Функції нуклеїнових кислот в реалізації генетичної інформації: реплікація, транскрипція і трансляція. Методологічне значення принципу передачі генетичної інформації: ДНК - * РНК - * білок.
При синтезі «неінформаційних» молекули (наприклад, глікогену) чистота кінцевого продукту забезпечується спеціальним ферментом. Для ферменту характерна Субстратна специфічність, тобто його активний центр здатний приєднувати тільки молекулу UDP-глюкози і нередуцирующего кінець молекули глікогену, яка повинна бути подовжена. Таким чином, активний центр можна розглядати як «матрицю», оскільки між молекулами субстрату здійснюється комплементарная підгонка.
При синтезі макромолекул ДНК, РНК або білків один активний центр не в змозі забезпечити специфічну послідовність чотирьох кодують одиниць. Він може пов'язувати між собою тільки один або кілька «будівельних блоків», а нуклеїнові кислоти містять в своєму складі тисячі нуклеотидів. Тому природа пішла тут іншим шляхом: матрицею для синтезу ланцюга молекули ДНК служить інша ланцюг ДНК.
Транскрипція ДНК під час розподілу клітин починається з поділу двох ланцюгів, кожна з яких стає матрицею, що синтезує нуклеотидную послідовність нових ланцюгів. ХЕЛІКАЗИ, топоізомераза і ДНК-зв'язуючі білки розплітає ДНК, утримують матрицю в розведеному стані і обертають молекулу ДНК. Правильність реплікації забезпечується точною відповідністю комплементарних пар основ. Реплікація каталізу декількома ДНК-полімерази, а транскрипція - ферментом РНК-полімерази. Після реплікації дочірні спіралі закручуються назад вже без витрат енергії і будь-яких ферментів.
Порівняно непогано вивчений процес реплікації і транскрипції ДНК бактерій. Їх ДНК здатна реплицироваться, що не розпрямляючись в лінійну молекулу, тобто в кільцевої формі. Процес, мабуть, починається на певній ділянці кільця і йде відразу в двох напрямках (в одному - безперервно, у другому - фрагментарно з подальшим «склеюванням» фрагментів). Ініціація реплікації знаходиться під контролем клітинної регуляції. Швидкість реплікації ДНК становить близько 45000 нуклеотидів в хвилину; таким чином, батьківська вилка розплітається зі швидкістю 4500 об / хв.
Частота помилок при ДНК-реплікації не перевищує 1 на 109-1010 нуклеотидів. Настільки висока ступінь точності відтворення інформації визначається не тільки комплементарностью нуклеотидів, а й дією ДНК-полімерази, які здатні розпізнати помилку в образующемся коді і виправити її. Слід зауважити, що точність відтворення РНК і білків в тисячі разів нижче. Це пов'язано з тим, що транскрипція і трансляція, що зачіпають тільки одну клітку, - не настільки життєво важливі процеси, як реплікація, яка визначає майбутнє всього виду.
Реплікація еукаріот при такій же схемі тривала б кілька місяців (швидкість руху реплікативних вилок становить всього мікрометр в хвилину). Тому в ДНК еукаріот процес починається одночасно в сотнях і тисячах точок. Всі хромосоми в клітці повинні реплицироваться одночасно, і одночасно в клітці працюють багато тисяч вилок.
Між репликацией і транскрипцією є істотна різниця: у першому випадку копіюється вся молекула ДНК, у другому, як правило, тільки окремі гени. Мінімальна довжина і-РНК визначається довжиною поліпептидного ланцюга, для якої вона призначена. В ідентифікації послідовностей нуклеотидів, що позначають початок і кінець синтезують РНК генів, ще багато неясного.
Молекули р-РНК і т-РНК утворюються з більш довгих попередників - гетерогенних ядерних РНК (гя-РНК). Довжина гя-РНК збільшена за рахунок нетранслірующіхся интронов, яких в кінцевих РНК вже немає. Інтрони видаляються за допомогою малої ядерної РНК. мя-РНК комплементарна нуклеотидам на кінцях интронов - вона тимчасово з'єднується з ними, стягуючи інтрон в петлю. Кінці кодують фрагментів з'єднуються, після чого інтрон благополучно віддаляється з ланцюга.
