Гонський Я.І., Максимчук Т.П. Біохімія людини

Подождите немного. Документ загружается.

463

ÐÎÇÄ²Ë 13. Á²ÎÑÈÍÒÅÇ ÍÓÊËÅ¯ÍÎÂÈÕ

ÊÈÑËÎÒ ² Á²ËÊ²Â

1. Á²ÎÑÈÍÒÅÇ ÍÓÊËÅ¯ÍÎÂÈÕ ÊÈÑËÎÒ

Ïðîáëåìà á³îñèíòåçó á³ëêà ³ íóêëå¿íîâèõ êèñëîò íàäçâè÷àéíî ö³êàâà

íå ò³ëüêè äëÿ ìåäèöèíè é á³îõ³ì³¿, àëå é äëÿ ìîëåêóëÿðíî¿ ãåíåòèêè çîêðå-

ìà. Ï³ä ÷àñ á³îñèíòåçó á³ëêà â³äáóâàºòüñÿ ðåàë³çàö³ÿ ãåíåòè÷íî¿ (ñïàäêî-

âî¿) ³íôîðìàö³¿, çàêëàäåíî¿ â ÄÍÊ, ÿêà ïðîÿâëÿºòüñÿ ó âèãëÿä³ â³äòâîðåííÿ

â³äïîâ³äíèõ á³ëêîâèõ òà íåá³ëêîâèõ ñòðóêòóð, ¿õ âëàñòèâîñòåé òà ïîâåä³í-

êè ö³ëîãî îðãàí³çìó. Âæå â ê³íö³ Õ²Õ ñò. ãåíåòè÷í³ òà öèòîëîã³÷í³ äîñë³-

äæåííÿ äîâåëè, ùî çà ïåðåäà÷ó îçíàê çà ñïàäêîâ³ñòþ â³äïîâ³äàþòü õðî-

ìîñîìè. Âåëèêà çàñëóãà â ðîçêðèòò³ ìåõàí³çìó ïåðåäà÷³ ñïàäêîâèõ îçíàê

â³ä ïîêîë³ííÿ äî ïîêîë³ííÿ íàëåæèòü ÷åñüêîìó ïðèðîäîäîñë³äíèêó, ìîíà-

õó Ãðåãîðó Ìåíäåëþ. Ðîëü á³îõ³ì³¿ ó âèð³øåíí³ öüîãî ïèòàííÿ â ìèíóëîìó

ñòîë³òò³ áóëà äðóãîðÿäíîþ. Ìîæíà çãàäàòè ëèøå äâîõ í³ìåöüêèõ ó÷åíèõ:

ïðîôåñîð Ãîïïå-Çåéëåð äîðó÷èâ ñâîºìó ó÷íåâ³ Ì³øåðó (1866) äîñë³äèòè

áèíòè, ùî çí³ìàëè ³ç ãí³éíèõ ðàí. Ì³øåð, âèêîíàâøè çàâäàííÿ, ïîâ³äî-

ìèâ, ùî â ãíî¿ ðàí º êèñëà ðå÷îâèíà, ÿêó â³í íàçâàâ íóêëå¿íîì. Ï³çí³øå ö³

ðå÷îâèíè áóëè íàçâàí³ íóêëå¿íîâèìè êèñëîòàìè. Ïðîéøëî á³ëüø ÿê ï³âñòî-

ë³òòÿ, ïîêè â÷åí³ ïî÷àëè ïîâ'ÿçóâàòè ç íóêëå¿íîâèìè êèñëîòàìè ñïàäêîâ³

âëàñòèâîñò³ îðãàí³çìó. Îñê³ëüêè õðîìîñîìè ñêëàäàþòüñÿ ç ÿäåðíèõ á³ëê³â

òà ÄÍÊ, òî âèíèêëî ïèòàííÿ, ÿêà ðîëü êîæíîãî ç öèõ êîìïîíåíò³â ó

ïåðåäà÷³ ñïàäêîâèõ îçíàê. Åêñïåðèìåíòàëüíî áóëî äîâåäåíî, ùî îñíîâíà

ðîëü â ïåðåäà÷³ ñïàäêîâî¿ ³íôîðìàö³¿ íàëåæèòü ÄÍÊ, à á³ëîê âèêîíóº

çàõèñíó òà ñòàá³ë³çóâàëüíó ôóíêö³þ äëÿ ÄÍÊ. Íàãëÿäíèì äîâåäåííÿì

öüîãî ïîñëóæèëî âèâ÷åííÿ ðîçìíîæåííÿ áàêòåð³îôàãà (â³ðóñ, ùî óðàæàº

áàêòåð³¿) ó êèøêîâ³é ïàëè÷ö³. Âñòàíîâëåíî, ùî áàêòåð³îôàã ñêëàäàºòüñÿ

³ç ÄÍÊ òà á³ëêîâî¿ îáîëîíêè. Ï³ä ÷àñ çàðàæåííÿ êèøêîâî¿ ïàëè÷êè ôàã

ïðèêð³ïëþºòüñÿ äî ñò³íêè áàêòåð³¿ ³ âñåðåäèíó ¿¿ âïîðñêóº ÄÍÊ, á³ëêîâà

îáîëîíêà ïðè öüîìó çàëèøàºòüñÿ çîâí³ íà ïîâåðõí³. ×åðåç ê³ëüêà õâèëèí

â áàêòåð³¿ âèÿâëÿþòü ñîòí³ ôàãîâèõ ÷àñòèíîê, ùî ìàþòü íîâó á³ëêîâó

îáîëîíêó ³ ÄÍÊ âñåðåäèí³. Çâ³äñè ÿñíî, ùî âñÿ ³íôîðìàö³ÿ ïðî ñòðóêòóðó

ôàãà ì³ñòèòüñÿ â ÄÍÊ. Ãåíåòè÷íà ³íôîðìàö³ÿ, òîáòî ïàì'ÿòü ïðî ñòðóêòó-

ðó á³ëê³â, õàðàêòåðíèõ äëÿ äàíî¿ êë³òèíè, çàêîäîâàíà â íóêëåîòèäí³é ïî-

ñë³äîâíîñò³ ÄÍÊ (àáî ÐÍÊ äëÿ ÐÍÊ-âì³ñíèõ â³ðóñ³â). Ïðè ïîä³ë³ êë³òèí

464

â³äáóâàºòüñÿ òî÷íå â³äòâîðåííÿ ìîëåêóë ÄÍÊ ³ç íàñòóïíèì ð³âíèì ðîçïî-

ä³ëîì ³íôîðìàö³éíîãî ìàòåð³àëó êë³òèíè ì³æ äî÷³ðí³ìè êë³òèíàìè. Ó ïðî-

öåñ³ ðåàë³çàö³¿ ãåíåòè÷íî¿ ³íôîðìàö³¿ ÄÍÊ ñëóæèòü ìàòðèöåþ äëÿ ñèíòå-

çó ÐÍÊ, à ÐÍÊ – ìàòðèöåþ äëÿ ñèíòåçó á³ëê³â. Öþ òåçó íàçèâàþòü öåíò-

ðàëüíîþ äîãìîþ (ïîñòóëàòîì) ìîëåêóëÿðíî¿ á³îëîã³¿:

ДНК РНК білок

Ñòð³ëêè ïîêàçóþòü íàïðÿìè ïåðåíåñåííÿ ãåíåòè÷íî¿ ³íôîðìàö³¿, à

öèôðè – êîíêðåòí³ ìåòàáîë³÷í³ ïðîöåñè. ²ñíóþòü òðè ð³çíîâèäè ïåðå-

äà÷³ ãåíåòè÷íî¿ ³íôîðìàö³¿:

1. Ðåïë³êàö³ÿ – ñèíòåç äî÷³ðí³õ ìîëåêóë ÄÍÊ, ³äåíòè÷íèõ ìàòå-

ðèíñüê³é ÄÍÊ (ÄÍÊ → ÄÍÊ).

2. Òðàíñêðèïö³ÿ – ñèíòåç íà ìàòðèö³ ÄÍÊ ìîëåêóë ÐÍÊ, íóêëåîòèä-

íà ïîñë³äîâí³ñòü ÿêèõ êîìïëåìåíòàðíà ïåâí³é ä³ëÿíö³ ìàòðèö³ (ÄÍÊ→ ÐÍÊ).

Íà ÄÍÊ-ìàòðèöÿõ óòâîðþþòüñÿ âñ³ òðè òèïè ÐÍÊ – ìÐÍÊ, ðÐÍÊ, òÐÍÊ.

3. Òðàíñëÿö³ÿ – ñèíòåç á³ëê³â, àì³íîêèñëîòíà ïîñë³äîâí³ñòü ÿêèõ

âèçíà÷àºòüñÿ íóêëåîòèäíîþ ïîñë³äîâí³ñòþ ìÐÍÊ (ìÐÍÊ → á³ëîê).

Ó êë³òèíàõ, ³íô³êîâàíèõ ÐÍÊ-âì³ñíèìè â³ðóñàìè, â³äáóâàþòüñÿ ùå

òàê³ ïðîöåñè, ÿê çâîðîòíà òðàíñêðèïö³ÿ (4) ³ ðåïë³êàö³ÿ ÐÍÊ (5). Çâîðîòíà

òðàíñêðèïö³ÿ – ñèíòåç ÄÍÊ, íóêëåîòèäíà ïîñë³äîâí³ñòü ÿêî¿ êîìïëåìåí-

òàðíà ïîñë³äîâíîñò³ ìîëåêóëè ÐÍÊ (ÐÍÊ → ÄÍÊ). Ðåïë³êàö³ÿ ÐÍÊ –

ñèíòåç ìîëåêóë ÐÍÊ íà ìàòðèö³ â³ðóñíî¿ ÐÍÊ äëÿ óòâîðåííÿ íîâèõ â³ðóñ-

íèõ ÷àñòèíîê (ÐÍÊ → ÐÍÊ).

Êð³ì òîãî, âàæëèâèìè ïðîöåñàìè ó ïåðåäà÷³ ãåíåòè÷íî¿ ³íôîð-

ìàö³¿ º ðåïàðàö³ÿ, ðåêîìá³íàö³ÿ ³ òðàíñïîçèö³ÿ ÄÍÊ.

1. Ðåïàðàö³ÿ – ôåðìåíòàòèâíå âèäàëåííÿ ³ ïîâòîðíèé ñèíòåç ä³ëÿ-

íîê ÄÍÊ, ùî îòðèìàëè ïîøêîäæåííÿ ï³ä ä³ºþ ô³çè÷íèõ òà õ³ì³÷íèõ àãåíò³â.

2. Ðåêîìá³íàö³ÿ – îáì³í ãåíåòè÷íèì ìàòåð³àëîì ì³æ ð³çíèìè ìîëå-

êóëàìè ÄÍÊ. Çà öèõ óìîâ óòâîðþþòüñÿ òàê çâàí³ ðåêîìá³íàíòí³ ÄÍÊ.

3. Òðàíñïîçèö³ÿ – ïåðåì³ùåííÿ ãåíà ÷è ãðóïè ãåí³â ³ç îäíîãî ì³ñöÿ

ãåíîìó â ³íøå. Òàê³ ãåíè íàçèâàþòüñÿ òðàíñïîçîíàìè, àáî ñòðèáàþ÷è-

ìè ãåíàìè. Âîíè ìîæóòü âèêëèêàòè ïåðåáóäîâó òèõ ä³ëÿíîê ÄÍÊ, ïîðÿä

ç ÿêèìè âîíè ðîçì³ùóþòüñÿ, âïëèâàþòü íà ì³íëèâ³ñòü îðãàí³çì³â ³ ¿õ

åâîëþö³þ.

1.1. Á³îñèíòåç ÄÍÊ (ðåïë³êàö³ÿ)

Ìîäåëü ïîäâ³éíî¿ ñï³ðàë³ Óîòñîíà-Êð³êà íå ò³ëüêè îïèñóº ñòðóêòó-

ðó ÄÍÊ, àëå é ïîêàçóº, ÿêèì ÷èíîì öÿ ìîëåêóëà ìîæå òî÷íî â³äòâîðþ-

âàòèñü. Îñê³ëüêè íóêëåîòèäí³ ïîñë³äîâíîñò³ äâîõ ëàíöþã³â ìîëåêóëè ÄÍÊ

êîìïëåìåíòàðí³, òî ï³ñëÿ ðîçä³ëåííÿ ëàíöþã³â ìàòåðèíñüêî¿ ìîëåêóëè

êîæíèé ³ç íèõ ñëóæèòü ìàòðèöåþ äëÿ á³îñèíòåçó êîìïëåìåíòàðíîãî

äî÷³ðíüîãî ëàíöþãà (ðèñ. 13.1).

