caenogenesis (caenogenesis) wrote,
caenogenesis
caenogenesis

Category:

Введение в биологию (IXe)

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.
Tags: цитология
Subscribe

  • Cricetus cricetus

  • Вомбат

    Оригинал взят у el_d в Нет, я не могу удержаться и не познакомить с этим общественность В третий раз закинул он невод, — Пришел невод…

  • Что за зверь?

    Всего лишь эоценовая сирена, родственник ламантинов, дюгоней и морских коров.

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

  • 21 comments

  • Cricetus cricetus

  • Вомбат

    Оригинал взят у el_d в Нет, я не могу удержаться и не познакомить с этим общественность В третий раз закинул он невод, — Пришел невод…

  • Что за зверь?

    Всего лишь эоценовая сирена, родственник ламантинов, дюгоней и морских коров.