Деякі РНК-віруси тварин за допомогою РНК-залежною ДНК-полімерази здатні синтезувати ДНК, комплементарную по відношенню до вірусної РНК. Вона вбудовується в геном еукаріотичної клітини, де може багато поколінь залишатися в прихованому стані. При певних умовах (наприклад, вплив канцерогенів) вірусні гени можуть активуватися, і здорові клітини перетворяться в ракові.
Синтез білка (трансляція) є найскладнішим з біосинтетичних процесів: він вимагає дуже великої кількості ферментів і інших специфічних макромолекул, загальна кількість яких, мабуть, доходить до трьохсот. Частина з них до того ж об'єднані в складну тривимірну структуру рибосом. Але незважаючи на велику складність синтез протікає з надзвичайно високою швидкістю (десятки амінокислотних залишків в секунду). Процес може сповільнюватися і навіть зупинятися інгібіторами-антибіотиками.
У п'ятдесятих роках XXвека було встановлено, що синтез білка відбувається в рібонуклеопротеінових частинках, що називаються рибосомами. Діаметр рибосоми бактерії E.coli складає 18нм, а їх загальна кількість - десятки тисяч в клітці. Рибосоми еукаріот декілька більше (21нм). Сам процес протікає в п'ять етапів.
1. Активація амінокислот. Кожна з 20 амінокислот білка з'єднується ковалентними зв'язками до певної т-РНК, використовуючи енергію АТФ. Реакція каталізу спеціалізованими ферментами, які вимагають присутності іонів магнію.
2. Ініціація білкової ланцюга. і-РНК, яка містить інформацію про даному білку, зв'язується з малою часткою рибосоми і з ініціації амінокислотою, прикріпленою до відповідної т-РНК. т-РНК комплементарна з перебувають в складі і-РНК кодонів, що сигналізує про початок білкової ланцюга.
3. Елонгація. Поліпептидний ланцюг подовжується за рахунок послідовного приєднання амінокислот, кожна з яких доставляється до рибосоми і вбудовується в певне положення за допомогою відповідної т-РНК. В даний час генетичний код повністю розшифрований, тобто всім амінокислотам поставлені у відповідність триплети нуклеотидів. Елонгація здійснюється за допомогою білків цитозолю (так звані фактори елонгації).
4. Терминация. Після завершення синтезу ланцюга, про що сигналізує ще один спеціальний кодон і-РНК, поліпептид вивільняється з рибосоми.
5. Згортання і процесинг. Щоб прийняти звичайну форму, білок повинен згорнутися, утворюючи при цьому певну просторову конфігурацію. До або після згортання поліпептид може зазнавати процесинг, який наразі триває ферментами і полягає у видаленні зайвих амінокислот, приєднання фосфатних, метильних і інших груп і т.п.
Генетичний код має низку особливостей. По-перше, в коді відсутні «розділові знаки», тобто сигнали, що показують початок і кінець кодонів. По-друге, 3 нуклеотидних триплетів (УАГ, УАА, УГА) не відповідають ніякої амінокислоті, а позначають кінець поліпептидного ланцюга, а кодон АУГ сигналізує про початок ланцюга або (якщо він в середині послідовності) про амінокислоті метіоніні. Багато амінокислоти можуть кодуватися кількома різними кодонами. Все кодони амінокислот однакові у всіх вивчених організмів: від вірусу до людини. Створюється враження, що всі організми на Землі походять від єдиного генетичного предка. Втім, останнім часом в мітохондріях клітин людини були виявлені кодони, що не збігаються з «нормальним» словником. Їх наявність є загадку для вчених.
Синтез білка вимагає великих витрат енергії - 24,2 ккал / моль. Після закінчення синтезу білок за допомогою спеціального поліпептидного лідера доставляється до місця свого призначення.
Синтез білка контролюють гени-оператори. Сукупність робочих генів - операторів і структурних генів - називається оперон. Оперон не є самостійною системою, а «підкоряються» генам-регуляторам. відповідає за початок або припинення роботи оперона. Свій контроль гени-регулятори здійснюють за допомогою спеціальної речовини, яку вони при необхідності синтезують. Ця речовина реагує з оператором і блокує його, що тягне за собою припинення роботи оперона. Якщо ж речовина реагує з невеликими молекулами - індукторами. це буде сигналом до відновлення роботи системи.