Процесинг ДНК та РНК

Фрагмент Кленова-результат часткового протеолізу ДНК-полімерази IE. Coli субтилізином. Основна функція полімерази III-синтез ланцюга, полімерази I-синтез і виправлення помилково вставлених нуклеотидів. Полімераза II здійснює особливі, спеціалізовані функції.

Реплікація починається з розплітання ланцюгів ДНК спеціальними білками, які називають ГЕЛІКАЗАМИ (або Rep-протеїном). Гелікази використовують енергію АТФ у процесі розплетення ланцюгів. Швидкість розплетення становить близько 6000 хв-1. Для того щоб розплетені ланцюги не могли знову з'єднатися, є спеціальні SSB-білки (single-strand binding proteins), які приєднуються до комплементарних ланцюгів, утримуючи їх від асоціації. У міру просування реплікаційної вилки SSB-протеїни пересуваються ланцюгом, дисоціюючи з одного місця і приєднуючись на іншому. Цей процес вимагає витрат енергії АТФ. Після звільнення достатнього місця починається синтез праймера-затравки, необхідної для роботи ДНК-полімерази. Наявність затравки є необхідною умовою функціонування ДНК-полімераз (як і наявність комплементарного ланцюга). Як затравка на кожному з розділених ланцюгів синтезуються невеликі відрізки молекул РНК за допомогою ферменту ПРИМАЗИ. Синтез нового ланцюга ДНК здійснюється завжди у напрямку 5'-3' , тому якщо з одного матричного ланцюга можливий безперервний синтез, то з комплементарної йому ланцюга синтез здійснюється лише ділянками. Ці ділянки синтезу називають фрагментами Оказаки. Коли синтез на одному з фрагментів Оказаки досягає праймера іншого фрагмента, РНК-праймер видаляється наявною у полімераз 5'-3' екзонуклеазної активністю і добудовується дезоксирибонуклеотидами. Після цього сахарофосфатний кістяк між фрагментами зшивається ковалентним зв'язком за допомогою ферменту ДНК-лігази.

Частота виникнення помилок при реплікації та транскрипції НЕ ПЕРЕВИЩАЄ 10 -8 -10 -9 , тобто можлива лише одна помилка на сотні мільйонів нуклеотидів. Така точність не може бути забезпечена одним тільки правилом комплементарності нуклеотидів (що забезпечує точність 1:10000-1:100000). Реплікаційний апарат має власні механізми "підтримання точності" копіювання генетичної інформації. Цими функціями мають усі ДНК-полімерази. Модель структури та функціональних ділянок (на прикладі ДНК-полімерази I) показана на малюнку. Вона має три зони активності - полімеризуючу в напрямку 5'-3', і екозонуклеазні в напрямках 5'-3' і 3'-5'. Області активності розділені просторово. Вперед (по ходу просування полімерази матричного ланцюга ДНК) звернена зона 5'-3' екзонуклеазної активності. Вона служить для видалення на шляху РНК-ових праймерів (затравок). Далі йде власне синтетична зона і, нарешті, зона з экзонуклеазной активністю у бік 3'-5'. З цією зоною пов'язана так звана PROOF-READING активність (здатність впізнавати неправильно вбудовані нуклеотиди) та виправляти їх вирізуванням ряду вже вбудованих нуклеотидів. Для цього молекула ДНК-полімерази зміщується (не від'єднуючись від ДНК-ової матриці) до місця синтезу і послідовно вирізує нуклеотиди, після чого відновлюється нормальний синтез.

Вплив на організм несприятливих факторів (хімічні сполуки, ультрафіолет та ін.) призводить до постійного накопичення помилок у геномі, які зрештою викликають появу патології, зокрема, нез'ясований досі механізм ракових захворювань. Поки що існують лише припущення про те, що причиною ракових захворювань є дефекти в носіях інформації-ДНК.

Транскрипція-синтез молекул РНК на підставі інформації, записаної в ДНК. Здійснюється в ядрах за участю ДНК-залежних РНК-полімераз, що існують у типах I, II та III (у порядку виходу в гель-хроматографії). РНК-полімерази I синтезують рибосомальні РНК у нуклеолях. РНК-полімерази II синтезують матричні та вірусні РНК. РНК-полімерази III синтезують транспортні РНК.

У процесі транскрипції копіюється не вся інформація з ДНК, а лише вибіркова, часто відрізками. Сигналом для приєднання полімерази служать так звані промотери, в районі якого (35 нуклеотидних пар до 10 пар після нього) і приєднується РНК-полімераза. Відбувається поділ ланцюгів ДНК і починається синтез молекули РНК у напрямку 5'-3', лише з одного з ланцюгів. При цьому за місцем тімінових нуклеотидів комплементарного ланцюга стають уридилові нуклеотиди. Весь комплекс пересувається по молекулі ДНК, доки не буде закінчено синтез необхідної ділянки РНК. ДНК з "відсканованою" інформацією репарує, асоціюючи в двониткові молекули.

Збудник туберкульозуMicobacterium tuberculosis(точніше, його РНК-полімераза) дуже чутливий до антибіотика РИФАМПИЦИНУ, тоді як людська РНК-полимераза щодо нього мало чутлива. На цій властивості рифампіцину засновано його використання у терапії туберкульозу.

Молекули РНК дуже часто зазнають посттранскрипційної модифікації, що полягає у видаленні ділянок побудованого ланцюга. Наочно це можна простежити з прикладу синтезу молекули транспортної РНК: