?

Log in

No account? Create an account
Previous Entry Share Next Entry
Введение в биологию (IXe)
caenogenesis
Тема IXe
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ (продолжение)


Читателей научно-популярных книг по биологии, а также слушателей научно-популярных лекций и тому подобную публику можно приближенно разбить на две группы: те, для кого заклинание "ДНК-РНК-белок" имеет какой-то смысл, и те, для кого оно пока ничего не значит. Первая категория - это "продвинутые пользователи", вторая - те, у кого, вероятно, еще все впереди. Мы теперь принадлежим к первой группе, поэтому давайте еще раз посмотрим на центральную догму молекулярной биологии:



Название "догма" в этом контексте является просто шуткой Фрэнсиса Крика: ясно, что на самом деле в естественных науках никаких догм не бывает. История "центральной догмы" это тоже подтверждает. Сначала она, "догма", выглядела просто: информация в клетке движется однонаправленно, по пути ДНК - РНК - белок. Однако на картинке мы видим не только стрелочку, направленную от ДНК к РНК (это транскрипция), но еще и другую стрелочку, направленную, наоборот, от РНК к ДНК. Это - обратная транскрипция, то есть синтез ДНК, воспроизводящей последовательность заданной РНК. Обратная транскрипция - серьезное исключение из "центральной догмы", настолько серьезное, что поначалу в него и не поверили. Сейчас известно, что это вполне реальный, но редкий процесс, который умеют проводить только некоторые вирусы. Тут важнее всего сам факт: встречный поток генетической информации бывает. Фермент, синтезирующий ДНК по заданной РНК, называется, естественно, РНК-зависимой ДНК-полимеразой.
Обратная транскрипция упоминается в повести Стругацких "За миллиард лет до конца света". "Вы этого, отцы, понять не можете, это связано с обратной транскриптазой, она же РНК-зависимая ДНК-полимераза, она же просто ревертаза, это такой фермент в составе онкорнавирусов, и это, я вам прямо скажу, отцы, пахнет нобелевкой..." Между прочим, Стругацкие здесь поразительно точны. Действие повести "За миллиард лет до конца света" происходит в 1972 году, именно в тот исторический момент, когда открытие обратной транскрипции было актуальной научной новостью.
Теперь нам осталось поговорить еще про репликацию, то есть копирование ДНК. Как-никак самовоспроизведение - одно из самых базовых свойств живых клеток, а без репликации оно совершенно невозможно.



Репликация ДНК - полуконсервативная. Двойная спираль расшивается с разрывом водородных связей, после чего к каждой нити ДНК достраивается комплементарная нить из находящихся в растворе нуклеозидтрифосфатов. В результате получаются две двойные спирали, в каждой из которых одна цепь “старая”, а другая “новая”.
Фермент, который синтезирует из мономеров новую цепь ДНК, комплементарную к имеющейся, называется ДНК-полимеразой. На самом деле в любой клетке есть несколько ДНК-полимераз, отличающихся по функциям. Но тут сразу возникает несколько проблем, которые с одним типом ферментов все равно не решить.
Во-первых, чтобы репликация стала возможна, комплементарные цепи ДНК надо как-то разделить. Для этого фермент хеликаза разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, а фермент топоизомераза раскручивает двойную спираль ДНК, разрывая для этого ковалентные связи между нуклеотидами и тут же сшивая их заново. Последнее неизбежно, потому что двойную спираль невозможно раскрутить, не разрывая, если нам недоступны ее концы. Тут можно представить себе обыкновенный узел, концы шнурков от которого уходят куда-то в бесконечность, а нам тем не менее надо разделить шнурки, чтобы они шли параллельно и не перепутывались. Не будет другого выхода, кроме как разрезать их и потом сшить. Вот это топоизомераза и делает.
Во-вторых, ДНК-полимераза не может начать создавать новую цепь с нуля. Ей нужна затравка в виде короткой комплементарной РНК, которую синтезирует фермент праймаза. Новая ДНК может синтезироваться в виде серии фрагментов, ковалентно связанных с РНК-затравками (фрагменты Оказаки). Потом ферменты вырезают РНК, помещают на ее место комплементарные исходной цепи дезоксирибонуклеотиды, и ДНК-лигаза сшивает все это в единую цепь ДНК.
В-третьих, цепи ДНК антипараллельны. А любая ДНК-полимераза может двигаться по исходной цепи от 3'-конца к 5'-концу, но никак не наоборот (это означает, что новая цепь ДНК синтезируется начиная с 5'-конца, так же как и РНК при транскрипции). ДНК-полимеразы, способной ползти по цепи в обратную сторону, в природе не существует. Поэтому две цепи ДНК вынужденно реплицируются по-разному. Цепь, по которой ДНК-полимераза может непрерывно ползти от 3'-конца к 5'-концу, называется лидирующей. Тут механизм репликации упрощен: ДНК-полимераза начинает с единственной РНКовой затравки и дальше может сколько угодно наращивать новую цепь вдоль исходной по мере того, как та раскрывается. Цепь, вдоль которой ДНК-полимераза непрерывно ползти не может, называется отстающей. ДНК-полимераза проходит ее отрезок за отрезком, как бы перемещаясь скачками и каждый раз начиная с нового праймера - тут как раз и образуются фрагменты Оказаки, а потом лигаза сшивает их вместе.