465

А⋅⋅Т

Г⋅⋅Ц

ЦГ

А⋅Т

ТА

Т⋅⋅А

Т⋅⋅ А

А ⋅⋅⋅⋅ Т

Т ⋅⋅ А

А ⋅⋅⋅⋅ Т

Т ⋅⋅ А

А⋅⋅ТА⋅⋅Т

Т⋅⋅⋅ АТ⋅⋅⋅ А

ЦГ

ГЦ

Ñòàðèé ëàíöþã Ñòàðèé ëàíöþã

Ñòàðèé

ëàíöþã

Ñòàðèé

ëàíöþã

Íîâèé

ëàíöþã

Íîâèé

ëàíöþã

Ðèñ. 13.1. Ñõåìà íàï³âêîíñåðâàòèâíî¿ ðåïë³êàö³¿

ÄÍÊ. Öåé ïðîöåñ ïîâ’ÿçàíèé ç ðîçä³ëåííÿì ïàð

îñíîâ ³ ðîçïë³òàííÿì äâîõ ëàíöþã³â âèõ³äíî¿

ñï³ðàë³; êîæíèé ëàíöþã äàë³ âèêîðèñòîâóºòüñÿ

ÿê ìàòðèöÿ äëÿ ñèíòåçó íîâîãî êîìïëåìåí-

òàðíîãî ëàíöþãà.

Âèõ³äí³ ìàòåðèíñüê³ ³ íî-

âîñèíòåçîâàí³ äî÷³ðí³ ëàíöþ-

ãè ïîïàðíî ç'ºäíóþòüñÿ,

óòâîðþþ÷è äâ³ ëàíöþãîâ³ ìî-

ëåêóëè ÄÍÊ, ïîâí³ñòþ ³äåí-

òè÷í³ ìàòåðèíñüê³é ìîëåêóë³.

Öåé ñïîñ³á ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ

íàçèâàºòüñÿ íàï³âêîíñåðâà-

òèâíèì, îñê³ëüêè â êîæí³é

äî÷³ðí³é ÄÍÊ çáåð³ãàºòüñÿ

ò³ëüêè îäèí ìàòåðèíñüêèé

ëàíöþã. Åêñïåðèìåíòè ä³é-

ñíî ï³äòâåðäèëè íàï³âêîíñåð-

âàòèâíèé ñïîñ³á ðåïë³êàö³¿, à

íå êîíñåðâàòèâíèé, ïðè ÿêî-

ìó îäíà äî÷³ðíÿ ìîëåêóëà

ÄÍÊ ïîâèííà áóëà á ìàòè

îáèäâà âèõ³äí³ ëàíöþãè, à

äðóãà ñêëàäàëàñü áè ³ç äâîõ

íîâîñèíòåçîâàíèõ ëàíöþã³â.

Ïðè êîíñåðâàòèâíîìó ìå-

õàí³çì³ íîâèé ëàíöþã ÄÍÊ

óòâîðþºòüñÿ ïðÿìî íà ïî-

äâ³éí³é ñï³ðàë³ áåç ¿¿ ðîçêðó-

÷óâàííÿ. Íàï³âêîíñåðâàòèâ-

íèé ñïîñ³á ðåïë³êàö³¿ åêñïå-

ðèìåíòàëüíî áóâ ï³äòâåð-

äæåíèé â äîñë³äàõ ³ç êë³òè-

íàìè êèøêîâî¿ ïàëè÷êè.

Ì. Ìåçåëüñîí ³ Ô. Ñòàëü ó

1957 ð. âèðîùóâàëè êóëüòóðó

Å. ñîl³ íà ñåðåäîâèù³, ùî ì³ñòèëî ºäèíå äæåðåëî àçîòó

NÍ

Ñl. Ï³ñëÿ

öüîãî âñ³ ðå÷îâèíè êë³òèí Å. ñîl³, ó ÿê³ âõîäèòü àçîò, ì³ñòèëè ò³ëüêè

ßêùî êóëüòóðó, ùî ì³ñòèëà

N-ÄÍÊ, ïåðåñ³ÿëè íà ñåðåäîâèùå, â ÿêîìó

áóâ ëåãêèé àçîò (

NÍ

Ñl), òî ÄÍÊ êë³òèí ïåðøîãî ïîêîë³ííÿ ìàëà ãóñòè-

íó, ïðîì³æíó ì³æ

Cl ³

Ñ²; â êë³òèíàõ äðóãîãî ïîêîë³ííÿ áóëè

âèÿâëåí³ äâà òèïè ÄÍÊ – ç ïðîì³æíîþ ãóñòèíîþ ³ ëåãêîþ (

N-ÄÍÊ). Ö³

ðåçóëüòàòè ö³ëêîì óçãîäæóþòüñÿ ³ç íàï³âêîíñåðâàòèâíèì ìåõàí³çìîì ðåï-

ë³êàö³¿ ÄÍÊ. Ï³çí³øå áóëî âñòàíîâëåíî, ùî â êë³òèíàõ åóêàð³îò³â ðåïë³êà-

ö³ÿ ÄÍÊ â³äáóâàºòüñÿ òàêîæ íàï³âêîíñåðâàòèâíèì ñïîñîáîì (ðèñ. 13.2).

