АСЕЕВ В.В.

Курс «Молекулярные основы процессов жизнедеятельности»

УЧЕБНЫЙ ПЛАН КУРСА

Лекция № 6. Биосинтез нуклеиновых кислот

В прошлой лекции мы говорили о проблемах, возникающих при синтезе нерегулярных гетерополимеров с уникальной структурой. Помимо белков такими полимерами являются нуклеиновые кислоты. В отличие от белков, нуклеиновые кислоты построены из мономеров четырех типов, способных специфически взаимодействовать друг с другом по принципу комплементарности. Этот принцип и лежит в основе биосинтеза нуклеиновых кислот.

Напомню, что комплементарные пары являются не единственными, которые могут образовывать основания нуклеиновых кислот, но все некомплементарные пары имеют другие размеры. Это дает возможность ферментам, осуществляющим синтез нуклеиновых кислот, отличать комплементарные пары от некомплементарных и находить правильные нуклеотиды для присоединения к синтезируемой молекуле. При этом в основе биосинтеза нуклеиновых кислот, как и биосинтеза белков, лежит матричный принцип, т.е. новая молекула строится на ранее существующей как ее отпечаток, или реплика.

В случае ДНК происходит удвоение числа молекул, и образованные молекулы являются точной копией материнских. Этот процесс носит название репликации. При репликации возникает еще одна проблема. ДНК имеет двуспиральную структуру, в которой основания уже образуют комплементарные пары, а нити как бы намотаны одна на другую. Поэтому перед началом синтеза ДНК необходимо разделить нити и сделать основания доступными для образования новых пар. Этот процесс требует довольно больших затрат энергии, поскольку структура двойной спирали ДНК поддерживается большим числом водородных связей.

Расплетание ДНК в клетке осуществляют специальные ферменты, называемые хеликазами (от лат. helix – спираль). Такой фермент движется вдоль молекулы ДНК и разделяет ее нити. Эти процессы осуществляются за счет энергии гидролиза АТФ, т.е. хеликазы являются также АТФазами. Молекулы ДНК имеют большую длину, а хеликазы, передвигаясь вдоль них, расплетают лишь небольшой участок, поэтому две нити ДНК не расходятся полностью.

Возникшие в результате однонитевые участки нестабильны. С одной стороны, они стремятся восстановить двунитевую структуру, а т.к. они комплементарны и связаны друг с другом, это может произойти легко и быстро. С другой стороны, однонитевая ДНК может легко разорваться. Поэтому образовавшиеся однонитевые участки покрываются специальным белком, связывающимся только с однонитевой ДНК, защищающим ее и мешающим ей восстановить двуспиральную структуру. Только после этого начинается синтез новой ДНК.

Его проводит фермент ДНК-полимераза. Особенность этого фермента состоит в том, что он осуществляет присоединение новых нуклеотидов к концу уже существующей цепочки в том случае, если она связана с более длинной комплементарной цепью. Но после расплетания ДНК образовались однонитевые участки, а концов, которые можно было бы удлинять, нет. Поэтому перед началом работы ДНК-полимеразы специальный фермент синтезирует короткие молекулы РНК, служащие затравками, к концам которых ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды.

Поскольку для образования связей между нуклеотидами нужна энергия, используются трифосфаты нуклеотидов, содержащих дезоксирибозу, т.е. дезокси-АТФ, дезокси-ГТФ, дезокси-ЦТФ и дезокси-ТТФ. Эти нуклеотиды содержат по две макроэргические связи, энергии которых с избытком хватает на образование межнуклеотидных связей и на перемещение молекулы ДНК-полимеразы вдоль нити ДНК.

То, какой нуклеотид будет присоединен, определяется матричной цепью. Против аденина в матрице фермент присоединяет тимин, против тимина – аденин, против гуанина – цитозин, а против цитозина – гуанин. В таком случае фосфат присоединяемого нуклеотида будет находиться рядом с гидроксилом предшествующего, и между ними будет образовываться связь (рис. 1). Если же в ферменте окажется другой, некомплементарный, нуклеотид, фосфат и гидроксил окажутся на достаточно большом расстоянии друг от друга, и связь между ними образоваться не сможет.