Мы видим, что, кроме ДНК-полимераз, в репликации участвуют белки, раскручивающие ДНК и удерживающие ее в раскрученном состоянии, создающие затравку для новой цепи и другие - всего несколько десятков белков. Очевидно, что в таком сложном, многоступенчатом, затратном процессе копирования информации не может не быть ошибок.
Неизбежность эволюции напрямую вытекает из физических свойств живых систем: в силу теплового движения молекул при репликации ДНК неминуемы ошибки. Часть этих ошибок тут же исправляется (репарация), а часть сохраняется и передается следующим поколениям (конвариантная редупликация). Наличие устойчивой конвариантной редупликации - важнейшее свойство всех живых объектов, отличающее их от всех неживых.



"Конвариантная редупликация" - термин Николая Владимировича Тимофеева-Ресовского, обозначающий самовоспроизведение информационных молекул с сохранением случайно возникающих вариаций. Слово "редупликация" - просто синоним "репликации", сейчас редко употребляемый; "конвариантная" - неологизм Тимофеева (возможно, он услышал похожий термин от кого-то из физиков). В некотором смысле биология и есть наука о поведении конвариантно редуплицирующихся структур.

  • 1
К первой картинке: а как насчёт РНК-зависимой РНК-полимеразы?

Это потом, если буду делать дополнительную главу про вирусы.

Ну, обратная транскрипция ведь тоже только к вирусам относится. :)

Ну что поделаешь, приходится выбирать. Я ведь никоим образом не справочник пишу.

Топоизомераза разрезает на фрагменты Оказаки только отстающую цепь?

Топоизомераза вообще не имеет к фрагментам Оказаки никакого отношения. Она раскручивает двойную спираль исходной ДНК, чтобы остальные ферменты репликации могли работать.

Edited at 2016-06-19 10:52 am (UTC)

А в каком смысле она тогда разрывает цепи? "..а фермент топоизомераза раскручивает всю двойную спираль, разрывая для этого сами цепи ДНК..". Если я понял правильно то это хеликаза отрывает цепи друг от друга а не топоизомераза. Для того чтобы раскрутить она отрезает нуклеотиды один за другим?

Есть какой-то третий фермент который рвет отстающую цепь на фрагменты Оказаки?

1. А двойную спираль топологически нельзя раскрутить, не разрывая. Представьте себе обыкновенный узел, концы шнурков от которого уходят куда-то в бесконечность, а вам нужно тем не менее разделить шнурки, чтобы они шли параллельно и не перепутывались. Не будет другого выхода, кроме как разрезать их и потом сшить.

2. "Новая ДНК может синтезироваться в виде серии фрагментов, ковалентно связанных с РНК-затравками (фрагменты Оказаки)."

Фрагменты Оказаки не являются вообще результатом какого-либо разрыва, они синтезируются де ново.


Понятно, спасибо :).

Блестяще!

Сейчас в физике есть только термины "ковариантная" и "контравариантная". Термина "коНвариантная" -- не припомню. Может, когда работал Тимофеев-Ресовский, тогда были.

Ну, я бы не стал такое писать, не проверив. Например:

Finally an exact solution of Schrodinger's field equations is given. It is shown to represent, in a sense, the simplest possible; i.e., the skew part of the fundamental tensor is the convariant analogue of a plane wave.

(отсюда www.jstor.org/stable/1969447)

И в других физических статьях попадается. Так что Тимофеев-Ресовский, скорее всего, услышал это слово от кого-то из физиков, благо общался с ними очень много.

Статья 50-го года. И потом, там может быть опечатка. Далее по тексту я нигде больше не нашёл слова convariant, везде covariant (правда, я искал глазами).

В общем, утверждение "термин из математики, используемой в квантовой физике", я бы всё-таки убрал.

P.S. Данное слово имеет очевидные латинские корни, поэтому Т-Р, вовсе не обязательно было заимствовать его у физиков, он мог его сконструировать сам.

Ладно, убедили...

Вы меня извините, конечно, я должен был начать с того, чтобы отдать Вам должное: у Вас отличная заметка и картинку я порассматривал с большим интересом. Спасибо.

Да все правильно, мне замечания по делу интересны даже больше, чем похвалы, хотя и от последних не откажусь, конечно...
Многие из замечаний и вопросов, сделанных тут в комментах, я уже использовал при редактировании текста.

Введение в биологию (сборка)

Пользователь pomarki сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию (сборка)» в контексте: [...] Введение в биологию (IXe). ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ [...]

Введение в биологию от caenogenesis

Пользователь m_3713 сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию от caenogenesis» в контексте: [...] Введение в биологию (IXe). ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ [...]

То есть отстающая днк-полимераза движется по той же цепочке, которую сама же перед собой и создает?

  • 1