Біосинтез ДНК. Роль ДНК в біосинтезі білків

ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) – один з найважливіших компонентів живої речовини. За допомогою її здійснюється збереження і передача спадкової інформації від покоління до покоління з можливістю мінливості в деяких межах. Синтез всіх необхідних живій системі білків був би неможливий без ДНК-матриці. Нижче ми розглянемо пристрій, формування, засади функціонування та роль ДНК в біосинтезі білків.

Будова молекули ДНК

Дезоксирибонуклеїнова кислота – це макромолекула, що складається з двох ниток. Її структура має кілька рівнів організації.

  • Первинна структура ланцюга ДНК являє собою послідовність нуклеотидів, що містять кожен одне з чотирьох азотистих основ: аденін, гуанін, цитозин або тимін. Ланцюжки виникають при з’єднанні цукру дезоксирибозы одного нуклеотиду з фосфатним залишком іншого. Цей процес здійснюється з участю білка-каталізатора – ДНК-лігази.

  • Вторинна структура ДНК – це так звана подвійна спіраль (точніше – подвійний гвинт). Підстави здатні з’єднуватися один з одним таким чином: аденін і тимін утворюють подвійну водневу зв’язок, а гуанін і цитозин – потрійну. Ця особливість лежить в основі принципу комплементарності підстав, згідно з яким ланцюжки з’єднуються один з одним. При цьому відбувається гвинтоподібне (частіше — праве) закручування подвійний ланцюжка.
  • Третинна структура – це складна конформація величезною молекули, що виникає за допомогою додаткових водневих зв’язків.
  • Четвертинна структура утворюється в комплексі з особливими білками і РНК і являє собою спосіб упаковки ДНК у клітинному ядрі.

Функції ДНК

Розглянемо, яку роль відіграє ДНК в живих системах. Цей біополімер є матрицею, що містить запис структури різних потрібних організму білків, РНК, а також різного роду регуляторних ділянок. В цілому, всі ці компоненти складають генетичну програму організму.

За допомогою біосинтезу ДНК генетична програма передається наступним поколінням, забезпечуючи спадковість основоположною для життя інформації. ДНК здатна мутувати, завдяки чому виникає мінливість живих організмів одного біологічного виду і, як наслідок, можливий процес природного відбору і еволюція живих систем.

При статевому розмноженні ДНК організму-нащадка формується шляхом поєднання батьківської та материнської спадкової інформації. При комбінації виникають різні варіанти, що також сприяє мінливості.

Як відтворюється генетична програма

Завдяки комплементарному будовою можливо матричне самовідтворення молекули ДНК. При цьому відбувається копіювання міститься в ній інформації. Подвоєння молекули з утворенням двох дочірніх «подвійних спіралей» називається реплікацією ДНК. Це складний процес, що протікає з участю багатьох компонентів. Але при відомому спрощення його можна представити у вигляді схеми.

Ініціюється реплікація особливим комплексом ферментів на певних ділянках ДНК. При цьому подвійна ланцюжок расплетается, формуючи репликационную вилку, де і відбувається процес біосинтезу ДНК – нарощування комплементарних послідовностей нуклеотидів на кожній з ланцюжків.

Особливості репликационного комплексу

Реплікація протікає також з участю складної сукупності ферментів – реплисомы, головну роль в якій грає ДНК-полімераза.

Одна з ланцюжків у процесі біосинтезу ДНК є лідируючою і формується безперервно. Освіта відстаючої ланцюга проходить шляхом приєднання коротких послідовностей – фрагментів Оказакі. Ці фрагменти зшиваються за допомогою ДНК-лігази. Такий перебіг процесу називається полунепрерывным. Крім того, його характеризують як полуконсервативный, оскільки в кожній з новоутворених молекул одна з ланцюгів – материнська, а друга – дочірня.

Реплікація ДНК – це один з ключових етапів при клітинному поділі. Даний процес лежить в основі передачі спадкової інформації нового покоління, а також зростання організму.

Що являють собою білки

Білок є найважливішим функціональним елементом в клітинах всіх живих організмів. Вони виконують каталітичну, структурну, регуляторну, сигнальну, захисну і безліч інших функцій.

Молекула білка – це біополімер, утворена послідовністю амінокислотних залишків. Вона, як і молекули нуклеїнових кислот, характеризується наявністю декількох рівнів структурної організації – від первинного до четвертинного.

Існує 20 видів володіють певними особливостями (канонічних) амінокислот, які використовуються живими системами для побудови величезної кількості різноманітних білків. Самостійно білок, як правило, не синтезується. Провідна роль у формуванні складної білкової молекули належить нуклеїнових кислот – ДНК і РНК.

Сутність генетичного коду

Отже, ДНК – це інформаційна матриця, на якій зберігається інформація про необхідні організму для росту і життєдіяльності білках. Білки будуються з амінокислот, ДНК і РНК) – з нуклеотидів. Певним нуклеотидним послідовностям молекули ДНК відповідають певні послідовності амінокислот тих чи інших білків.

