінокіслот а є стоп-сигналами, що позначають кінець трансляції. Таких триплетів три - УАА, УАГ, УГА. їх ще називають «безглузді» (нонсенс кодони). В результаті мутації, яка пов'язана з заміною в триплеті одного нуклеотиду на інший, з смислового кодону може виникнути безглуздий кодон. Такий тип мутації називають нонсенс-мутація. Якщо такий стоп-сигнал сформувався всередині гена (в його інформаційної частини), то при синтезі білка в цьому місці процес буде постійно перериватися - синтезуватися буде тільки перша (до стоп-сигналу) частину білка. У людини з такою патологією буде відчуватися нестача білка і виникнуть симптоми, пов'язані з цією нестачею. Наприклад, такого роду мутація виявлена ​​в гені, що кодує бета-ланцюг гемоглобіну. Синтезується укорочена неактивна ланцюг гемоглобіну, яка швидко руйнується. В результаті формується молекула гемоглобіну позбавлена ​​бета-ланцюга. Зрозуміло, що така молекула навряд чи буде повноцінно виконувати свої обов'язки. Виникає важке захворювання, що розвивається по типу гемолітичної анемії (бета-нуль талассемия, від грецького слова «Талас» - Середземне море, де ця хвороба вперше виявлена).

Механізм дії стоп-кодонів відрізняється від механізму дії смислових кодонів. Це випливає з того, що для всіх кодони, що кодують амінокислоти, знайдені відповідні тРНК. Для нонсенс-кодонів тРНК не знайдені. Отже, в процесі зупинки синтезу білка тРНК не приймає участь.

Пластичний обмін (асиміляція або анаболізм) - сукупність реакцій біологічного синтезу. Назва цього виду обміну відображає його сутність: з речовин, що надходять в клітину ззовні, утворюються речовини, подібні речовинам клітини.

Розглянемо одну з найважливіших форм пластичного обміну - біосинтез білків. Біосинтез білків здійснюється в усіх клітинах про -і еукаріот. Інформація про первинну структуру (порядку амінокислот) білкової молекули закодована послідовністю нуклеотидів в відповідній ділянці молекули ДНК - гені.

Ген- це ділянка молекули ДНК, що визначає порядок амінокислот в молекулі білка. Отже, від порядку нуклеотидів в гені залежить порядок амінокислот в поліпептиди, тобто його первинна структура, від якої в свою чергу залежать всі інші структури, властивості і функції білкової молекули.

Початок процесу трансляції визначає кодон-ініціатор (АУГ, в ДНК - ТАЦ), що кодує амінокислоту метіонін. Цей кодон першим входить в рибосому. Згодом метіонін, якщо він не передбачений в якості першої амінокислоти даного білка, відщеплюється.

Для того, щоб синтезировался білок, інформація про послідовність нуклеотидів в його первинну структуру повинна бути доставлена ​​до рибосом. Цей процес включає два етапи - транскрипцію і трансляцію.

Транскрипція (переписування) інформації відбувається шляхом синтезу на одному з ланцюжків молекули ДНК одноцепочной молекули РНК, послідовність нуклеотидів якої точно відповідає послідовності нуклеотидів матриці - полінуклеотидних ланцюга ДНК.

Вона (і - РНК) є посередником, передає інформацію від ДНК до місця збірки молекул білка в рибосомі. Синтез і - РНК (транскрипція) відбувається наступним чином. Фермент (РНК - полімераза) розщеплює подвійну ланцюжок ДНК, і на одній з її ланцюгів (кодує) за принципом комплементарності шикуються нуклеотиди РНК. Синтезована таким чином (матричний синтез) молекула і - РНК виходить в цитоплазму, і на один її кінець нанизуються малі субодиниці рибосом.

Другий етап в біосинтезі білка - трансляція - це переклад послідовності нуклеотидів в молекулі і - РНК в послідовність амінокислот в поліпептиди. У прокаріотів, які не мають оформленого ядра, рибосоми можуть зв'язуватися з знову синтезованої молекулою і - РНК відразу ж після її відділення від ДНК або навіть до повного завершення її сінтеза.У еукаріот і - РНК спочатку повинна бути доставлена ​​через ядерну оболонку в цитоплазму. Перенесення здійснюється спеціальними білками, які утворюють комплекс з молекулою і - РНК. Крім функцій перенесення ці білки захищають і - РНК від шкідливої ​​дії цитоплазматичних ферментів.

У цитоплазмі на один з кінців і - РНК (а саме на той, з якого починається синтез молекули в ядрі) вступає рибосома і починається синтез поліпептиду. У міру просування по молекулі РНК рибосома транслює триплет за кодоном, послідовно приєднуючи амінокислоти до зростаючого кінця поліпептидного ланцюга. Точна відповідність амінокислоти коду триплета і - РНК забезпечується т - РНК.

Транспортні РНК (т - РНК) «приносять» амінокислоти в більшу субодиницю рибосоми. Молекула т - РНК має складну конфігурацію. На деяких ділянках її між комплементарними нуклеотидами утворюються водневі зв'язки, і молекула за формою нагадує лист конюшини. На її верхівці розташований триплет вільних нуклеотидів (антикодон), який відповідає певній амінокислоті, а підстава служить місцем прикріплення цієї амінокислоти.

Кожна т - РНК може переносити тільки свою амінокислоту. Т-РНК активується спеціальними ферментами, приєднує свою амінокислоту і транспортує її в рибосому. Усередині рибосоми в кожен даний момент знаходиться всього два кодону і-РНК. Якщо антикодон т-РНК є комплементарним кодону і-РНК, то відбувається тимчасове приєднання т-РНК з амінокислотою до і-РНК. До другого кодону приєднується друга т-РНК, що несе свою амінокислоту. Амінокислоти розташовуються поруч у великій субодиниці рибосоми, і за допомогою ферментів між ними встановлюється пептидний зв'язок. Одночасно руйнується зв'язок між першою амінокислотою і її т-РНК, і т-РНК йде з рибосоми за наступною амінокислотою. Рибосома переміщується на один триплет, і процес повторюється. Так поступово нарощується молекула поліпептиду, в якій амінокислоти розташовуються в суворій відповідності з порядком кодують їх триплетів (матричний синтез).

Одна рибосома здатна синтезувати повну поліпептидний ланцюг. Однак, нерідко по одній молекулі і-РНК рухається кілька рибосом. Такі комплекси називаються полірібосомамі. Після завершення синтезу полипептидная ланцюжок відокремлюється від матриці - молекули і-РНК, згортається в спіраль і набуває властиву їй (вторинну, третинну або четвертинних) структуру. Рибосоми працюють дуже ефективно: протягом 1с бактеріальна рибосома утворює поліпептидний ланцюг з 20 амінокислот.