Ðåïë³êàö³ÿ ñêëàäàºòüñÿ ç âåëèêî¿ ê³ëüêîñò³ ïîñë³äîâíèõ åòàï³â, ùî

âêëþ÷àº ðîçï³çíàâàííÿ òî÷êè (ì³ñöÿ) ïî÷àòêó ðåïë³êàö³¿, ðîçïë³òàííÿ

ïîäâ³éíî¿ ñï³ðàë³ ìàòðèö³ ÄÍÊ é óòðèìàííÿ ëàíöþã³â ¿¿ íà äîñòàòí³é

466

Áàêòåð³¿ ðîñòóòü

íà ñåðåäîâèù³ ç N

;

âñÿ ÄÍÊ òÿæêà

Ïåðåíîñ íà

ñåðåäîâèùå ç N

Êë³òèíè ðîñòóòü

íà ñåðåäîâèù³ ç N

²ç êë³òèí âèä³ëÿþòü ÄÍÊ, çì³øóþòü ¿¿ ç ðîç÷èíîì CsCl

(6 Ì; ãóñòèíà

1,7) ³ ïîì³ùàþòü â óëüòðàöåíòðèôóãó

Öåíòðèôóæíà

ïðîá³ðêà

Ìîëåêóëè ÄÍÊ ïåðåõîäÿòü â

øàð, â ÿêîìó ¿õ ãóñòèíà ð³âíà

ãóñòèí³ ðîç÷èíó CsCl

Ï³ä âïëèâîì â³äöåíòðîâî¿

ñèëè êîíöåíòðàö³ÿ CsCl

çá³ëüøóºòüñÿ â íàïðÿìêó

äî äíà ïðîá³ðêè

“Тяжка” ДНК

“Легка” ДНК

Ðîçòàøóâàííÿ ìîëåêóë ÄÍÊ:

Äî ïåðåíîñó â

ñåðåäîâèùå ç N

Ïåðøå ïîêîë³ííÿ â

ñåðåäîâèù³ ç N

Äâà ïîêîë³ííÿ êë³òèí ï³ñëÿ

ïåðåíîñó â ñåðåäîâèùå ç N

Ðèñ. 13.2. Ñõåìà äîñë³ä³â Ìåçåëüñîíà-Ñòàëÿ, ÿê³ ïîêàçóþòü, ùî ðåïë³êàö³ÿ ÄÍÊ

â³äáóâàºòüñÿ íàï³âêîíñåðâàòèâíèì ñïîñîáîì (êîæíèé ³ç äâîõ âèõ³äíèõ ëàíöþã³â

ïåðåõîäèòü â îäíó ³ç äî÷³ðí³õ ïîäâ³éíèõ ñï³ðàëåé).

Гібридна

-N

-ДНК

467

â³äñòàí³ îäèí â³ä îäíîãî, óòâîðåííÿ ôðàãìåíò³â äëÿ ³í³ö³àö³¿ ñèíòåçó

äî÷³ðí³õ ëàíöþã³â-ïðèìàíêè, åëîíãàö³þ ñèíòåçó (íàðîùåííÿ ïîë³íóê-

ëåîòèäíîãî ëàíöþãà) ³ éîãî òåðì³íàö³þ, óòâîðåííÿ íàòèâíî¿ êîíôîð-

ìàö³¿ ìîëåêóë ÄÍÊ.

Ãîëîâíèìè ôåðìåíòàìè º ÄÍÊ-çàëåæí³ ÄÍÊ-ïîë³ìåðàçè. Êë³òèíè ó

ïðîêàð³îò³â ³ åóêàð³îò³â ì³ñòÿòü äåê³ëüêà ÄÍÊ-ïîë³ìåðàç. Äîáðå âèâ÷åí³

ÄÍÊ-ïîë³ìåðàçè I, II, III Å. coli. Á³ëüø³ñòü åóêàð³îòíèõ êë³òèí ì³ñòÿòü

ÄÍÊ-ïîë³ìåðàçè α, β, γ. Êð³ì ÄÍÊ-ïîë³ìåðàç, ó ïðîöåñ³ ðåïë³êàö³¿ áå-

ðóòü ó÷àñòü ïîíàä 20 ð³çíèõ ôåðìåíò³â ³ á³ëê³â, êîæíèé ç ÿêèõ âèêîíóº

ïåâíó ôóíêö³þ. Âåñü êîìïëåêñ íàçèâàþòü ÄÍÊ-ðåïë³êàçíîþ ñèñòåìîþ

àáî ðåïë³ñîìîþ.

Ðîçãëÿíåìî êîðîòêî îñíîâí³ åòàïè ñèíòåçó ÄÍÊ. Íåîáõ³äíî çàçíà-

÷èòè, ùî á³ëüø³ñòü ðåçóëüòàò³â îòðèìàí³ äëÿ Å. coli, à êîíêðåòí³ åòàïè ³

ôåðìåíòàòèâí³ ôàêòîðè, ùî íåîáõ³äí³ äëÿ ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ â åóêàð³îòíèõ

êë³òèíàõ, ùå ìàëî âèâ÷åí³, õî÷ ³ ìàþòü áàãàòî ñï³ëüíîãî ç ðåïë³êàö³ºþ â

ïðîêàð³îò³â.

Äëÿ ðåïë³êàö³¿ íåîáõ³äí³ ìàòåðèíñüêà äâîëàíöþãîâà ÄÍÊ, ÷îòèðè

äåçîêñèðèáîíóêëåîçèäòðèôîñôàòè (äÀÒÔ, äÃ ÒÔ, äÒÒÔ, äÖÒÔ), ³îíè

Ìg

, Zn

, ôåðìåíòè ³ á³ëêîâ³ ôàêòîðè ðåïë³ñîìè. Ó ê³ëüöåâèõ ìîëåêó-

ëàõ ÄÍÊ ðåïë³êàö³ÿ ïî÷èíàºòüñÿ ç ïåâíî¿ ä³ëÿíêè (íóêëåîòèäíî¿ ïîñë³äîâ-

íîñò³ çàâäîâæêè 100-200 ïàð îñíîâ) ³ ïåðåá³ãàº â îáîõ íàïðÿìêàõ äî

ïîâíî¿ ðåïë³êàö³¿ ìîëåêóëè. Ä³ëÿíêà, ùî º òî÷êîþ ïî÷àòêó ðîñòó â ïðî-

öåñ³ ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ ³ ìàº V-ïîä³áíó êîíô³ãóðàö³þ, íàçèâàºòüñÿ ðåïë³êà-

òèâíîþ âèëêîþ. Ðåïë³êàö³ÿ ÄÍÊ åóêàð³îò³â ïî÷èíàºòüñÿ îäíî÷àñíî ó

áàãàòüîõ ì³ñöÿõ; ââàæàþòü, ùî ÷èñëî òî÷îê ïî÷àòêó ðåïë³êàö³¿ ïåðåâè-

ùóº òèñÿ÷ó. ²ç êîæíî¿ òî÷êè îäíî÷àñíî ó ïðîòèëåæíèõ íàïðÿìêàõ ðóõà-

þòüñÿ äâ³ ðåïë³êàòèâí³ âèëêè.