Рис. 1

В результате работы ДНК-полимеразы образуется вторая нить ДНК, комплементарная матричной, т.е. образуется двуспиральная молекула, такая же, как и до начала синтеза.

Однако такой процесс может идти лишь на одной из двух матричных нитей. Так как фосфат в нуклеотидах присоединен к 5 положению дезоксирибозы, то вторую связь он должен образовывать с гидроксилом в 3 положении предыдущего нуклеотида, т.е. цепочка ДНК наращивается на 3'-конце. Это значит, что синтез начинается всегда с 5'-конца и идет в направлении к 3'-концу. В двуспиральной ДНК комплементарные нити направлены в противоположные стороны, поэтому по одной из них фермент движется в направлении от 3'-конца к 5'-концу вслед за хеликазой и синтезирует новую нить ДНК от 5'-конца к 3'-концу.

По второй матричной нити фермент должен двигаться от 5'-конца к 3'-концу и синтезировать цепочку от 3'-конца к 5'-концу, чего он делать не может. Поэтому синтез на этой нити идет в виде отдельных, относительно коротких фрагментов.

После того, как хеликаза расплела достаточно протяженный участок, непосредственно за ней образуется затравка и ДНК-полимераза начинает удлинять ее, двигаясь в направлении, противоположном движению хеликазы. Дойдя до конца однонитевого участка, она заканчивает работу и отделяется от матрицы. За это время хеликаза расплетает новый участок, в конце которого образуется новая затравка и начинается синтез нового фрагмента ДНК.

Таким образом, по одной матричной нити синтез идет непрерывно, а на второй синтезируются отдельные фрагменты (рис. 2). Затем специальный фермент удаляет РНК-затравки, и ДНК-полимераза застраивает образовавшиеся бреши. Однако она не может соединить между собой фрагменты, синтезированные на второй нити. Для этого в клетках есть фермент, называемый ДНК-лигаза. Она образует связь между последним нуклеотидом одного фрагмента и первым нуклеотидом следующего с использованием энергии АТФ.

Рис. 2

После того, как синтез пройдет вдоль всей молекулы ДНК-матрицы, образуются две двуспиральные молекулы, идентичные материнской. При этом в каждой молекуле одна из нитей будет старой, входившей в состав материнской ДНК и служившей матрицей при синтезе, а вторая – вновь синтезированной. Механизм синтеза, дающий такой продукт, получил название полуконсервативного.

Важным свойством процесса синтеза ДНК является высокая точность. Обычно при репликации совершается не более одной ошибки на 1 млрд присоединенных нуклеотидов. Это значит, что у бактерий, например, один неправильный нуклеотид приходится на тысячу клеток. Понятно, что такая точность позволяет живым организмам сохранять свои генетические свойства в неограниченном ряду поколений.

Однако некоторое количество ошибок при репликации ДНК все же происходит. Кроме того, на ДНК в клетке воздействуют различные химические и физические факторы, вызывающие изменение оснований в ДНК или ее разрывы. Это должно приводить к возникновению мутаций или гибели клетки.

Чтобы предотвратить такие последствия, существует большая группа ферментов, которые узнают участки ДНК, в которых нарушается принцип комплементарности, т.е. расстояния между цепями ДНК отличаются от обычных или одно из оснований в паре отсутствует. В таких участках разрушается поврежденная нить, и это место застраивается ДНК-полимеразой с образованием правильных пар оснований. Этот процесс называется репарацией ДНК. У некоторых микроорганизмов ферменты репарации работают так активно, что эти микроорганизмы могут жить в воде охлаждающих контуров ядерных реакторов в условиях очень высокой радиации.

Синтез РНК, или транскрипция, также осуществляется по принципу комплементарности, но во многом отличается от синтеза ДНК. Матрицей для синтеза РНК служит ДНК, а осуществляется этот процесс ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой (рис. 3).

Рис. 3

В отличие от ДНК-полимеразы, этому ферменту не нужна затравка, а синтез он начинает с определенной последовательности ДНК. Эта последовательность стоит перед началом каждого гена и называется промотор (на рисунке обозначена прямоугольником). Она не симметрична, поэтому синтез на ней идет только в одном направлении. Фермент присоединяется к промотору, затем происходит расплетание ДНК на участке, закрытом ферментом.

