Молекулярные механизмы репликации.

Цель лекции: Ознакомить с основными механизмами репликации генетической информации.

 

Макромолекулы

Основные клеточные макромолекулы – белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды – это полимеры аминокислот, нуклеотидов и сахаров, синтезируемые из соответствующих малых молекул. Макромолекулы отвечают за сборку клеточных компонентов, за катализ химических реакций, за осуществление движений клетки и (самое важное) за наследственность. Выполнение всех этих жизненно важных функций обеспечивается информационным содержанием биологических макромолекул.

На долю макромолекул приходится большая часть сухого вещества клетки. Их молекулярные массы составляют от 10тыс. до 1млн., т.е. по такие молекулы занимают промежуточное положение между органическими малыми молекулами и такими надмолекулярными структурами, как рибосомы или вирусы. Обычно в построении каждой макромолекулы участвуют лишь субъединицы одного семейства. Так, аминокислоты, связываясь с другими аминокислотами, образуют белки; нуклеотиды, связываясь с другими нуклеотидами, образуют нуклеиновые кислоты; а сахара, связываясь с другими сахарами, образуют полисахариды. Поскольку для нормального функционирования макромолекулы решающее значение имеет точная последовательность субъединиц (мономеров), при биосинтезе макромолекул должны действовать механизмы, точно определяющие положение каждого мономера в цепи полимера.

Макромолекулярные цепи образуются с помощью ковалентных связей, которые достаточно прочны, чтобы поддерживать последовательность субъединиц макромолекулы в течение длительного времени. Но заключённая в этой последовательности информация выражается с помощью более слабых нековалентных связей. Такие слабые связи могут возникать как между разными частями одной и той же молекулы, так и между разными макромолекулами. В совокупности эти связи определяют и пространственную структуру макромолекулярных цепей, и их взаимодействие.

Нековалентные связи в биологических молекулах подразделяют на три типа: ионные взаимодействия, водородные связи и вандерваальсовы взаимодействия. Ионные взаимодействия образуются между полностью заряженными группами или между частично заряженными группами. В отсутствие воды ионные силы очень велики. Они обусловливают прочность многих минералов, например мрамора и агата. В результате взаимодействия с молекулами воды заряженные группы экранируются, поэтому в водном растворе ионные взаимодействия сравнительно слабы (энергия равна примерно энергии водородной связи). Водородную связь образует атом водорода, «поделённый» между двумя электроотрицательными атомами (например, О и N). Вандерваальсовы притяжения возникают из-за флюктуаций электрических полей между любыми двумя атомами на очень близких расстояниях. Каждый атом имеет характерный вандерваальсов радиус (Н – 1,2Å; О – 2,0Å; О – 1,4Å; N – 1,5Å). Индивидуальные вандерваальсовы взаимодействия значительно слабы, но могут оказаться существенными при очень тесном сближении поверхностей двух макромолекул.

Ещё одно важное слабое взаимодействие создаётся пространственной структурой воды, которая стремится вытеснить гидрофобные группы, нарушающие сеть из связанных водородными связями молекул воды, и таким образом объединяет эти гидрофобные группы и сводит к минимуму их влияние (рис.3). Такое выталкивание из водного раствора иногда считают четвёртым типом слабой нековалентной связи и называют гидрофобным взаимодействием.

В водном растворе нековалентные связи примерно в 100 раз слабее ковалентных – их энергия лишь ненамного превышает среднюю энергию столкновений молекул, обусловленную тепловым движением, при 37°С.

Нековалентные связи обусловливают специфичность биологического узнавания, например узнавание ферментом своего субстрата.

 

Нуклеиновые кислоты

Главные функции нуклеиновых кислот состоят в хранении и передаче генетической информации. Неизвестны существа, где эти функции осуществлялись бы без их участия. Решающим фактором при отборе для этих целей в процессе эволюции именно нуклеиновых кислот явилось сочетание возможностей, во-первых, к образованию ими гигантских устойчивых линейных полимеров и, во-вторых, к сборке на матрице такого полимера его «негативной копии», которая в свою очередь может служить матрицей для синтеза точной копии исходного. Другие биополимеры не обладают указанным сочетанием свойств.

Вместе с тем не стоит забывать, что непременными участниками процесса воспроизведения генетической информации являются белки.

Нуклеиновые кислоты являются важнейшими регуляторами и участниками многих процессов биосинтеза. Правда, и эта их роль не уникальна – они делят её опять-таки с белками.

Хранение и передача генетической информации – это одна из форм биологической памяти. У большинства живых существ хранителями наследственной информации являются наиболее консервативные по структуре и свойствам двухцепочечные дезоксирибонуклеиновые кислоты – ДНК. Лишь у части наиболее просто организованных живых существ – вирусов генетическими нуклеиновыми кислотами (ГНК) являются двухцепочечные рибонуклеиновые кислоты – РНК, а также одноцепочечные ДНК и РНК. Эволюционно РНК возникла раньше ДНК, на какой-то более поздней стадии эволюционного процесса ДНК заменила РНК в качестве вещества наследственности.

ДНК представляет собой длинный неразветвлённый полимер, состоящий всего из четырёх субъединиц – дезоксирибонуклеотидов, азотистые основания которых представлены аденином (А), цитозином (Ц), гуанином (Г) и тимином (Т). Нуклеотиды связаны между собой ковалентными фосфодиэфирными связями, соединяющими 5′-атом углерода одного остатка дезоксирибозы с 3′-атомом углерода следующего остатка (рис 16).

В 1953г. Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком была построена модель структуры ДНК. Уотсон и Крик показали, что ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Каждая цепь закручена в спираль вправо, и обе они свиты вместе, т.е. закручены вправо вокруг одной и той же оси, образуя двойную спираль. Цепи антипараллельны, т.е. направлены в противоположные стороны, так что 3′-конец одной цепи располагается напротив 5′-конца другой (рис.18). Каждая цепь состоит из сахарофосфатного остова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси двойной спирали располагаются основания. Основная особенность этой модели заключается в том, что все основания ДНК расположены внутри двойной спирали, а сахарофосфатный остов – снаружи. Отсюда следует, что основания одной цепи должны быть очень сильно сближены с основаниями другой цепи. Согласно этой модели, оптимальное соответствие цепей достигается в том случае, если при комплементарном спаривании одно большое пуриновое основание (А или Г – каждое с двойным гетероциклом) связывается с меньшим по размеру пиримидиновым основанием (Т или Ц – с одинарным гетероциклом). В противном случае условия для спаривания оснований, входящих в состав сдвоенных полинуклеотидных цепочек, были бы неблагоприятными (двум пуриновым основаниям было бы слишком «тесно», а два пиримидиновых были бы расположены в среднем слишком далеко друг от друга). Более того, построение моделей показало, что между Г и Ц или между А и Т образуется больше эффективных водородных связей, чем между любыми другими комбинациями нуклеотидов.