Ïåðåä òî÷êîþ ïî÷àòêó ðåïë³êàö³¿ ï³ä ä³ºþ ôåðìåíò³â ãåë³êàç (â³ä

helix – ñï³ðàëü) íåâåëè÷êà ä³ëÿíêà ïîäâ³éíî¿ ñï³ðàë³ ðîçïë³òàºòüñÿ, ïðè-

÷îìó íà ðîçä³ëåííÿ êîæíî¿ ïàðè îñíîâ âèòðà÷àºòüñÿ åíåðã³ÿ ã³äðîë³çó

äâîõ ìîëåêóë ÀÒÔ. Äàë³ äî ä³ëÿíêè ëàíöþã³â, ùî ðîçä³ëèëèñü, ïðèºäíóºòüñÿ

äåê³ëüêà ìîëåêóë ÄÍÊ-çâ'ÿçàíèõ á³ëê³â, ÿê³ ïåðåøêîäæàþòü çâîðîòíîìó

ç'ºäíàííþ ëàíöþã³â. Çàâäÿêè öüîìó íóêëåîòèäí³ ïîñë³äîâíîñò³ ëàíöþã³â

ÄÍÊ ñòàþòü äîñòóïíèìè äëÿ ä³¿ ÄÍÊ-ïîë³ìåðàçè. Îñòàííÿ ñèíòåçóº íîâ³

ëàíöþãè ÄÍÊ, êîìïëåìåíòàðí³ ëàíöþãó ìàòðèö³. Òîáòî, ÿêùî â ìàòðè÷-

íîìó ëàíöþãó çíàõîäèòüñÿ òèì³í, òî ó äî÷³ðíüîìó ëàíöþãó íà öå ì³ñöå

ñòàº çàëèøîê àäåí³íó, ³ íàâïàêè. Àíàëîã³÷íèì ÷èíîì, ÿêùî â ìàòðè÷íîìó

ëàíöþãó ñòî¿òü çàëèøîê öèòîçèíó, òî ó äî÷³ðí³é ëàíöþã âêëþ÷àºòüñÿ çà-

ëèøîê ãóàí³íó, ³ íàâïàêè. Äåçîêñèðèáîíóêëåîòèäè ïðèºäíóþòüñÿ ñâîºþ

α-ôîñôàòíîþ ãðóïîþ äî â³ëüíîãî ã³äðîêñèëó 3-ê³íöÿ ëàíöþãà, ùî ñèíòå-

çóºòüñÿ (ðèñ. 13.3). Åíåðã³ÿ íà óòâîðåííÿ êîæíîãî íîâîãî ôîñôîä³åô³ðíî-

ãî çâ'ÿçêó çàáåçïå÷óºòüñÿ â³äùåïëåííÿì â³ä äåçîêñèðèáîíóêëåîçèäòðèôîñ-

468

Ðèñ. 13.3. Íàðîùåííÿ ëàíöþãà ÄÍÊ øëÿõîì ïîñë³äîâíîãî ïðèºäíàííÿ íóêëåîòèä³â

äî â³ëüíî¿ 3

-ÎÍ ãðóïè.

ôàòó ï³ðîôîñôàòíîãî çàëèøêó. Òàêèì ÷èíîì, ð³âíÿííÿ ñèíòåçó ÄÍÊ ó

íàéïðîñò³ø³é ôîðì³ ìàº òàêèé âèãëÿä:

m(дАТФ + дТТФ) + n(дГТФ + дЦТФ) ДНК + (m + n)Н

Ñèíòåç íîâèõ ëàíöþã³â â³äáóâàºòüñÿ ò³ëüêè â íàïðÿìêó 5′→3′, ïðè-

÷îìó àíòèïàðàëåëüíî äî ìàòðè÷íîãî ëàíöþãà (ðèñ. 13.4). Îäèí ëàíöþã

(âåäó÷èé) ñèíòåçóºòüñÿ áåçïåðåðâíî â íàïðÿìêó ðóõó ðåïë³êàòèâíî¿ âèë-

êè, à äðóãèé (â³äñòàþ÷èé) ïåðåðèâ÷àñòî ç óòâîðåííÿì ôðàãìåíò³â çàâ-

äîâæêè áëèçüêî 2000 íóêëåîòèä³â ó ïðîêàð³îò³â ³ çíà÷íî êîðîòøèõ â

åóêàð³îò³â. Ö³ òàê çâàí³ ôðàãìåíòè Îêàçàê³ (ÿïîíñüêèé ó÷åíèé, ÿêèé

âïåðøå ¿õ â³äêðèâ) ñèíòåçóþòüñÿ ó íàïðÿìêó, ïðîòèëåæíîìó ðóõó ðåï-

ë³êàòèâíî¿ âèëêè.

Ãîëîâíèé ôåðìåíò, ùî êàòàë³çóº ðåïë³êàö³þ îáîõ ëàíöþã³â ó ïðîêà-

ð³îò³â – ÄÍÊ-ïîë³ìåðàçà ²²², à â åóêàð³îò³â – ÄÍÊ-ïîë³ìåðàçà α. ²íø³

ÄÍÊ-ïîë³ìåðàçè â³ä³ãðàþòü äîïîì³æíó ðîëü ó ðåïë³êàö³¿. Ïðè äîñë³äæåíí³

ð³çíèõ ÄÍÊ-ïîë³ìåðàç ç’ÿñóâàëîñü, ùî âîíè íå ñïðîìîæí³ ïî÷àòè ñèíòåç

íîâîãî ëàíöþãà, à ïðèºäíóþòü íóêëåîòèäè äî 3'-ÎÍ-ê³íöÿ ëàíöþãà ïðè-

ìàíêè. Ïðèìàíêîþ ñëóæèòü êîðîòêèé â³äð³çîê ÐÍÊ, êîìïëåìåíòàðíèé

OH H

αβγ

+ ФФ

469

5’ 3’

5’

3’

5’

3’

гіраза

ДНК-геліказа

ДНК-зв’язувальний

білок

(праймаза) примаза

фрагменти

Оказакі

ДНК-лігаза

відстаючий ланцюг

ДНК-полімераза І

видалення

приманки

праймер

(РНК-приманка)

ведучий

ланцюг

5’

3’

АТФ

АДФ + Ф

Ðèñ. 13.4. Ñõåìà ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ.