На одной нити, идущей в направлении от 3'-конца к 5'-концу, происходит присоединение комплементарных нуклеотидов, содержащих рибозу в направлении от 5'-конца к 3'-концу. При этом против аденина в ДНК-матрице ставится урацил. Заполнив весь расплетенный участок, фермент начинает двигаться по матрице в сторону 5'-конца, расплетая соседние пары нуклеотидов матрицы.

В отличие от ДНК-полимеразы, РНК-полимераза не оставляет продукт синтеза в комплексе с матрицей, а вытесняет его и восстанавливает за собой исходную структуру ДНК. Так продолжается до тех пор, пока РНК-полимераза не достигнет специальной последовательности в ДНК, стоящей в конце гена. Здесь фермент сам, либо при помощи вспомогательных белков отделяется от матрицы и освобождает из комплекса синтезированную РНК.

В результате образовавшаяся РНК содержит информацию, соответствующую одному гену. У бактерий часто бывает, что считывается информация не с одного гена, а с группы расположенных рядом и обычно функционально связанных генов. Такая группа генов называется оперон.

В отличие от ДНК, молекулы которой имеют размеры от нескольких тысяч до сотен миллионов нуклеотидов, размеры молекул РНК в большинстве случаев не превосходят нескольких тысяч нуклеотидов. При этом все клеточные РНК синтезируются на матрице ДНК. Так как матрица на данном участке считывается только в одном направлении, вторая цепь РНК не образуется, и вся клеточная РНК имеет однонитевую форму. Это не значит, что молекулы РНК представляют собой втянутые линейные структуры. РНК, так же, как и белки, сворачивается определенным образом, зависящим от ее нуклеотидной последовательности. При этом образуются короткие двуспиральные участки за счет комплементарности небольших последовательностей внутри одной молекулы РНК.

В клетках всех организмов существует 3 основных класса РНК. Первый из них несет информацию о последовательности аминокислот в белках и служит матрицей для биосинтеза белка. Эти РНК называются информационными, или матричными (мРНК, или иРНК). Это наиболее многообразный класс РНК – число их видов должно соответствовать числу синтезируемых белков, т.е. нескольким тысячам. При этом количество молекул каждого вида относительно невелико, некоторых видов мРНК в клетке бывает всего несколько молекул.

Второй класс РНК – рибосомные РНК (рРНК). Они образуют рибосомы – частицы, осуществляющие синтез белка в клетке. В каждую рибосому входят три или четыре разные молекулы РНК, но во всех рибосомах данного организма эти РНК одинаковы. На долю рибосомных РНК приходится до 80% всей РНК клетки. Эти РНК определенным образом свернуты в сложную и довольно прочную структуру, причем способ сворачивания примерно одинаков у всех организмов.

Третий класс РНК – транспортные РНК (тРНК). Это небольшие РНК (70–90 нуклеотидов), выполняющие функции активации и переноса аминокислот к месту синтеза белка. Число видов таких РНК несколько больше числа аминокислот, входящих в белки. Каждая тРНК переносит только одну определенную аминокислоту.

Таким образом, основные классы РНК участвуют в биосинтезе белка и определяют все стадии этого процесса. Кроме того, встречается несколько видов РНК, имеющих, как правило, небольшие размеры, которые существуют не у всех живых организмов. Эти РНК участвуют в процессах модификации РНК, необходимой для многих основных РНК эукариот, в регуляции биосинтеза белка и нуклеиновых кислот и т.д. Некоторые РНК обладают каталитическими функциями. Для многих РНК функции до сих пор не известны.

В последние годы открываются всё новые и новые виды РНК, некоторые из которых находят вне живых организмов. Это позволяет предположить, что мы еще далеко не полностью представляем себе роль РНК в процессах жизнедеятельности.

Литература

Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. – М.: Мир, 1992.

Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. – М.: Мир, 1980.

Вопросы для самостоятельной работы

1. Что происходит перед началом синтеза новой цепи ДНК?

2. Почему ДНК-полимераза присоединяет к растущей цепи только нуклеотиды, комплементарные матричной цепи?

3. Какие ферменты участвуют в репликации ДНК?

4. Что такое репарация ДНК?

5. В чем основные отличия транскрипции от репликации?

6. Каковы основные классы клеточных РНК?