g_ryurikov | Введение в биологию

XVIII
Репликация

Итак, мы знаем, что информация, необходимая для синтеза белков (то есть информация о правильном порядке аминокислот в полипептидах) закодирована в ДНК, и нам нужно разобраться, каков реальный механизм реализации этой информации. Но прежде, чем мы обсудим механизмы, ведущие к появлению белка, нам нужно обсудить механизмы, ведущие к появлению ДНК. Откуда берётся она? На это, кажется, можно сказать, что ДНК наследуется, её не надо создавать заново, и поэтому нет повода для такого вопроса. Однако на самом деле повод имеется, и сама необходимость постановки этого вопроса имеет, возможно, большее значение, чем ответ на него.

Как говорилось в первом разделе (про свойства живого), живые системы представляют из себя «реки Гераклита», это текучие, динамические объекты, постоянно, если можно так выразиться, заменяющиеся сами собой. В отличие от неживой природы, где есть вещи, которые «просто есть», в живой природе постоянное наличие перед нашими глазами каких-то объектов означает, что они постоянно появляются; само существование здесь обусловлено постоянным становлением. В случае с ДНК это становится очевидным, если вспомнить, что молекулы ДНК могут уничтожаться (и иногда это с ними происходит). Организмы гибнут, их тела разлагаются, и вместе с ними разлагается их ДНК. Один съеденный мною помидор означает уничтожение гигантского количества молекул ДНК. И такие вещи происходят ежедневно и даже ежесекундно. Если ДНК каким-то волшебным образом при таком положении дел всё не кончается, это означает, что она всё время откуда-то берётся. Собственно, наследование ведь не означает, что родители должны просто передавать мне свою ДНК, ведь тогда им после этого пришлось бы обходиться без неё. Конечно, ДНК должна копироваться, она должна «размножаться» вместе с размножением её «хозяев».

Как мы помним, ДНК обычно представляет собой длинную молекулу из двух закрученных друг относительно друга цепочек нуклеотидов. Последовательность нуклеотидов в одной цепочке представляет собой уникальную информацию (как правило, нельзя предсказать последовательность нуклеотидов в одном участке по другому участку той же цепи), а вот вторая цепь «дублирует» первую, так как имеет комплементарную последовательность. Зная принцип комплементарности, мы в принципе можем определять вторую цепь по первой. Таким образом, информация в молекуле ДНК уже скопирована: если две цепи разделить, то «ничего не потеряется», по каждой цепи можно будет достроить недостающую. Так и делается.

Процесс увеличения числа молекул ДНК — это процесс копирования молекул ДНК, и он называется репликацией. Двойная спираль ДНК раскручивается, цепи разъединяются, и на каждой собирается новая комплементарная цепь. Такого рода процессы — сборка полимерной цепи на основе информации, содержащейся в другой цепи — носят название реакций матричного синтеза. В данном случае используется понятие «матрица», используемое в технике и, в частности, в типографии — оно означает «образец», «штамп», «шаблон». Матрица — это то, с чего снимается отпечаток.

Как видим, в каждой из двух получившихся в результате молекул ДНК одна цепь — «старая», взятая из материнской молекулы, а другая — «новая», синтезированная заново. Такой механизм репликации называется полуконсервативным («половина из прошлого»). Гипотеза о полуконсервативном механизме репликации была подтверждена в 1958 году в ходе эксперимента, проведённого М. Мезельсоном и Ф. Сталем, которые метили исходную ДНК с помощью изотопной метки (включая в неё изотоп азота ¹⁵N) и обнаружили, что после репликации метка примерно в равной мере включается в дочерние молекулы ДНК. Если бы механизм был, например, консервативным (одна молекула целиком используется как матрица, обе цепи другой молекулы синтезируются заново), половина молекул ДНК после репликации не содержала бы изотопной метки (содержащие метку молекулы, очевидно, отличаются по массе).