Структурних одиниць білка – канонічних амінокислот в клітці 20 видів, а нуклеотидів у складі ДНК – 4 види. Так що кожна амінокислота записана на ДНК-матриці як поєднання трьох нуклеотидів – триплет, ключовими компонентами якого є азотисті підстави. Такий принцип відповідності називається генетичним кодом, а триплети підстав – кодонами. Ген – це послідовність кодонов, що містить запис будь-якого білка і деякі службові поєднання підстав – старт-кодон, стоп-кодон та інші.

Деякі властивості генетичного коду

Генетичний код практично універсальний – за дуже малим кількістю винятків він однаковий у всіх організмів, від бактерій до людини. Це свідчить, по-перше, про спорідненість всіх форм життя на Землі, а по-друге, про давність самого коду. Ймовірно, на ранніх етапах існування примітивного життя досить швидко сформувалися різні варіанти коду, але еволюційна перевага отримав лише один.

Крім того, він специфічний (однозначний): різні амінокислоти не кодуються одним і тим же триплетом. Також для генетичного коду характерна вырожденность, або надмірність – кілька кодонов можуть відповідати однієї і тієї ж амінокислоти.

Зчитування генетичної запису здійснюється безперервно; функції знаків пунктуації виконують також триплети підстав. Як правило, в генетичному «тексті» не буває перекриваються записів, однак тут теж не обходиться без винятків.

Функціональні одиниці у складі ДНК

Сукупність всього генетичного матеріалу організму називають геномом. Таким чином, ДНК – це носій геному. До складу геному входять не тільки структурні гени, що кодують ті або інші білки. Істотна частина ДНК містить ділянки, що мають різне функціональне призначення.

Так, у складі ДНК присутні:

  • регуляторні послідовності, що кодують особливі РНК, наприклад, генетичні перемикачі та регулятори експресії структурних генів;
  • елементи, що регулюють процес транскрипції – початковий етап біосинтезу білка;
  • псевдогены – свого роду «копалини гени», які втратили внаслідок мутацій здатність кодувати білок або транскрибироваться;
  • мобільні генетичні елементи – ділянки, здатні переміщатися всередині генома, наприклад транспозони («стрибають гени»);
  • теломери – особливі області на кінцях хромосом, завдяки яким ДНК в хромосомах захищена від укорочення з кожним актом реплікації.

Участь ДНК у біосинтезі білка

ДНК здатна утворювати стійку структуру, ключовим елементом якої є комплементарне з’єднання азотистих основ. Подвійний ланцюг ДНК забезпечує, по-перше, повне відтворення молекули, а по-друге – зчитування окремих ділянок ДНК при білковому синтезі. Цей процес називається транскрипцією.

В ході транскрипції ділянка ДНК, що містить певний ген, расплетается, і на одній з ланцюжків – матричної – синтезується молекула РНК як копії другої ланцюжка, званої кодує. Цей синтез також базується на властивості підстав утворювати комплементарні пари. У синтезі беруть участь некодирующие, службові області ДНК і фермент РНК-полімераза. РНК вже служить матрицею для синтезу білка, і в подальшому процесі ДНК не бере участь.

Зворотна транскрипція

Довгий час вважалося, що матричне копіювання генетичної інформації може йти тільки в одному напрямку: ДНК → РНК → білок. Ця схема отримала назву центральної догми молекулярної біології. Однак у ході досліджень було встановлено, що в ряді випадків можливе копіювання з РНК на ДНК – так звана зворотна транскрипція.

Здатність переносити генетичний матеріал з РНК на ДНК властива ретровірусів. Характерним представником таких РНК-вмісних вірусів є вірус імунодефіциту людини. Вбудовування вірусного генома в ДНК зараженої клітини відбувається за участю особливого ферменту – зворотної транскриптази (ревертази), яка виступає як каталізатор біосинтезу ДНК на матриці РНК. Ревертаза також входить до складу вірусної частинки. Новоутворена молекула інтегрується в клітинну ДНК, де служить для виробництва нових вірусних частинок.

Що таке ДНК людини

Людська ДНК, що міститься в ядрі клітини, упакована в 23 пари хромосом і містить близько 3,1 мільярда спарених нуклеотидів. Крім ядерної, в клітинах людини, як і інших эукариотических організмів, є мітохондріальна ДНК – фактор спадковості клітинних органел мітохондрій.

Кодують гени ядерної ДНК (їх нараховують від 20 до 25 тисяч) складають лише невелику частину геному людини – приблизно 1,5 %. Інша частина ДНК раніше іменувалася «сміттєвої», але численні дослідження виявляють істотну роль некодирующих ділянок геному, мова про яких йшла трохи вище. Виключно важливо, крім того, вивчення процесів зворотної транскрипції в людській ДНК.

Наука вже сформувала достатньо чітке розуміння того, що таке ДНК людини в структурному і функціональному відношенні, але подальша робота вчених в цій області буде приносити нові відкриття і нові біомедичні технології.