ìàòðè÷íîìó ëàíöþãó ÄÍÊ. Òàêèé îë³ãîíóêëåîòèä íàçèâàþòü ïðàéìåðîì

(â³ä àíãë. primer – ïðèìàíêà) ³ ñèíòåçóºòüñÿ â³í çà äîïîìîãîþ ñïåöèô³÷-

íî¿ ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçè (ïðàéìàçè, àáî ïðèìàçè). Òàêèì ÷èíîì, ñèíòåç ôðàã-

ìåíòà Îêàçàê³ ïî÷èíàºòüñÿ ç ïðàéìåðà, ÿêèé ï³ñëÿ çàâåðøåííÿ ñèíòåçó

ôðàãìåíòà âèäàëÿºòüñÿ, à ðîçðèâè ì³æ ôðàãìåíòàìè çàïîâíþþòüñÿ äå-

çîêñèðèáîíóêëåîòèäàìè ï³ä ä³ºþ ÄÍÊ-ïîë³ìåðàçè ². Âðåøò³ ôðàãìåíòè

Îêàçàê³ ç'ºäíóþòüñÿ îäèí ç îäíèì çà äîïîìîãîþ ôåðìåíòó ÄÍÊ-ë³ãàçè.

Äâà íîâ³ ëàíöþãè, ç'ºäíàí³ ç³ ñâî¿ìè êîìïëåìåíòàðíèìè ëàíöþãàìè, óòâî-

ðþþòü äâ³ äî÷³ðí³ ïîäâ³éí³ ñï³ðàë³, êîæíà ç ÿêèõ ì³ñòèòü îäèí ìàòåðèíñü-

êèé ³ îäèí íîâîñèíòåçîâàíèé ëàíöþã.

Âàæëèâå çíà÷åííÿ ìàº çäàòí³ñòü ÄÍÊ-ïîë³ìåðàç ïðîÿâëÿòè, êð³ì

ïîë³ìåðàçíî¿ àêòèâíîñò³, åêçîíóêëåàçíó. ßêùî â õîä³ ðåïë³êàö³¿ âêëþ÷èòüñÿ

íåêîìïëåìåíòàðíèé íóêëåîòèä, ôåðìåíò ðîáèòü êðîê íàçàä, â³äùåïëþº

íåïðàâèëüíèé íóêëåîòèä ³ ï³ñëÿ öüîãî çíîâó ïðîäîâæóº ïîë³ìåðàçí³ ðå-

àêö³¿. Çàâäÿêè òàêîìó êîðåêòóâàííþ ÷àñòîòà ïîìèëîê ïðè ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ

íå ïåðåâèùóº îäí³º¿ ïîìèëêè íà 10

-10

íóêëåîòèä³â.

470

1.2. Á³îñèíòåç ÐÍÊ (òðàíñêðèïö³ÿ)

Äëÿ òðàíñêðèïö³¿ íåîáõ³äí³ ÄÍÊ-ìàòðèöÿ, ôåðìåíò ÄÍÊ-çàëåæíà

ÐÍÊ- ïîë³ìåðàçà, 4 íóêëåîçèäòðèôîñôàòè é ³îíè Ìg

. Ð³âíÿííÿ ñèíòåçó

ÐÍÊ ìîæíà çàïèñàòè â òàêîìó âèãëÿä³:

АТФ + n

ГТФ + n

ЦТФ + n

УТФ РНК + (n

)Н

ßê ìàòðèöÿ âèêîðèñòîâóºòüñÿ ò³ëüêè îäèí ëàíöþã ÄÍÊ. Äðóãà

â³äì³íí³ñòü òðàíñêðèïö³¿ â³ä ðåïë³êàö³¿: òðàíñêðèáóºòüñÿ íå âñÿ ìîëåêóëà

ÄÍÊ, à ëèøå ïåâíà ä³ëÿíêà (ãåí ÷è ãðóïà ãåí³â). Òîìó â ÄÍÊ º ñèãíàëüí³

íóêëåîòèäí³ ïîñë³äîâíîñò³, ÿê³ âêàçóþòü íà ïî÷àòîê òà ê³íåöü ä³ëÿíîê ìî-

ëåêóëè, ùî ï³äëÿãàþòü òðàíñêðèïö³¿ (ïðîìîòîðí³ ³ òåðì³íàëüí³ ïîñë³äîâ-

íîñò³).

Ó ïðîêàð³îò³â º ò³ëüêè îäíà ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçà, ÿêà êàòàë³çóº ñèíòåç

óñ³õ 3 òèï³â ÐÍÊ, à â åóêàð³îò³â º òðè ÿäåðí³ ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçè (², II ³ III) ³

îäíà ì³òîõîíäð³àëüíà. ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçà ² áåðå ó÷àñòü ó òðàíñêðèïö³¿ ðÐÍÊ,

II – ó òðàíñêðèïö³¿ ìÐÍÊ ³ III – ó òðàíñêðèïö³¿ òÐÍÊ ³ 5S-ðÐÍÊ.

