Биосинтез нуклеиновых кислот

Проблема биосинтеза белка и нуклеиновых кислот чрезвычайно интересная. При биосинтеза белка происходит реализация генетической (наследственной) информации, заложенной в ДНК, которая проявляется в виде воспроизведения соответствующих белковых и небелковых структур, их свойств и поведения целого организма.

1. Репликация — синтез дочерних молекул ДНК, идентичных материнской ДНК (ДНК -> ДНК). 2. Транскрипция — синтез на матрице ДНК молекул РНК, нуклеотид-последовательность которых комплементарная определенной области матрицы (ДНК> РНК) .На ДНК-матрицах образуются все три типа РНК — мРНК, рРНК, тРНК. 3. Трансляция — синтез белков, аминокислотная последовательность которых определяется нуклеотидной последовательностью мРНК (мРНК -> белок). 4. Репарация — ферментативное удаление и повторный синтез участков ДНК, получили повреждения под действием физических и химических агентов.

Биосинтез ДНК (репликация)
После того, как было установлено, что ДНК образуется путем построения на существующей молекуле новых цепей, возник вопрос каким образом происходит удвоение исходной молекулы. Были выдвинуты три гипотетических механизмы репликации.

— Консервативный механизм — при таком способе раскрутки спирали не происходит, существующая двойная спираль является матрицей для синтеза двух новых цепей. Новая спираль строится полностью из нового материала, существующая спираль остается неизменной.

— Полуконсервативный механизм — существующая спираль раскручивается, на каждом полинуклеотидных цепи комплементарно строится новый. Таким образом, новая двойная спираль является «гибридом» старого и нового цепей

— Дисперсивний механизм — существующая спираль разрывается на каждом полуобороте путем многократной фрагментации. Синтез новых цепей проходит на фрагментах, которые затем крест-накрест сливаются с отрезками нового материала. Каждый полинуклеотид ный цепь состоит из отрезков старого и нового материала, которые чередуются.

С целью выяснить, какой механизм является действительным Меселсон и Сталь провели эксперименты с меченой ДНК, содержащую в своем составе тяжелый изотоп азота. В результате исследования удалось выявить, что ДНК синтезируется за полуконсервативным механизмом.
Модель двойной спирали Уотсона-Крика не только описывает структуру ДНК, но и показывает, каким образом эта молекула может точно воспроизводиться. Поскольку нуклеотидные последовательности двух цепей молекулы ДНК комплементарные, то после разделения цепей материнской молекулы каждый из них служит матрицей для биосинтеза комплементарной дочерней цепи.

Выходные материнские и новосинтезированные дочерние цепи попарно соединяются, образуя две цепные молекулы ДНК, полностью идентичны материнской молекуле. Этот способ репликации ДНК называется напивконсерва-ным, поскольку в каждой дочерней ДНК сохраняется только один материнский цепь. Эксперименты действительно подтвердили напивконсер-вативний способ репликации, а не консервативный, при котором одна дочерняя молекула ДНК должна была бы иметь оба выходные цепи, а вторая состояла бы из двух новосинтезированной цепей.
Главными ферментами являются ДНК-зависимые ДНК-полимеразы. Клетки у прокариот и эукариот содержат несколько ДНК-полимеразы. Хорошо изучены ДНК-полимеразы I, II, III Е. coli. Большинство эукариотических клеток содержат ДНК-полимеразы а, Р, у. Кроме ДНК-полимеразы, в процессе репликации участвуют более 20 различных ферментов и белков, каждый из которых выполняет определенную функцию. Весь комплекс называют ДНК-репликазною системой или реплисомою.

Для репликации необходимые материнская двухцепочечная ДНК, четыре дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дАТФ, ДГ ТФ, дТТФ, дИДТФ), ионы Мд2 +, Zn2 +, ферменты и белковые факторы реплисомы. В кольцевых молекулах ДНК репликация начинается с определенного участка (нуклеотидной последовательности длиной 100-200 пар оснований) и протекает в обоих направлениях до полной репликации молекулы. Участок, является точкой начала роста в процессе репликации ДНК и имеет V-образную конфигурацию, называется реплика-тивной вилкой. Репликация ДНК эукариот начинается одновременно во многих местах; считают, что число точек начала репликации превышает тысячу. С каждой точки одновременно в противоположных направлениях движутся две репликативные вилки.

Перед точкой начала репликации под действием ферментов геликазу (от helix — спираль) небольшой участок двойной спирали расплетается, причем на разделение каждой пары оснований расходуется энергия гидролиза двух молекул АТФ. Далее к участку цепей, разделились, присоединяется несколько молекул ДНК-связанных белков, которые препятствуют обратному соединению цепей. Благодаря этому нуклеотидные последовательности цепей ДНК становятся доступными для действия ДНК-полимеразы. Последняя синтезирует новые цепи ДНК, комплементарные цепи матрицы. То есть, если в матричной цепи находится тимин, то в дочернем цепи на это место становится остаток аденина и наоборот. Аналогичным образом, если в матричной цепи стоит остаток цитозина, то в дочерней цепь включается остаток гуанина, и наоборот. Дезоксирибонуклеотидов присоединяются своей а-фосфатной группой к свободному гидроксила 3-конца цепи синтезируется. Энергия на образование каждого нового фосфодиэфирной-го связи обеспечивается отщеплением от дезоксирибонуклеозидтрифосфату пирофосфатных остатка.

Синтез новых цепей происходит только в направлении 5 ‘-> 3′, причем антипараллельно к матричной цепи.
Одна цепь (ведущий) синтезируется непрерывно в направлении движения репликативной вилки, а второй (отстающий) прерывисто с образованием фрагментов длиной около 2000 нуклеотидов у прокариот и значительно более коротких в эукариот. Эти так называемые фрагменты Оказаки (японский ученый, который впервые открыл их) синтезируются в направлении, противоположном движению репликативной вилки.
Главный фермент, который катализирует репликацию обеих цепей у прокариот — ДНК-полимераза III, а в эукариот — ДНК-полимераза а. Другие ДНК-полимеразы играют вспомогательную роль в репликации. При исследовании различных ДНК-полимеразы выяснилось, что они не способны начать синтез новой цепи, а присоединяют нуклеотиды к З’-ОН-конца цепи приманки. Приманкой служит короткий отрезок РНК, комплементарный матричной цепи ДНК. Такой олигонуклеотид называют праимером (от англ primer — приманка) и синтезируется он с помощью специфической РНК-полимеразы (праймазы или примазы).

Таким образом, синтез фрагмента Оказаки начинается с праймера, который после завершения синтеза фрагмента удаляется, а разрывы между фрагментами заполняются где-зоксирибонуклеотидамы под действием ДНК-полимеразы И. конце фрагменты Оказаки соединяются друг с другом с помощью фермента ДНК-лигазы. Два новых цепи, соединенные со своими комплементарными цепями, образуют две дочерние двойные спирали, каждая из которых содержит один материнский и один новосинтезированные цепь.

Важное значение имеет способность ДНК-полимеразы проявлять, кроме полимеразной активности, екзонуклеазну. Если в ходе репликации включится некомплементарны нуклеотид, фермент делает шаг назад, отщепляет неправильный нуклеотид и после этого снова продолжает полимеразные реакции. Благодаря такому корректировке частота ошибок при репликации ДНК не превышает одной ошибки на 109-1010 нуклеотидов.