Информационные матричные процессы на молекулярном уровне

В данном параграфе подробно рассмотрено, как реализуются основные процессы переноса и трансформации генетической информации в клетке, а также принципы формирования пространственных структур белками и нуклеиновыми кислотами как неотъемлемые части процесса реализации этой информации. Отметим, что данный параграф не ставит целью детальное описание молекулярной биологии клетки, а лишь служит формированию у читателя общего понимания происходящего и ознакомления с соответствующей терминологией. Для подробного изучения упомянутых ниже процессов и структур следует обратиться к специальной литературе.

Репликация

Репликация — это процесс удвоения ДНК. В результате репликации из одной двуцеиочечной молекулы, т. е. молекулы, состоящей из параллельной и антипараллелыюй комплементарных цепей, формируются две двуцепочечные молекулы, практически идентичные исходной^[1]. Биологический смысл репликации состоит в том, что поскольку ДНК несет в закодированном виде всю информацию о строении и моделях функционирования организма, то при делении клеток этого организма необходимо обеспечить передачу полной копии всей информации в каждую из дочерних клеток.

В основе процесса репликации лежит принцип комплементарное™ оснований. Сама репликационная машина (ДНК-зависимая ДНК-полимераза) состоит из множества компонентов, мы перечислим лишь некоторые ключевые элементы.

Перед тем как осуществлять репликацию, необходимо снять суперспирализацию (см. подпараграф 1.2.5) и развернуть спираль ДНК, что осуществляется ферментом тоноизомеразой. Далее исходная двуцепочечная молекула плавится, т. е. другой специальный фермент — геликаза — разрушает водородные связи между комплементарными цепями. После этого на каждой из цепей начинается синтез комплементарного фрагмента (рис. 1.24), осуществляемый непосредственно ДНК-полимеразой. Последняя может производить синтез новой цепи, только перемещаясь по матрице в 3'—5' направлении (т.е. новая цепь растет от 5' к 3' концу), а поскольку исходные цепи антипараллельны, синтез должен происходить в противоположных направлениях. Репликационная машина обрабатывает сразу обе антипараллельные цепи, следовательно, репликация на одной из цепей идет непрерывно, а на другой — фрагментами и с некоторым отставанием. Непрерывно реплицируемую цепь называют ведущей, а вторую цепь — отстающей.^[2]

Рис. 1.24. Схематичное изображение процесса репликации ДНК

Рис. 1.25. Репликация кольцевой хромосомы прокариотической клетки:

ген dnaE кодирует ключевой фрагмент ДЫК-полимеразы На эукариотических хромосомах локусов инициации репликации множество, и, очевидно, имеется некоторое разнообразие механизмов активации репликации. У простых эукариот, например почкующихся дрожжей, эти локусы (ARS) известны и состоят из элементов, несущих различную функциональность (рис. 1.26):

• • участков, связывающих определенные фрагменты транскрипционной машины;
• • элементов, препятствующих упаковке ДНК в этих местах в нуклеосомные комплексы с белками;
• • фрагментов, способствующих «раскручиванию» цени ДНК.

Рис. 1.26. Структура генетически детерминированного локуса инициации репликации у пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae):

домены, А (содержит консенсусный мотив (А/Т) ТТАТ (А/G) ТТТ (А/Т)) и В1 распознаются белковым фактором ORC. Домен В2 содержит легко «раскручиваемые» последовательности. Домен ВЗ содержит мотив для специфичного связывания транскрипционного фактора Abfl.

Что же касается многоклеточных эукариот, то наличие четко выделяемых локусов дискутируемо. Есть данные, что на определенных стадиях клеточного цикла могут синтезироваться репликационные машины, способные реплицировать любые последовательности, а на других стадиях инициация репликации вызывается только в местах определенной упаковки ДНК-белковых комплексов (см. подпараграф 1.2.5). Собственно изучение репликации эукариот привело к разделению понятия сайта инициации репликации на генетически определенные сайты и функциональные сайты инициации репликации. Генетически определенные типы сайтов характеризуются специфичными последовательностями нуклеотидов, для которых была показана способность автономно инициировать репликацию, в то время как функциональные сайты — эго участки ДНК, в которых начинается репликация в ходе деления клетки. Даже у упоминавшихся выше дрожжей, например, на третьей хромосоме из 14 генетически детерминированных ARS-элементов только шесть задействуются в ходе деления клетки.

• [1] Важной особенностью всех биологических процессов является отсутствие 100%-йгарантии наступления или ненаступления тех или иных событий. Иными словами, при прохождении матричных процессов всегда, хотя и с вероятностью, меньшей на порядки, происходят «ошибки» копирования. Обратной стороной данного правила является повышениеобщей устойчивости системы, так как, например, многие из замен аминокислот в белках, происходящие в результате подобных ошибок, не приводят к нарушению функционирования последних.
• [2] прокариот процесс репликации начинается в специальных участкахпоследовательности ДНК. Интересно, что в кольцевой прокариотическойхромосоме такой локус (участок ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов) один и имеет обозначение ORI. У большинства прокариот из локуса ORI стартуют в разные стороны сразу две репликациониыемашины, встречаясь с противоположной стороны (рис. 1.25).