ДНК— носій спадкової інформації, записаної в послідовності нуклеотидів
Як ви вже знаєте, носієм інформації про розвиток, будову, функціонування живого організму є молекула ДНК. Ця молекула є лінійним полімером — полінуклео-тидом у вигляді ланцюга з нуклеотидних ланок. Загалом у цьому ланцюгу містяться нуклеотиди з нітрогеновмісними основами чотирьох типів: аденіном (А), гуаніном (Г), цитозином (Ц) та тиміном (Т)1. Ці нуклеотиди чергуються один з одним, і в послідовності їхнього з’єднання зашифровано текст — програму, за якою будується та працює живий організм. У цьому розділі ми будемо обговорювати, як цю програму, записану в послідовності нуклеотидів ДНК, виконує клітина. Та живим організмам недостатньо мати надійного зберігана інформації. Важливо, щоб цю інформацію можна було копіювати та передавати нащадкам.
Подвійна спіраль — основа напівконсервативного принципу реплікації
Багато людей, навіть далеких від біології, знають, який приблизно має вигляд молекула ДНК: це комплекс із двох переплетених ланцюгів — подвійна спіраль. Справді, майже увесь час молекула ДНК перебуває в такому комплексі2. При цьому полінуклеотидні ланцюги не ідентичні один одному. Навпроти залишку аденіну (А)
одного ланцюга розташований залишоктиміну (Т) другого ланцюга, навпроти залишку гуаніну (Г) — залишок цитозину (Ц). Це і є розглянутий нами раніше принцип комплементарності. У будові ДНК криється ключ до механізму її копіювання. Цей процес називають реплікацією. Молекула ДНК спочатку розплітається: ланцюги відокремлюються один від одного, формуючи одноланцю-гові ділянки. Потім завдяки роботі ферментативних систем клітини навпроти кожного з ланцюгів, що вийшли з вихідної — материнської — молекули ДНК, формуються дочірні ланцюги за принципом комплементарності. Так виникає дві ідентичні одна одній дволанцюгові спіральні молекули ДНК. У кожній із них один ланцюг нуклеотидів дістався від материнської молекули ДНК, а другий був синтезований наново. Такий механізм реплікації називають напівконсервативним: кожна молекула ДНК містить новий і старий (консервативний) ланцюги {рис. 21.1).
1 Багато нуклеотидів зазнають модифікацій, особливо в еукаріотичних організмів. Однак ці модифікації відбуваються вже після того, як нуклеотиди ввійдуть до ланцюга ДНК. Тут простежується певна паралель із білками.
2 Винятками є деякі віруси, такі як аденоасоційований вірус, ДНК якого в складі вірусної частинки перебуває в одноланцюговій формі. Однак у процесі життєвого циклу вірусу вона стає дволанцюговою.
Найважливіший фермент реплікації — ДНК-полімераза
Реплікація ДНК здійснюється складним комплексом біл-ків-ферментів і перебуває під жорстким контролем із боку клітини.
Одні білки беруть участь у розплітанні дволанцюгового комплексу, інші — стабілізують одноланцюгові ділянки, треті — беруть участь у синтезі нових ланцюгів ДНК.
Основний фермент, що бере участь у реплікації ДНК, — ДНК-полімераза. ДНК-полімераза забезпечує приєднання нових нуклеотидів до ланцюгів ДНК, що зростають. Нуклеотиди, які приєднуються до ланцюга ДНК, що росте, містять три послідовно з’єднані залишки ортофосфатної кислоти, як і молекула АТФ1. У процесі приєднання нуклеотиду до ланцюга від нуклеотиду відщеплюються два залишки ортофосфатної кислоти. Енергетично це еквівалентно розпаду двох молекул АТФ до АДФ та фосфату. Енергія, що виділяється, використовується, по-перше, для приєднання нуклеотиду до ланцюга, а по-друге, для переміщення ДНК-по-лімерази вздовж нитки ДНК. Таким чином, ДНК-полімераза є не тільки ферментом біосинтезу ДНК, а й молекулярним мотором, що переміщується нею.
