Первичную структуру важнейших биополимеров — белков и нуклеиновых кислот — можно сравнить с буквенной записью: и в том и в другом случае имеется не произвольное, а строго определенное, «имеющее смысл» чередование элементов — мономеров или букв. На этом основании нуклеиновые кислоты и белки называют информационными молекулами.
История изучения строения, биосинтеза и функций ДНК связана с возникновением и решением общебиологической проблемы наследственности.
На рубеже XIX и XX вв. генетические и цитологические исследования привели к выводу, что ответственными за передачу признаков по наследству являются хромосомы. При этом можно выделить некоторый наследственный признак, который передается с определенным участком хромосомы — геном.
После установления химической природы наследственного материала проблема самовоспроизведения (репликации) хромосом, а точнее — генотипа превратилась в проблему репликации ДНК. Первостепенное значение для решения этой проблемы имела разработка модели строения ДНК Ф. Криком и Дж. Уотсоном в 1953 г.
Синтез новых полинуклеотидных цепей при репликации катализирует фермент ДНК-полимераза. Реакцию удается осуществить и изучать in vitro, используя ферменты, выделенные из организма. Отметим важнейшие особенности реакции.
В живой клетке репликация ДНК представляет собой весьма сложный процесс. В частности, в нем участвует несколько ДНК-полимераз, заметно различающихся по свойствам и функциям. Кроме ДНК-полимераз в нем участвует еще около двух десятков белков. Репликация начинается в участках ДНК, имеющих определенную нуклеотидную последовательность и называемых ориджинами (англ. origin — начало). Этот участок узнают и присоединяются к нему ДНК-топоизомераза и ДНК-хеликаза.
Митотический клеточный цикл описывает изменения клеток в процессе их размножения (пролиферации). При этом выделяют фазы, которые можно различить и морфологически, и по особенностям биохимических процессов.Зрелые соматические клетки человека диплоидны, т. е. содержат две копии генома (фазы и G0). Во время фазы S происходит репликация ДНК: каждая из копий генома удваивается, и клетка становится тетраплоидной.
Как мы видели, репликация служит для передачи информации новым поколениям. С другой стороны, информация, записанная в ДНК (в генотипе), обеспечивает образование фенотипических признаков организма, трансформируется в фенотип. Это направление потока информации имеет гораздо более сложную природу и включает два других типа матричных биосинтезов — транскрипцию и трансляцию.
Субстратами реакции служат трифосфаты рибонуклеозидов. Реакция идет только в присутствии ДНК, выполняющей роль матрицы. Матрицей служит одна из цепей ДНК, называемая матричной (а также кодирующей, значащей) цепью. Все синтезированные молекулы РНК имеют структуру, комплементарную матрице, т. е. одной из цепей ДНК. Поскольку РНК представляет собой одноцепочечную молекулу (спирализованные участки составляют лишь часть молекулы), стехиомет-рические коэффициенты для всех четырех субстратов различны.
Терминация. В участке ДНК, где заканчивается ген, имеется последовательность нуклеотидов (сайт терминации), узнаваемый фактором терминации в том случае, когда цепи ДНК разделены. Следовательно, достигнув сайта терминации, РНК-полимераза стимулирует присоединение фактора терминации к ДНК, и синтезированная РНК (первичный транскрипт), а также РНК-полимераза и факторы транскрипции отделяются от ДНК.
Первичные транскрипты, образуемые РНК-полимеразами, еще не являются функционально активными молекулами и нуждаются в посттранскрипционной достройке. Созревание пре-мРНК включает три процесса: образование колпачка на 5'-конце, образование полиА-последовательности на З'-конце и удаление интронов (сплайсинг). Все эти процессы происходят в ядре.