Ñïî÷àòêó ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçà ðîçï³çíàº ïðîìîòîðíó ä³ëÿíêó ÄÍÊ ³ çâ'ÿ-

çóºòüñÿ ç íåþ. Öå çóìîâëþº ëîêàëüíå ðîçõîäæåííÿ ëàíöþã³â ïîäâ³éíî¿

ñï³ðàë³ ÄÍÊ. Äëÿ ïî÷àòêó ñèíòåçó ÐÍÊ íå ïîòð³áíà ïðèìàíêà. Ôåðìåíò

ðîçì³ùóº ïåðøèé íóêëåîçèäòðèôîñôàò (çâè÷àéíî ÃÒÔ àáî ÀÒÔ) êîìï-

ëåìåíòàðíî äî ìàòðèö³ ³ ïîñë³äîâíî ïðèºäíóº íóêëåîòèäè ôîñôîä³åô³ð-

íèì çâ'ÿçêîì äî â³ëüíî¿ 3′-ÎÍ ãðóïè ðèáîçè. Òàêèì ÷èíîì, ëàíöþã ÐÍÊ

ñèíòåçóºòüñÿ ó íàïðÿìêó 5′-3′. Êîìïëåìåíòàðí³ ïàðè ó ïðîöåñ³ òðàíñ-

êðèïö³¿ Ã–Ö ³ À–Ó, òîáòî çàì³ñòü òèì³íîâèõ çàëèøê³â ÄÍÊ ó ÐÍÊ âêëþ-

÷àºòüñÿ çàëèøîê óðàöèëó. ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçà, íà â³äì³íó â³ä ÄÍÊ-ïîë³ìåðà-

çè, íå çäàòíà âèïðàâèòè ïîìèëêè. Ñèíòåç ëàíöþãà ÐÍÊ ïðèïèíÿºòüñÿ, ÿê

ò³ëüêè ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçà äîõîäèòü äî òåðì³íàëüíî¿ ïîñë³äîâíîñò³ ÄÍÊ (ñòîï-

ñèãíàëó). Ï³ñëÿ çàâåðøåííÿ òðàíñêðèïö³¿ ³ çâ³ëüíåííÿ ÐÍÊ â³äíîâëþºòü-

ñÿ äâîñï³ðàëüíà ñòðóêòóðà ÄÍÊ. Â³äçíà÷èìî, ùî ç îäíîãî ãåíà ìîæóòü

îäíî÷àñíî òðàíñêðèáóâàòèñü

áàãàòî ëàíöþã³â ÐÍÊ (ðèñ. 13.5).

Ðÿä àíòèá³îòèê³â ãàëüìó-

þòü ñèíòåç ÐÍÊ ³ âèêîðèñòî-

âóþòüñÿ äëÿ âèâ÷åííÿ ìåõà-

í³çìó öüîãî ïðîöåñó. Îäí³ ç íèõ

çâ'ÿçóþòüñÿ ç ìàòðèöåþ ÄÍÊ,

³íø³ – ç ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçîþ.

Àêòèíîì³öèí Ä ïðîíèêàº

(³íòåðêàëþº) âñåðåäèíó ïîä-

â³éíî¿ ñï³ðàë³ ì³æ ñóñ³äí³ìè

îñíîâàìè Ã – Ö. Öå çóìîâëþº

ëîêàëüíó äåôîðìàö³þ ìàòðèö³

ÄÍÊ, ùî ïåðåøêîäæàº ðóõîâ³

Ðèñ. 13.5. Ñèíòåç ÐÍÊ:

1 – ÄÍÊ; 2 – ì³ñöå ³í³ö³àö³¿; 3 – ïîë³ìåðàçà;

4 – ëàíöþãè ðîñòó ÐÍÊ; 5 – ä³ëÿíêà òåð-

ì³íàö³¿. Ñòð³ëêà âêàçóº íàïðÿì ïåðåì³-

ùåííÿ ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçè.

471

ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçè ïî ìàòðèö³. Àêòèíîì³öèí Ä ãàëüìóº ñèíòåç âñ³õ òèï³â

ÐÍÊ ÿê ó ïðîêàð³îò³â, òàê ³ â åóêàð³îò³â. Â³í ïðîÿâëÿº ïðîòèïóõëèííó

ä³þ, àëå âíàñë³äîê âåëèêî¿ òîêñè÷íîñò³ âèêîðèñòîâóºòüñÿ ð³äêî. Àíàëî-

ã³÷íèì ÷èíîì ä³º ðóáîì³öèí.

Ðèôàìï³öèí çâ'ÿçóºòüñÿ ç β-ñóáîäèíèöåþ ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçè ïðîêàð-

³îò³â, ãàëüìóþ÷è ³í³ö³àö³þ ñèíòåçó ÐÍÊ. Íà ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçè åóêàð³îò³â

ðèôàìï³öèí íå ä³º ³ øèðîêî âèêîðèñòîâóºòüñÿ ÿê ïðîòèì³êðîáíèé ïðå-

ïàðàò. Ñòðåïòîë³äèã³í òàêîæ çâ'ÿçóºòüñÿ ç β-ñóáîäèíèöåþ, àëå ³íã³áóº

ïðîöåñ åëîíãàö³¿ ï³ñëÿ ³í³ö³àö³¿ ðîñòó ëàíöþãà ÐÍÊ. α-àìàí³òèí, îòðóéíà

ðå÷îâèíà ³ç áë³äî¿ ïîãàíêè, º ñèëüíèì ³íã³á³òîðîì ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçè II åóêà-

ð³îò³â, ïðèãí³÷óº ñèíòåç ìàòðè÷íèõ ÐÍÊ.

1.3. Äîçð³âàííÿ ÐÍÊ

Óñ³ òèïè ÐÍÊ ñèíòåçóþòüñÿ ó âèãëÿä³ ÐÍÊ-ïîïåðåäíèê³â, ÿê³ ï³ñëÿ

òðàíñêðèïö³¿ çàçíàþòü ïåâíèõ çì³í, ïåðåòâîðþþ÷èñü ó á³îëîã³÷íî àê-

òèâí³ ÐÍÊ. Öåé ïðîöåñ íàçèâàºòüñÿ äîçð³âàííÿì, àáî ïðîöåñèíãîì.

Ìîëåêóëè 5S-ÐÍÊ, 8S-ðÐÍÊ, 18S-ðÐÍÊ ³ 28S-ðÐÍÊ óòâîðþþòüñÿ ³ç

îäíîãî ïîïåðåäíèêà (ïðåðèáîñîìíî¿ ÐÍÊ) øëÿõîì ôðàãìåíòàö³¿ ³ â³äùåï-

ëåííÿ íóêëåîòèä³â ï³ä ä³ºþ åíäî- ³ åêçîíóêëåàç. òÐÍÊ òàêîæ óòâîðþ-

þòüñÿ ³ç á³ëüø äîâãèõ ÐÍÊ-ïîïåðåäíèê³â ó ðåçóëüòàò³ âèäàëåííÿ çàé-

âèõ íóêëåîòèä³â, êð³ì òîãî, ðÿä îñíîâ ìîäèô³êóþòüñÿ (øëÿõîì ìåòè-

ëþâàííÿ, äåçàì³íóâàííÿ, â³äíîâëåííÿ). Äî òÐÍÊ ó õîä³ ïðîöåñèíãó

ïðèºäíóºòüñÿ 3'-ê³íöåâà ïîñë³äîâí³ñòü -Ö-Ö-À.