Ділянка ДНК, у якій відбувається процес реплікації, має характерну Y-подіб-ну будову й називається реплікативною вилкою (рис. 21.2). Реплікативні вилки виникають тільки в певних ділянках ДНК, які містять послідовності, відповідальні за запуск реплікації. Зазвичай на одній такій ділянці формуються дві вилки, які рухаються в протилежних напрямках, формуючи так звані реплікативні вічка (за схожістю із зовнішнім виглядом вічка). Кількість точок початку реплікації різниться в різних організмів. Так, у хромосомі бактерій є одна точка початку реплікації, а в хромосомах еукаріотів — багато. Це пов’язано з тим, що розмір хромосом еукаріотів у десятки та сотні разів перевищує розмір прокаріотичних хромосом. Для того, щоб прискорити процес копіювання всієї ДНК, реплікація в еукаріотів запускається одразу в кількох місцях. При цьому сусідні вічка в процесі росту зли-
ваються одне з одним. Окрім того, кількість точок запуску реплікації різниться навіть у клітинах одного організму. Наприклад, у дорослої плодової мушки (дрозофіли) реплікація всієї ДНК клітини зазвичай триває 8 годин. А в ембріона на ранніх стадіях розвитку реплікація такої самої кількості ДНК закінчується за ЗО хвилин. Це досягається не збільшенням швидкості синтезу, а збільшенням кількості точок початку реплікації. Таким чином, у клітині ембріона плодової мушки на одиницю довжини ДНК є більше активних реплікативних вилок, ніжу дорослої мухи. Це дає змогу значно прискорити процес подвоєння ДНК.
ДНК прокаріотичної клітини реплікується в цитоплазмі, тоді як в еукаріотів цей процес повністю відбувається в ядрі. До того ж в еукаріотів є ДНК в органелах — мітохондріях і хлоропластах. Реплікація цієї ДНК здійснюється незалежно від ДНК ядра, а ферментативні системи, що беруть участь у цьому процесі, більше нагадують прокаріотичні, ніж еукаріотичні. Реплікація ДНК еукаріотів чітко пов’язана з певним періодом у житті клітини та відбувається перед клітинним поділом. Як правило, за проміжок часу між клітинними поділами вся ДНК реплікується тільки один раз.
Реплікація відбувається з помилками
Реплікація ДНК — життєво важливий процес, оскільки вона забезпечує копіювання спадкової інформації та передавання її нащадкам. Від того, наскільки точно здійснюється реплікація, залежить збереження генетичної програми в часі, передавання від покоління до покоління. Проте реплікація неможлива без помилок. ДНК-полімераза приєднує нуклеотиди відповідно до принципу комплементарності, але іноді помиляється у виборі нуклеотиду. Зазвичай вона робить одну помилку на мільярд нуклеотидів. Іноді полімераза «пропускає» нуклеотид, а іноді — вставляє зайвий. Усе це приводить до зміни послідовності нуклеотидів у дочірніх ланцюгах ДНК порівняно з материнською ДНК (рис. 21.3).
Але в клітині є ферментативні системи, що розпізнають ці помилки та виправляють їх. Ці системи називають системами репарації1. Річ у тім, що на тих ділянках ДНК, де є пара некомплементарних нуклеотидів, чи одного нуклеотиду немає, чи один зайвий, виникає порушення класичної дволанцюгової спіральної структури. Такі порушення розпізнаються системами репарації. Ці системи визначають, який ланцюг материнський, а який — дочірній. Це можливо завдяки модифікаціям нуклеотидів: материнський ланцюг ДНК їх містить, натомість у дочірньому вони з’явитися ще не встигли. Материнський ланцюг містить «правильну» послідовність нуклеотидів, а дочірній — послідовність «із помилкою». Після цього ферменти репарації видаляють елемент дочірнього ланцюга, що містить помилку, й особлива ДНК-полімераза наново добудовує його.
Однак, незважаючи на роботу систем репарації, деякі помилки залишаються непоміченими. Якщо помилка в дочірньому ланцюгу залишиться непоміченою й не буде виправлена, то в наступному циклі реплікації вона закріпиться. У такий спосіб виникає точкова мутація.
Помилки, що залишилися, є основою для мінливості
Мутації постійно виникають через помилки реплікації. Незважаючи на досить низьку частоту помилок, а також роботу систем репарації, із часом мутації накопичуються та призводять до змін генетичної інформації. Такі зміни можуть погано позначатися на якості інформації, закодованої в ДНК. Пояснімо сказане на прикладі. Уявімо, що в нас є певний текст, записаний літерами (це не нуклеотиди ДНК, але певна схожість простежується).
