Функции ДНК и механизмы реализации генетической информации

Основные функции ДНК. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) является фундаментальной молекулой жизни, выполняющей три ключевые функции. Во-первых, она обеспечивает воспроизведение и передачу генетической информации в поколениях клеток и организмов через процесс репликации (редупликации). Во-вторых, ДНК является носителем генетической информации, что обусловлено существованием генетического кода. В-третьих, она реализует эту информацию в виде белков и других соединений, образуемых при помощи ферментов, посредством процессов транскрипции и трансляции. Эти функции гарантируют наследственность и функциональность всех живых систем.

Репликация ДНК: точность и основные компоненты. Генетический материал организмов обладает огромными размерами и реплицируется с исключительной точностью. Например, при воспроизведении генома млекопитающего длиной 3 млрд пар нуклеотидов возникает не более 3 ошибок. Эволюция создала высокоточную, хотя и не идеальную, систему репликации ДНК. В 1957 году Артур Корнберг обнаружил у Escherichia coli (E. coli) фермент ДНК-полимеразу, катализирующий полимеризацию ДНК. Для синтеза ДНК in vitro необходимы четыре компонента: ДНК-матрица, активированные нуклеотиды (дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, дНТФ), ДНК-полимераза и ионы магния, активирующие фермент.

Механизм и этапы репликации. Субстратом для ДНК-полимеразы служат дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дНТФ), которые полимеризуются на одноцепочечной ДНК-матрице. Фермент наращивает цепь ДНК шаг за шагом, последовательно присоединяя нуклеотиды к 3'-концу растущей цепи в направлении 5'→3'. Каждое присоединение сопровождается гидролизом богатой энергией связи и отщеплением пирофосфата. Для начала матричного синтеза молекула ДНК должна быть деспирализована и вытянута, что обеспечивается комплексом ферментов. Репликационная вилка — это участок молекулы ДНК, который расплелся и служит матрицей для синтеза дочерней цепи.

Инициация репликации: раскручивание двойной спирали.Механизм раскручивания, или денатурации двойной спирали, включает несколько этапов. Фермент ДНК-хеликаза разрывает водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями, расплетая спираль. ДНК-топоизомераза снимает топологическое напряжение, разрывая фосфодиэфирную связь в одной из цепей. Дестабилизирующие белки выпрямляют участок ДНК и удерживают цепи в растянутом состоянии, предотвращая их повторное соединение. Эти процессы создают условия для работы ДНК-полимеразы в области репликационной вилки.

Непрерывный и прерывистый синтез цепей ДНК.Дочерние цепи ДНК синтезируются только в направлении 5'→3', при этом матричная цепь считывается в направлении 3'→5'. На ведущей (лидирующей) цепи синтез происходит непрерывно. На отстающей (запаздывающей) цепи ДНК-полимераза работает прерывисто, формируя короткие фрагменты Оказаки. Для начала каждого фрагмента фермент ДНК-праймаза синтезирует РНК-затравку (праймер). В дальнейшем эти РНК-затравки удаляются ДНК-полимеразой-I, а фрагменты ДНК сшиваются ферментом ДНК-лигазой, катализирующим образование фосфодиэфирной связи.

Проблема концевой репликации и роль теломер.При завершении синтеза на отстающей цепи после удаления РНК-затравки возникает проблема недорепликации концов линейных хромосом. Концы хромосом, называемые теломерами, состоят из тандемных повторов последовательностей (у позвоночных это TTAGGG). Фермент теломераза, активный в половых клетках и клетках опухолей, достраивает 3'-концы ДНК, компенсируя укорочение. В соматических клетках эукариот теломераза не активна, что приводит к укорочению теломер с каждым делением, что связывают со старением. В 1971 году А.М. Оловников сформулировал гипотезу маргинотомии, объясняющую это явление.

Экспрессия генов: от ДНК к функциональному продукту. Экспрессия генов — это процесс преобразования наследственной информации из последовательности нуклеотидов ДНК в функциональный продукт — РНК или белок. Первым этапом является транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК, который начинается со старт-сигнала, называемого промотором, и заканчивается на стоп-сигнале (терминаторе). Продукт транскрипции — первичный транскрипт (про-иРНК). Единицей транскрипции у прокариот является оперон (транскриптон), который включает цистрон — последовательность ДНК, кодирующую один полипептид или молекулу РНК.