Давайте попробуем рассмотреть процесс репликации подробнее. Во-первых, нужно определить, как он начинается. Соблазнительно предположить, что ДНК расплетается, начиная с одного из концов, но тут придётся вспомнить, что в клетках прокариот молекулы ДНК кольцевые, и концов вовсе никаких нет. Поэтому начинать, как ни крути, придётся откуда-то «с середины». В эукариотических клетках молекулы ДНК линейные, но они очень длинные, и, если мы хотим скопировать ДНК за какое-то разумное время, начинать репликацию нужно одновременно в нескольких местах, чтобы разные участки ДНК реплицировались одновременно. Соответственно, на ДНК должны быть специальные фрагменты, с которых процесс будет начинаться (сайты инициации репликации). Далее — для того, чтобы разъединить цепи ДНК, нужно прежде раскрутить их. Поскольку, как мы поняли, нужно иметь возможность раскручивать ДНК «с середины», цепи ДНК придётся для этого разрезать и потом сшивать обратно — ведь крутить всю длинную-длинную молекулу будет невозможно. Это делает фермент под названием топоизомераза. Фермент хеликаза отделяет одну цепь ДНК от другой, разрывая водородные связи. Образуется репликационная вилка, которая движется, оставляя за собой разъединённые цепи ДНК — как расстёгивающаяся молния. Расплетённая ДНК между двумя расходящимися репликационными вилками образует репликационный глазок.

Одноцепочечная ДНК всё время норовит с кем-нибудь комплементарно соединиться; для того, чтобы зафиксировать разъединённые цепи, с ними связываются специальные белки (SSB-белки, single-strand binding proteins). Теперь, кажется, можно начинать собирать комплементарные цепи, этим будут заниматься ферменты под названием ДНК-полимеразы. ДНК-полимеразы будут двигаться вдоль матричной цепи и соединять между собой нуклеотиды, встающие напротив неё, при условии, что они комплементарны (достаточное количество свободных нуклеотидов, конечно, должно быть в наличии в клеточном компартменте, где это происходит). Тут возникает небольшая проблема. ДНК-полимеразы могут только наращивать уже имеющуюся полинуклеотидную цепь, но не могут начать строить её «с нуля». На этот случай существуют праймазы, которые синтезируют короткий фрагмент РНК, комплементарный матричной цепи ДНК. Этот фрагмент — он называется праймером — будет «затравкой», к которой ДНК-полимеразы будут добавлять уже ДНК-овые нуклеотиды. Уже потом праймеры можно будет заменить соответствующими участками ДНК. Ещё одна проблема: в какую сторону двигаться ДНК-полимеразе по матричной цепи ДНК? Это должно как-то однозначно определяться, и по факту ДНК-полимераза всегда движется по матричной цепи от 3’-конца к 5’-концу. Но цепи ДНК, как мы помним, антипараллельны, и если по одной цепи можно двигаться в этом направлении просто вслед за репликационной вилкой, то другая цепь выходит от хеликазы «задом наперёд». Поэтому синтез дочерней цепи на ней будет происходить прерывисто, короткими кусочками, после сборки каждого из которых придётся «прыгать» вперёд, за убегающей репликационной вилкой, и начинать синтез следующего кусочка заново. Эти кусочки называются фрагментами Оказаки (в честь описавших их японских биологов — супругов Оказаки).

Для цепи, синтез которой следует за движением репликационной вилки, потребуется только один праймер, а вот для цепи, строящейся из фрагментов Оказаки, праймазе придётся поработать для начала синтеза каждого фрагмента. Все праймеры потом придётся вырезать, замещать ДНК-овыми нуклеотидами, а фрагменты Оказаки — сшивать между собой (это делает фермент под названием лигаза). Та цепь, которая строится «единым куском», называется лидирующей, а состоящая из фрагментов Оказаки — отстающей.

«Прыжок» за репликационной вилкой совершается не вдоль цепи. Цепь, служащая матрицей для отстающей цепи, образует петлю, так что участок, на который нужно «перепрыгнуть», приближен к месту окончания сборки очередного фрагмента Оказаки. То есть, фактически ДНК-полимераза, синтезирующая отстающую цепь, никуда не «прыгает», но через неё протягивается петля, увеличивающаяся по мере синтеза фрагмента Оказаки. За эту периодически «выдвигающуюся» петлю модель, описывающую репликацию, называют «моделью тромбона».