ШИШКИНАСОСНІШАШКИНАСТОЛІУСОНІШАШКИУСИМИШИШКИ
Це доволі місткий текст, у якому є інформація про предмети (ШИШКИ, ШАШКИ), їхніх власників (УСОНІ, УСИМИ), місце розташування (НАСОСНІ, НАСТОЛІ). Цей текст переписуватиметься як послідовності ДНК, і в ньому неминуче виникатимуть помилки. Більшість помилок робитимуть цей текст беззмістовним.
У першому випадку змінюється предмет (МИШКИ), у другому — предмет змінюється на ім’я (МАШКИ), у третьому — власник (УРИМИ). Ці програми вже мають іншу «змістовну» інформацію. Вони можуть закріпитися в процесі еволюції й стати джерелом нових ознак. Інші «беззмістовні» та «шкідливі» програми із часом викидатимуться. Саме так і відбувається еволюція на молекулярному рівні. Докладніше цей процес ми розглянемо в § 44. Зараз ми зробимо лише два важливі висновки.
1. Мутації ДНК, що виникають у результаті помилок реплікації, а також під впливом інших чинників, є джерелом різноманітності послідовностей ДНК, а отже, і мінливості в популяціях організмів.
2. Мутації можуть сприяти виникненню нової інформації, лише якщо відбувається відбір «змістовних» і «не дуже шкідливих» поєднань нуклеотидів. В іншому разі мутації призводять до втрати генетичної інформації.
Поміркуймо
Знайдіть одну правильну відповідь
1. ДНК-полімераза приєднує нуклеотиди до
А материнського полінуклеотидного ланцюга Б дочірнього полінуклеотидного ланцюга В материнського та дочірнього полінуклеотидних ланцюгів Г трьох залишків ортофосфатної кислоти Д реплікативної вилки
2. Система репарації НЕ розпізнає
А кількох однакових нуклеотидів поспіль Б зайвий нуклеотид в одному з ланцюгів В відсутність відповідного нуклеотиду в одному ланцюгу Г пару некомплементарних нуклеотидів Д невідповідний нуклеотид в одному з ланцюгів
3. Реплікація у тварин відбувається в
А ядрі Б цитозолі В ядрі та цитозолі
Г ядрі та мітохондріях Д ядрі, мітохондріях і хлоропластах
4. ДНК в еукаріотів подвоюється
А один раз перед кожним поділом клітини Б два рази перед кожним поділом клітини
В у будь-який час Г тільки під час поділу клітини Д постійно
5. Накопичення «змістовних» поєднань нуклеотидів призводить до А виродження спадкової інформації Б беззмістовного копіювання непотрібної інформації В порушення дволанцюгової спіральної структури ДНК Г набуття організмом нових ознак Д смерті організму
Сформулюйте відповідь кількома реченнями
6. Чому реплікація ДНК є напівконсервативною? Як відбувалася б консервативна реплікація, якби обидва ланцюги нової спіралі ДНК синтезувалися знову?
7. Чому для реплікації обов’язковим є розплітання дволанцюгової структури?
8. На що впливає кількість реплікативних вилок на хромосомі? У яких випад
ках потрібна велика кількість цих вилок?
9. Які наслідки для організмів мало б збільшення частоти появи помилок під
час реплікації? А які — зменшення ефективності репарації?
10. Як виглядав би живий світ, якби нова «змістовна» інформація в ДНК не за
кріплювалася в процесі еволюції?
Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи
11. Під час розкручування спіралі ДНК у реплікативній вилці неподвоєна частина молекули мусить ще більше скручуватися або швидко обертатися. Обидва процеси через велику довжину молекули неможливі. Як реплікативна машина вирішує таку проблему?
12. Ричард Ленські в Мічиганському університеті 1988 року почав довготривалий експеримент з еволюції кишкової палички, який триває й сьогодні. Як із часом змінилася частота виникнення мутацій? Яких унікальних властивостей набули бактерії за ці роки?
Дізнайся самостійно та розкажи іншим
13. Фільм «Темний бік Сонця» розповідає про юнака (його зіграв Бред Пітт), який не може з’являтися на сонячному світлі без захисного одягу. Із чим пов’язане таке «захворювання»? Чи можна допомогти юнакові методами сучасної медицини?
Це матеріал з підручника Біологія 9 клас Шаламов