Этапы транскрипции: инициация, элонгация и терминация.Транскрипция включает три основных этапа. На стадии инициации ДНК-хеликаза расплетает двойную спираль, а РНК-полимераза начинает синтез новой цепи РНК с промотора. На этапе элонгации происходит наращивание полинуклеотидной цепи РНК, комплементарной матричной цепи ДНК. Фермент РНК-полимераза движется вдоль ДНК, присоединяя нуклеотиды. Стадия терминации наступает, когда фермент достигает специфических нуклеотидных последовательностей-терминаторов (например, АТТ, АЦТ), и синтез РНК прекращается. Область ДНК, включающая промотор, транскрибируемую последовательность и терминатор, называется транскриптом.

Процессинг матричной РНК у эукариот.После транскрипции незрелая матричная РНК (мРНК) у эукариот подвергается сложному процессу созревания — процессингу. Он включает несколько этапов: кепирование (добавление модифицированного нуклеотида на 5'-конец), полиаденилирование (добавление последовательности адениновых нуклеотидов на 3'-конец) и сплайсинг. Сплайсинг — это процесс вырезания не кодирующих белок участков — интронов — и сшивания кодирующих участков — экзонов. Реже происходит редактирование РНК — изменение нуклеотидной последовательности. На всем пути мРНК связана с белками, которые защищают ее и придают правильную конформацию.

Трансляция: сборка полипептидной цепи на рибосоме. Трансляция — это процесс сборки полипептидной цепи на матрице информационной РНК (иРНК). Она состоит из трех фаз: инициации, элонгации и терминации. Фаза инициации включает активацию аминокислот и сборку рибосомы на иРНК. Аминокислота присоединяется к своей специфичной транспортной РНК (тРНК) с образованием аминоацил-тРНК при помощи фермента аминоацил-тРНК-синтазы. Затем малая субъединица рибосомы связывается с иРНК и инициирующей тРНК, после чего присоединяется большая субъединица, формируя активный комплекс.

Элонгация и терминация трансляции.На стадии элонгации происходит удлинение полипептидной цепи. Инициирующая тРНК находится в П-сайте рибосомы. Следующая аминоацил-тРНК занимает А-сайт. Фермент пептидилтрансфераза катализирует образование пептидной связи между аминокислотами. Затем рибосома перемещается вдоль иРНК на один кодон, освобождая А-сайт для следующей аминоацил-тРНК. Скорость элонгации составляет около 2 аминокислот в секунду у эукариот и до 15 у прокариот. Терминация наступает, когда в А-сайт попадает один из стоп-кодонов (УАА, УАГ, УГА), что приводит к освобождению готовой полипептидной цепи и диссоциации рибосомы.

Посттрансляционная модификация и принципы репликации.После трансляции линейная полипептидная цепь не обладает метаболической активностью. В эндоплазматической сети и аппарате Гольджи происходит посттрансляционная модификация: формирование вторичной, третичной и четвертичной структуры белка, а также присоединение углеводов или липидов. Основные принципы репликации ДНК включают: матричность (новая цепь комплементарна матрице), полуконсервативный механизм (каждая новая молекула содержит одну материнскую и одну дочернюю цепь), направление синтеза 5'→3', полунепрерывность (одна цепь синтезируется непрерывно, другая — фрагментарно), начало со специфических сайтов инициации (origin) и сложный ферментативный контроль.

Генетический код и отличия синтеза РНК от ДНК. Генетический код — это система записи информации о последовательности аминокислот в белках с помощью последовательности нуклеотидов в ДНК. При транскрипции используется кодогенная цепь ДНК (направление 5'→3'), в то время как матричная цепь имеет направление 3'→5'. Синтез РНК имеет принципиальные отличия от репликации ДНК. Во-первых, это асимметричный процесс, где в качестве матрицы используется лишь одна цепь ДНК. Во-вторых, он консервативен — ДНК после синтеза РНК возвращается в исходное состояние. В-третьих, синтез РНК не требует РНК-затравки, в отличие от репликации ДНК, где затравка необходима для инициации синтеза каждого фрагмента Оказаки.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Конспекты и лекции по биологии.

Источник: Публикации представляет собой компиляцию из открытых источников.

Данные публикации будут полезны студентам биологических и медицинских специальностей, начинающим специалистам в области молекулярной биологии, биоинформатики и генетики, а также всем, кто интересуется основами биологии как науки.