Рис.6. Амінокислоти і кодують їх триплети ДНК
Інші особливості є специфічними для різних видів організмів. У дріжджів триплет ДАТ і, можливо, все сімейство ГА кодує замість амінокислоти лейцину треонін. У ссавців триплет ТАГ має те ж значення, що і ТАЦ, і кодує амінокислоту метіонін замість изолейцина. Триплети ТЦГ і ТЦЦ в ДНК мітохондрій деяких видів не кодують амінокислот, будучи нонсенс-триплету. Поряд з триплетного, виродження, специфічністю і універсальністю найважливішими характеристиками генетичного коду є його безперервність і неперекриваемость кодонів при зчитуванні. Це означає, що послідовність нуклеотидів зчитується триплет за кодоном без пропусків, при цьому сусідні триплети не перекривають один одного, тобто кожен окремий нуклеотид входить до складу лише одного триплету при заданій рамці зчитування (рис.3.7). Доказом неперекриваемості генетичного коду є заміна тільки однієї амінокислоти в пептиді при заміні одного нуклеотиду в ДНК. У разі включення нуклеотиду в кілька перекриваються триплетів його заміна вабила б за собою заміну 2-3 амінокислот в пептидного ланцюга.
Рис.7. Безперервність і незаперечність генетичного коду при зчитуванні спадкової інформації.
Цифрами позначені нуклеотиди
4.2 Властивості ДНК як речовини спадковості і мінливості
4.2.1 Самовідтворення спадкового матеріалу. реплікація ДНК
Одним з основних властивостей матеріалу спадковості є його здатність до самокопірованія - реплікація. Це властивість забезпечується особливостями хімічної організації молекули ДНК, що складається з двох комплементарних ланцюгів. У процесі реплікації на кожній полінуклеотидних ланцюга материнської молекули ДНК синтезується комплементарна їй ланцюг. В результаті з однієї подвійної спіралі ДНК утворюються дві ідентичні подвійні спіралі. Такий спосіб подвоєння молекул, при якому кожна дочірня молекула містить одну материнську і одну знову синтезовану ланцюг, називають напівконсервативним.
Для здійснення реплікації ланцюга материнської ДНК повинні бути відокремлені один від одного, щоб стати матрицями, на яких будуть синтезуватися комплементарні ланцюга дочірніх молекул.
Ініціація реплікації здійснюється в особливих ділянках ДНК, які охоплюють ori (від англ. Origin - початок). Вони включають послідовність, що складається з 300 нуклеотидних пар, впізнавану специфічними білками. Подвійна спіраль ДНК в цих локусах розділяється на два ланцюги, при цьому, як правило, по обидва боки від точки початку реплікації утворюються області розбіжності полінуклеотидних ланцюгів - Реплікаційний вилки, які рухаються в протилежних від локусу ori напрямках. Між вилки реплікації утворюється структура, звана репликационная оком, де на двох ланцюгах материнської ДНК утворюються нові полінуклеотидні ланцюга (рис 8, А).
За допомогою ферменту гелікази, що розриває водневі зв'язки, подвійна спіраль ДНК розплітається в точках початку реплікації. Утворені при цьому одинарні ланцюга ДНК зв'язуються спеціальними дестабілізуючими білками, які розтягують остови ланцюгів, роблячи їх азотисті основи доступними для зв'язування з комплементарними нуклеотидами, що знаходяться в нуклеоплазмі. На кожній з ланцюгів, що утворюються в області вилки реплікації, за участю ферменту ДНК-полімерази здійснюється синтез комплементарних ланцюгів (рис 8, Б).
Рис.8. Область початку реплікації. репликационная вилка
А. Освіта Реплікаційний вічка.
В. Область вилки реплікації в молекулі ДНК
У процесі синтезу Реплікаційний вилки рухаються уздовж материнської спіралі в протилежних напрямках, захоплюючи все нові зони.
Поділ спірально закручених ланцюгів батьківської ДНК ферментом геліказу викликає поява супервитки перед репликационной виделкою. Це пояснюється тим, що при розбіжності кожних 10 пар нуклеотидів, що утворюють один виток спіралі, батьківська ДНК повинна зробити один повний оберт навколо своєї осі. Отже, для просування вилки реплікації вся молекула ДНК перед нею повинна була б швидко обертатися, що вимагало б великої затрати енергії. Насправді це не спостерігається завдяки особливому класу білків, званих ДНК-топоізомеразами. Топоізомераза розриває одну з ланцюгів ДНК, що дає їй можливість обертатися навколо другого ланцюга. Це послаблює напругу, що нагромадилася в подвійної спіралі ДНК (рис.9).
До вивільняються водневим зв'язкам нуклеотиднихпослідовностей розділених батьківських ланцюгів приєднуються вільні нуклеотиди з нуклеоплазми, де вони присутні у вигляді дезоксірібонуклеозідгріфосфатов: дАТФ, ДГТФ, дЦТФ, дТТФ. Комплементарний нуклеозидтрифосфат утворює водневі зв'язки з певним підставою материнської ланцюга ДНК. Потім за участю ферменту ДНК-полімерази він зв'язується фосфодіефірних зв'язком з попереднім нуклеотидом знову синтезованої ланцюга, віддаючи при цьому неорганічний пірофосфат (рис.10).
Оскільки ДНК-полімераза приєднує черговий нуклеотид до ОН-групі в 3'-положенні попереднього нуклеотиду, ланцюг поступово подовжується на її 3'-кінці.
Особливістю ДНК-полімерази є її нездатність почати синтез нової полінуклеотидних ланцюга шляхом простого скріплення двох нуклеозидтрифосфатів: необхідний 3'-ОН-кінець будь-якої полінуклеотидних ланцюга, спареної з матричної ланцюгом ДНК, до якої ДНК-полімераза може лише додавати нові нуклеотиди. Таку полінук-леотідную ланцюг називають запалом або праймером.
Роль затравки для синтезу полінуклеотидних ланцюгів ДНК в ході реплікації виконують короткі послідовності РНК, утворені за участю ферменту РНК-ПРАЙМАЗИ (рис.11). Зазначена особливість ДНК-полімерази означає, що матрицею при реплікації може служити лише ланцюг ДНК, що несе спарену з нею приманку, яка має вільний 3'-ОН-кінець.
Рис.9. Розрив однієї з ланцюгів ДНК за допомогою ферменту ДНК-топоізомерази: I - ДНК-топоізомераза утворює ковалентаую зв'язок з однією з фосфатних груп ДНК (верхня ланцюг); II - в результаті розриву фосфодіефірних зв'язку в одній полінуклеотидних ланцюга навколо відповідної їй зв'язку інший ланцюга здійснюється обертання, яке знімає напругу, викликане розбіжністю двох ланцюгів ДНК в області вилки реплікації; III - після зняття напруги в спіралі ДНК відбувається спонтанне відділення ДНК-топоізомерази і відновлення фосфодіефірних зв'язку в ланцюзі ДНК
Здатність ДНК-полімерази здійснювати збірку полинуклеотида в напрямку від 5 '- до 3' - кінця при антипаралельними з'єднанні двох ланцюгів ДНК означає, що процес реплікації повинен протікати на них по-різному. Дійсно, якщо на одній з матриць (3 '→ 5') збірка нового ланцюга відбувається безперервно від 5 '- до 3'-кінця і вона поступово подовжується на 3'-кінці, то інша ланцюг, що синтезується на матриці (5' → 3 '), повинна була б зростати від 3' - до 5'-кінця. Це суперечить напрямку дії ферменту ДНК-полімерази.