Äóæå ñêëàäíèì ïðîöåñîì º óòâîðåííÿ åóêàð³îòíèõ ìàòðè÷íèõ ÐÍÊ

³ç ïîïåðåäíèê³â, ùî ìàþòü íàçâó ãåòåðîãåíí³ ÿäåðí³ ÐÍÊ (ãÿÐÍÊ). Äî 3'-

ê³íöÿ ãÿÐÍÊ ïîñë³äîâíî ïðèºäíóþòüñÿ 100-200 çàëèøê³â àäåí³ëîâî¿ êèñ-

ëîòè, óòâîðþºòüñÿ ïîë³ (À) – õâ³ñò ìÐÍÊ. Äî 5'-ê³íöåâîãî çàëèøêà ïðè-

ºäíóºòüñÿ òðèôîñôàòíèì çâ'ÿçêîì 7-ìåòèëãóàíîçèí, óòâîðþþ÷è "øàïî÷-

êó", àáî "êåï". "Õâ³ñò" ³ "øàïî÷êà", â³ðîã³äíî, ï³äâèùóþòü ñòàá³ëüí³ñòü

ìÐÍÊ, îõîðîíÿþ÷è ¿¿ â³ä ðîçùåïëåííÿ ï³ä ä³ºþ öèòîïëàçìàòè÷íèõ íóêëå-

àç. Êð³ì òîãî, "øàïî÷êà" áåðå ó÷àñòü ó çâ'ÿçóâàíí³ ìÐÍÊ ç ðèáîñîìàìè íà

ïî÷àòêîâèõ ñòàä³ÿõ á³îñèíòåçó á³ëê³â (ðèñ. 13.6).

ßê â³äîìî, åóêàð³îòí³ ãåíè ì³ñòÿòü äâà âèäè íóêëåîòèäíèõ ïîñë³äîâ-

íîñòåé – åêçîíè òà ³íòðîíè. Åêçîíè êîäóþòü àì³íîêèñëîòíó ïîñë³äîâí³ñòü

á³ëê³â, à ³íòðîíè íå êîäóþòü, òîáòî íå òðàíñëþþòüñÿ. Ôóíêö³ÿ ³íòðîí³â

òî÷íî íå âñòàíîâëåíà, ìîæëèâî, âîíè º ðåãóëÿòîðíèìè ñèãíàëàìè. Ó ïðî-

öåñ³ òðàíñêðèïö³¿ ÐÍÊ-ïîë³ìåðàçà ñïèñóº ³íôîðìàö³þ ³ç åêçîí³â òà ³íòðîí³â.

Òîìó ïåðâèíí³ òðàíñêðèïòè (ãÿÐÍÊ) çíà÷íî äîâø³, í³æ ìÐÍÊ. Íà ãÿÐÍÊ

ä³þòü ñïåöèô³÷í³ ôåðìåíòè, âèð³çàþòü ³íòðîíè ³ çøèâàþòü åêçîíè. Â

öüîìó ïðîöåñ³ áåðå ó÷àñòü ìàëà ÿäåðíà ÐÍÊ (ìÿÐÍÊ). Ôåðìåíòàòèâíå

ç'ºäíàííÿ åêçîí³â íàçèâàºòüñÿ ñïëàéñèíãîì. Ï³ñëÿ çàâåðøåííÿ ñïëàé-

ñèíãó çð³ë³ ìÐÍÊ âèõîäÿòü ³ç ÿäðà â öèòîïëàçìó, à ³íòðîíí³ ôðàãìåíòè

472

1.4. Îñîáëèâîñò³ ðåïë³êàö³¿ ãåíîìó â³ðóñ³â

Â³ðóñè ì³ñòÿòü ò³ëüêè îäèí âèä íóêëå¿íîâèõ êèñëîò – àáî ÄÍÊ, àáî

ÐÍÊ. ÄÍÊ â³ðóñ³â ìîæå áóòè äâîëàíöþãîâîþ àáî îäíîëàíöþãîâîþ, ìàòè

ôîðìó ê³ëüöÿ àáî ë³í³éíó. Â³ðóñí³ íóêëå¿íîâ³ êèñëîòè êîäóþòü ñèíòåç

ñïåöèô³÷íèõ á³ëê³â, õàðàêòåðíèõ ò³ëüêè äëÿ â³ðóñíèõ ÷àñòèíîê, à òàêîæ

Ðèñ. 13.6. Äîçð³âàííÿ ìÐÍÊ. ²íòðîíè óñóâàþòüñÿ ïðè ñïëàéñèíãó.

ДНК

РНК,

первинний

транскрипт

Прематрична РНК

мРНК

УУГААААААА

полі-А (“хвіст”)

7-метил-Г-(5’)ФФФ(5’)УГГ

(“шапочка”)

òðàíñêðèïö³ÿ

ñïëàéñèíã

інтрони

Ðèñ. 13.7. Ðîëü ìàëî¿ ÿäåðíî¿ ÐÍÊ (ìÿÐÍÊ) ó âèð³çàíí³ ³íòðîí³â ³ ç’ºäíàíí³ åêçîí³â.

Ïðîöåñ âèð³çàííÿ ³íòðîí³â ñóïðîâîäæóºòüñÿ ç’ºäíóâàííÿì åêçîí³â.

Åêçîí 1 Åêçîí 2²íòðîí

²íòðîí, ÿêèé

óòâîðþº ïåòëþ

Åêçîí 1 Åêçîí 2

Âèð³çàíèé

³íòðîí

Åêçîí 1 Åêçîí 2

мяРНК

Îá’ºäíàí³ åêçîíè ìÐÍÊ

мяРНК

5’

3’

ðîçùåïëþþòüñÿ íóêëåàçàìè äî íóêëåîòèä³â, ÿê³ çíîâó âèêîðèñòîâóþòüñÿ

äëÿ ñèíòåçó ÐÍÊ â ÿäð³ (ðèñ. 13.7).