РАЗДЕЛ II. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ В ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ

ГЛАВА 3. БИОСИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ

КИСЛОТ И БЕЛКОВ

БИОСИНТЕЗ ДНК (РЕПЛИКАЦИЯ)

Процесс биосинтеза дочерней ДНК на ее матрице, приводяций к ее удвоению носит название репликации. Для реализации этого процесса необходима матрица — расплетенная цепь ДНК, субстраты, участвующие в полимеризации ДНК, ферменты, катализирующие этот процесс, ионы Mg²⁺, а также ряд белковых фак­торов, обеспечивающих деспирализацию двухнитевой ДНК.

Как и любой процесс, репликация протекает в несколько этапов: инициация, элонгация и терминация репликации.

Инициация репликации ДНК.

Репликация всегда предшествует делению клетки и начинается с расплетения двойной спирали ДНК. Это осуществляется при помощи ферментов хеликаз, которые перемещаются вдоль цепей ДНК и раскручивают их. Процесс расплетения спиралей ДНК является энергозависимым и требует затраты АТФ. Интенсивное раскручивание ДНК может привести к образованию до­полнительных витков (сверхспиралей), которые легко предотвращаются ферментами топоизомеразами. Синтез новой цепи ДНК осуществляется при помощи ДНК-полимераз.

Элонгация репликации ДНК.

На следующем этапе репликации от 3'-конца цепи ДНК начинается синтез новой цепи нуклеиновой кислоты при помощи ДНК-полимеразы III. Синтез идет в направлении 5'®3' одновременно на обе­их цепях матрицы. Поскольку цепи молекулы ДНК антипараллельны, только одна из новых цепей синтезируется непрерывно - эта цепь называется лиди­рующей. Цепь, направление синтеза которой противоположно движению реп­ликативной вилки, называют отстающей, и синтез этой цепи имеет преры­вистый характер (рисунок 3.1).

В процессе репликации на отстающей цепи образуется множество короткоцепочечных фрагментов, которые носят название фрагментов Оказаки. Их величина у прокариот состав­ляет около 1000 нуклеотидов, у эукариот — в три раза меньше.

Терминация репликации.

Заключительной фазой процесса репликации является стадия терминации, или окончания синтеза. У эукарит, как и у прокариот, имеются специальные терминаторы, прекращающие синтез цепи ДНК. Этими терминаторами являются определенные последовательности нуклеотидов, при достижении которых ДНК-полимераза прекращается синтез новой це­пи ДНК.

Рисунок 3.1 - Схематическое изображение репликативной вилки

Механизмы действия ДНК-полимераз эукариот и прока­риот схожи между собой. Отличия в процессе репликации заключаются в следующем: хромосома эукариот имеет линейную структуру, на обеих цепях расположено множество репликонов и соответствующее количество терминаторов. Линейность ДНК эукариот является причиной проблем, которых не существует у прокариот, имеющих кольцевую ДНК. В отличие от лидирующей цепи, которая реплици­руется полностью, праймер, находящийся у 3'-конца отстающей цепи, разру­шается и не реплицируется при помощи ДНК-полимераз. Для предотвраще­ния укорачивания цепи на концах хромосомы находятся теломеры — участки нереплицируемой ДНК. На этом участке ДНК может синтезироваться прай­мер, и полнота репликации сохранится. Теломера состоит из большого числа повторов, например у человека: ТТАГГГ.

БИОСИНТЕЗ РНК (ТРАНСКРИПЦИЯ)

Процесс биосинтеза РНК па матрице ДНК получил название транскрипции. Суб­стратами и источниками энергии для синтеза всех видов РНК являются рибонуклеозидтрифосфаты: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ. Катализируют синтез РНК ферменты РНК-полимеразы. В ядрах эукариотов обнаруже­ны три специализированные РНК-полимеразы: РНК-полимераза I, синтезирующая пре-рРНК; РНК-полимераза II, ответственная за син­тез пре-мРНК; РНК-полимераза III, синтезирующая пре-тРНК.

В процессе транскрипции, как и в репликации, различают три стадии: инициацию, элон­гацию и терминацию. Кроме того, сюда можно отнести постранскрипционные изменения РНК

Инициация транскрипции РНК.

Инициация транскрипции является наиважнейшим фактором, опреде­ляющим начало синтеза РНК, его скорость и регуляцию.

Присоединение РНК-полимеразы к промотору определяет рамку считывания ин­формации с матрицы ДНК. Активация промо­тора происходит с помощью белкового фактора (ТАТА-фактора), ко­торый облегчает взаимодействие промотора с РНК-полимеразой. Присоединение РНК-полимеразы к промотору увеличивает сродство фермента к факторам инициации (А, В), которые инициируют ра­скручивание примерно одного витка двойной спирали ДНК.

Далее к РНК полимеразе присоединяется кофермент, и образуется закрытый транскрипцион­ный комплекс. В результате раскручивания цепей ДНК разрываются водо­родные связи между парами нуклеотидов, и образуется открытый транс­крипционный комплекс.

Сразу после начала транскрипции первый нуклеотид с 5'-конца подвергается модификации (метилированию гуанина), которая называется кэпированием (от англ. «сар» - кепка). Поэтому первый нуклеотид, стартовая точ­ка гена, называется кэп-сайт. Сигнал ААТААА (последняя последовательность, кодируемая РНК-полимеразой) способствует блокированию 3'-конца мРНК.

Элонгация транскрипции РНК.

Факторы элонгации (Е, Н, F) повышают активность РНК-поли­меразы и облегчают локальное расхождение нуклеотидных цепей. Синтез молекулы РНК идет по направлению от 5`-конца к 3`-концу комплементарной матричной цепи ДНК.

После образования нескольких пар оснований происходит отделение РНК-полимеразы от транскрипционного комплекса, а водородные связи между нуклеотидами матрицы (цепь ДНК) вновь восстанавливаются. У прокариот частично син­тезированная мРНК уже взаимодействует с рибосомами и вовлекается в про­цесс синтеза белка. В клетках эукариот синтез РНК и белка разобщен, кроме того, новосинтезированные транскрипты подвергаются посттранскрипцион­ным модификациям.

Терминация транскрипции РНК.

Терминация синтеза РНК у прокариот обусловлена наличием на матрице таких последовательностей, которые допускают возможность образования шпильки на транскрипте РНК. При этом связь транскрипта с матрицей зна­чительно ослабляется, что в конечном счете приводит к отделению РНК.

Механизмы терминации транскрипции у эукариот до конца не изучены. Полагают, что с РНК-полимеразой взаимодействует белковый стоп-сигнал, который замедляет (но не прекращает) транскрипцию. Далее фермент катализирует синтез последовательности ААУААА и сле­дующие за ней 15 нуклеотидов, после чего завершает свою работу. В процессе отделения транскрипта от матрицы экзонуклеаза отщепляет терминальные 15 нуклеотидов, а фермент полиА-полимераза достраивает к последователь­ности ААУААА порядка 150—200 полиадениловых нуклеотидов (полиА).