Репликация ДНК - ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ. ФУНКЦИИ ДНК. РЕАЛИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ

Генетическая информация (последовательность нуклеотидов ДНК) необходима для развития организма в определенных условиях среды, а также для воспроизведения себе подобных. Прокариоты и многие вирусы содержат генетическую информацию в виде одной молекулы ДНК, за редким исключением все участки полинуклеотидной последовательности которой кодируют макромолекулы. В эукариотических клетках генетический материал распределен в нескольких хромосомах. Хромосома содержит молекулу ДНК, полинуклеотидная последовательность которой состоит из участков, кодирующих и не кодирующих РНК и белки.

Единицей наследственной информации является ген. Ген — часть молекулы ДНК (хромосомы), кодирующая синтез одной макромолекулы, полипептида, рРНК либо тРНК. Гены находятся в локусах хромосом. Набор генов диплоидного организма представляет собой генотип. Он образуется в результате оплодотворения и содержит два гаплоидных набора хромосом родителей.

ДНК практически у всех организмов (исключение составляют древние РНК-содержащие вирусы) является первичным носителем наследственной информации. Генетическая информация, закодированная в последовательности нуклеотидов ДНК, служит двум целям:

1) ДНК, обладая способностью к самоудвоению {репликации) и способностью к восстановлению (репарации), обеспечивает передачу информации в ряду клеточных поколений и поколений организмов;

2) ДНК необходима для синтеза белковых молекул в клетках.

Функциональные возможности генетической информации обусловлены способностью:

1) сохраняться и воспроизводиться при смене клеточных поколений;

2) обеспечивать в процессе индивидуального развития формирование и размножение организма;

3) обеспечивать возникновение новых адаптаций организма к изменившимся условиям среды обитания.

Функционирование наследственной информации связано с протеканием следующих генетических процессов — репликации ДНК, мутаций ДНК, рекомбинаций ДНК, репарации ДНК (исправления нарушенной структуры), транскрипции ДНК.

7.1. Репликация ДНК

В процессе репликации ДНК происходит синтез двух дочерних молекул ДНК на основе информации цепей материнской молекулы ДНК. В процессе синтеза ДНК принимает участие целая группа ферментов, важнейший из которых — ДНК-полимераза. Репликация происходит перед делением клеток (в 5-периоде митотического цикла, см. параграф 9.2.1) и размножением ДНК-вирусов. Репликация ДНК является необходимой предпосылкой для сохранения имеющейся наследственной информации в ряду последовательных поколений клеток и организмов. Образование молекул ДНК, а также РНК и белков происходит по типу матричного синтеза, т.е. новые молекулы синтезируются в точном соответствии с химической структурой уже существующих молекул (матриц).

Во время репликации ДНК каждая из двух ее цепей служит матрицей для образования новой цепи (рис. 7.1). В результате образуются две дочерние молекулы ДНК, каждая из которых включает полинуклеотидную цепь материнской ДНК и цепь новую, вновь синтезированную. Такой способ репликации ДНК называют полуконсервативным. У эукариот репликация начинается сразу во многих местах (точках инициации) каждой из хромосом. Этим достигается высокая скорость удвоения молекул ДНК, образующих хромосомы эукариот. В процессах репликации участвуют специализированные белки и ферменты. Две полинуклеотидные цепи материнской молекулы ДНК расходятся за счет ферментативного разрыва водородных связей между спаренными комплементарными азотистыми основаниями. Образуется репликативная вилка — участок расхождения антипараллельных цепей материнской ДНК (рис. 7.2). Синтез новых цепей ДНК начинается с образования РНК-затравки — цепочки из 8 — 12 нуклеотидов РНК, последний из которых имеет свободную ОН-группу в З'-положении. К нему ДНК-полимераза добавляет нуклеотиды ДНК. Две дочерние цепи синтезируются только от 5'- к 3-концу. На одной из родительских цепей (3' — 5') новая цепь синтезируется непрерывно в направлении 5’ — 3', что совпадает с движением вилки репликации. Это лидирующая цепь. Другая цепь — отстающая — растет за счет синтеза коротких фрагментов также от 5' к 3', однако они синтезируются в направлении, противоположном движению репликативной вилки. Они названы “фрагментами Оказаки” по имени открывшего их ученого. Затем нуклеотиды РНК-затравки заменяются на нуклеотиды ДНК, а фрагменты Оказаки сшиваются. ДНК-полимераза обладает также способностью исправлять ошибки во вновь собираемой цепи ДНК. Если происходит образование неправильной пары нуклеотидов, ДНК-полимераза возвращается назад и может исключить некомплементарный нуклеотид из цепочки и затем вставить на его место комплементарный, после чего репликация продолжается в нормальном режиме. За счет активности ДНК-полимеров происходит коррекция ошибок в ходе репликации. Таким образом, две дочерние молекулы ДНК будут идентичны материнской молекуле ДНК.

В процессе репликации, как правило, не происходит нарушения структуры ДНК, приводящего к искажению генетической информации, что сделало бы невозможным сохранение и передачу по наследству генетической информации, обеспечивающей нормальное развитие организма. И все же под воздействием химических и физических факторов (ультрафиолетового и ионизирующего излучения, повышенной температуры и др.) правильность структуры вновь синтезированной молекулы ДНК может нарушаться. Эти нарушения ликвидируют специальные ферменты систем репарации (восстановления) ДНК клеток, которые “узнают” участок молекулы ДНК, несходный с матрицей, и выщепляют его, после чего недостающий участок достраивается. Таким образом, постоянство наследственной информации обеспечивается матричным синтезом ДНК и системой репарации поврежденных участков молекулы.

Рис. 7.1. Репликация ДНК

Водородные связи, соединяющие комплементарные основания двойной спирали ДНК, последовательно разрушаются. Каждая из старых цепей служит матрицей для образования новой цепи: при помощи ДНК-полимеразы дезоксирибонуклеозидтрифосфаты выстраиваются с комплементарными азотистыми основаниями против старой цепи и соединяются друг с другом ковалентными связями (между дезоксирибозой одного нуклеотида и фосфорной кислотой соседнего — фосфодиэфирная связь)

Рис. 7.2. Строение репликативной вилки

Направление синтеза ДНК совпадает с направлением расхождения двойной спирали ДНК лишь для одной — ведущей цепи. Вторая цепь — отстающая — синтезируется прерывисто, в виде коротких фрагментов Оказаки. В результате обе дочерние цепи растут в направлении от 5' к 3'