Биосинтез непросто описать людям, далеким от биологии. В интернете полно статей и учебников, написанных научным языком — скучно и непонятно. Мы совсем без терминов тоже не обошлись, но постарались описать механизм биосинтеза как можно проще.
История жизни — это история биосинтеза
Жизнь появилась около 3.5–4 миллиардов лет назад. За это время произошло много всего интересного: в атмосфере Земли появилось очень ценное вещество — свободный кислород, произошло несколько оледенений и массовых вымираний живых организмов, обезьянки из рода Homo научились заострять камни для добычи пищи, а уже через 2.5 миллиона лет выпустили первый айфон.
Все это время жизнь сохранялась и поддерживалась. И по большому счету, биологическая история Земли — увлекательная история о том, как воспроизводилась и менялась ДНК.
Прежде, чем читать про биосинтез, давайте бегло пробежимся по самой ДНК.
Дезоксирибонуклеиновая кислота: коротко о главном
ДНК — как карта памяти, в ней вся информация, необходимая для развития любого организма. Как именно проявится эта информация, во многом зависит от того, как работают другие нуклеиновые кислоты — РНК. Но про них расскажем в другой раз.
Структура ДНК известна всем: знаменитую двойную спираль постоянно показывают в фантастических фильмах про мутантов и используют в качестве иллюстрации к научпоп-статьям.
Каждая спираль состоит из нуклеозидов, их может быть четыре типа:
- Аденозин (А)
- Тимидин (Т)
- Гуанозин (Г)
- Цитидин (Ц)
Это те буквы, которыми написан текст жизни. Каждое слово в нем — отдельный ген. Каждый в какой-то степени определяет наше здоровье, способности, внешний вид — практически все.
Чтобы жизнь на Земле продолжалась, клетки (а вместе с ними и ДНК) должны делиться. Необходимость в делении клеток возникает также при росте организма и обновлении тканей. При этом ДНК клетки сначала удваивается, а затем распределяется по новым клеткам.
Пожалуй, важнейшая характеристика ДНК — способность сохраняться почти неизменной в ряду поколений. Именно поэтому у двух людей рождается человеческий малыш, а не котенок или щенок. Причем не случайный малыш, а похожий на маму и папу. Такую сохранность обеспечивают основные принципы репликации.Этот процесс, когда весь генетический материал удваивается, и есть биосинтез ДНК — репликация, если говорить строгим научным языком.
Принципы биосинтеза: матричность, комплементарность и полуконсервативность
Репликация — сложный матричный процесс, и многие его детали до сих пор неизвестны. За открытия в области изучения репликации присуждено несколько Нобелевских премий, что подчеркивает важность изучения этого процесса для науки.
В репликации матрица — это одна из спиралей ДНК. По ней можно безошибочно достроить вторую цепь. Только в биосинтезе ДНК новая цепочка — не точная копия исходной, а скорее ее зеркальное отражение. Создается она по двум простым правилам комплементарности:
- А — Т
- Г — Ц
Это значит, что если на одной спирали находится аденозин, то на второй напротив нее всегда стоит тимидин, а напротив гуанозина — цитидин.
Когда биосинтез завершился, из одной ДНК получаем две абсолютно такие же. В каждой из новых ДНК одна цепочка материнская, а вторая — достроенная по принципу «А–Т, Г–Ц» . Половинка старая, половинка новая — такой принцип называется полуконсервативным.
Этапы процедуры биосинтеза
Биосинтез ДНК в клетке происходит с участием большого числа специальных белков. Место действия — ядро клетки.
Главный белок — ДНК-полимераза. Она умеет достраивать одноцепочечную ДНК до двухцепочечной по принципу комплиментарности. Однако для этого надо провести подготовительные работы.
№1: расплести двухцепочечную спиральЗа это отвечают специальные «ножницы» — геликазы. ДНК очень длинная, а делящаяся клетка не может долго ждать — поэтому для ускорения процесса тысячи геликаз расплетают ДНК в тысячах мест одновременно.
Аккуратная двухцепочечная молекула ДНК после геликаз превращается в «растрепанную косичку» — тут и там спираль распадается на одиночные нити. Но этого недостаточно: полимераза не может сесть на ДНК в любом понравившемся ей месте и начать синтез. Для этого ей нужно подготовить специальную посадочную площадку — праймер, или попросту затравку.
Этим занимаются праймазы. Они садятся на одноцепочечную ДНК и синтезирует короткий хвостик из нескольких десятков букв-нуклеозидов. Это и есть тот самый праймер.
№3: синтезировать вторую цепочкуТут все просто. Полимераза садится на затравку, ползет по расплетенной спирали и синтезирует вторую цепочку. Когда она встречает следующую затравку, она сваливается с ДНК, садится на новую затравку и опять начинает синтез.
Особенности биосинтеза
Процесс репликации ДНК очень точный, однако и в нем могут возникать ошибки: примерно одна на миллион. Поэтому репликация всегда включает в себя репарацию.
Биологическая роль репарации — исправление погрешностей. Благодаря этому частота ошибок снижается до одного на миллиард. Но даже с такой высокой точностью с каждым делением в ДНК остаются ошибки. И иногда они могут приводить к различным заболеваниям, в том числе и раку. Об этом мы тоже как-нибудь обязательно расскажем подробнее.
Биосинтез ДНК: реакция в пробирке
Биологов хлебом не корми, а только дай какой-нибудь биологический процесс в пробирке воспроизвести. Вот и репликация давно уже учеными «приручена» и используется в диагностике.
В 1983 году Кэри Муллисом был придуман метод аналог биосинтеза ДНК в лаборатории — полимеразная цепная реакция (ПЦР). Для этого в пробирку помещают ферменты, затравки, нуклеозиды и другие необходимые компоненты. После этого запускают цикл биосинтеза интересующих последовательностей ДНК.
Такая схема подходит для генетических тестов:
- на выявление предрасположенностей к различным заболеваниям;
- на выявление индивидуальных особенностей метаболизма;
- на определение отцовства;
-
для поиска преступников.
