Жизнь возникла около 3,5 млрд. лет назад и достигла большого разнообразия, человеку известно около 2 млн. видов живых организмов, а также таких паразитов клеток как вирусы и вироиды (представляют собой лишь молекулу РНК), но существует множество еще неоткрытых живых организмов. При этом жизнь сохраняется во времени благодаря такому процессу как размножение. При этом носителями наследственной информации являются универсальные абсолютно для всех живых организмов молекулы нуклеиновых кислот (однако, существуют и другие носители наследственной информации, например прионные белки способны передавать другим белкам информацию о своей пространственной структуре. Прионные белки – возбудители коровьего бешенства, взаимодействуя с белками, обладающими нормальной конформацией, способствуют изменению их структуры и переходу в нерастворимую форму).
В клетке протекают тысячи химических реакций одновременно, так даже в клетке микоплазмы (наиболее просто организованного организма) протекает более ста химических реакций одновременно. Все эти химические процессы удивительным образом упорядочены, эта упорядоченность главным образом заключается в том, что все химические процессы в клетке контролируются ферментами, а последовательность аминокислот входящих в состав этих ферментов кодируется азотистыми основаниями входящими в состав нуклеиновых кислот. Так что все химические процессы в клетке, так или иначе, контролируются различными ферментами, а строение ферментов зависит от строения ДНК и РНК.
Молекула нуклеиновой кислоты представляет собой последовательность нуклеотидов.
ОН Остаток фосфорной кислоты
|
НО—Р=О
│
О
│
5'- С О
│ ∕ \
4'- С С - 1'— Азотистое основание
\ /
3'- С—С
|
ОН (Схема строения нуклеотида)
Они
объединяются в длинные цепочки, так число пар оснований колеблется в пределах от 5000 для простейшего вируса до 5
млрд. (в молекулах ДНК). в 46
хромосомах человека. Если ДНК одной клетки человека расположить линейно, то
длина нити достигнет 1,5 м; количество информации, заключённое в ней уложится
на 600 000 печатных страниц.
Молекула ДНК представляет собой
последовательность дизоксирибонуклеотидов (в состав
нуклеотида входит сахар дизоксирибоза), ДНК более химически инертна, нежели РНК, скорее всего, поэтому в ходе эволюции был сделан выбор в
пользу неё. Однако на ранних стадиях эволюции носителем наследственной
информации являлась молекула РНК, доказательством этого могут быть РНК
содержащие вирусы. После обнаружения ферментативной активности РНК, появилась
теория РНК мира, которая утверждает, что роль катализаторов химических реакций
выполняли не полипептиды, а молекулы РНК на ранних стадиях химической эволюции.
В настоящее время универсальным носителем наследственной информации является ДНК в которой она хранится. Молекула ДНК является структурой обеспечивающей хранение наследственного материала, передачу его в ряду поколений, а также использование закодированной информации. ДНК длинная полинуклеотидная цепь толщиной около 2 нм. ДНК спирально закручена, чаще всего двойные спирали являются правозакрученными – при движении вверх вдоль оси спирали цепи, однако встречаются и левозакрученные молекулы ДНК, однако, их истинное количество и функциональная роль неизвестна.
Перед делением клетки, но не всегда, генетический материал удваивается, происходит репликация ДНК. Репликация ДНК начинается с образования репликационного глаза, репликационной вилки, где происходит локальное плавление молекулы ДНК (разрушение водородных связей между полинуклеотидными связями), в этом процессе принимают участие различные ферменты, в том числе ДНК-геликаза, дестабилизирующий белок, ДНК-топоизомераза, разрывающая полинуклеотидную цепь (это необходимо для того чтобы в области репликационной не образовывалось супервитков, так при расхождении каждых 10 пар нуклеотидов молекула ДНК должна совершить один полный оборот вокруг своей оси, но это очень энергетически невыгодно), и др.
После расхождения 2-ух поликлеотидных цепей происходит образование новых цепей ДНК. На обоих цепях происходит синтез РНК-затравки, ферментом РНК-праймазой (из-за высокой специфичности ДНК-полимераза способна присоединять дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, находящиеся в нуклеоплазме, только к свободному 3'-концу). Синтез дочерней цепи на материнской происходит не с одинаковой скоростью, так на цепи имеющей направление 3' → 5' (лидирующая цепь) скорость синтеза новой цепи выше, чем с направлением 5' → 3' (запаздывающая цепь), это связано с тем, что новая полинуклеотидная цепь синтезируется олько в направление 5' → 3', и следовательно одна дочерняя цепь синтезируется непрерывно, а вторая короткими фрагментами (фрагменты Оказаки), после чего ДНК-лигаза сшивает фрагменты Оказаки.
При таком механизме репликации ошибки возникают достаточно редко в среднем с частотой на 10-6 комплементарных пар оснований, но это ещё не достаточно высокий уровень точности репликации, который необходим для существования жизни, установлено, что ошибки при репликации наследственного материала возникают с частотой на 10-9 пар оснований, такой низкий уровень возникновений ошибок поддерживается специальным механизмом исправления ошибок.
ДНК-полимераза может включать в растущую цепь изменённые нуклеотиды, при быстром переходе таких оснований в нормальную форму, образуется разрыв в такой цепи, и высвобождается свободный 3'-ОН конец, который замечается ферментом ДНК-полимеразой, а так же другими ферментами тесно связанными с ней, ДНК-полимераза удаляет ошибочно включённый нуклеотид, а на его место присоединяется другой. Однако, даже после этого остаётся высокое число ошибок, что приводит к включению механизма репарации, основанного на наличии в молекуле ДНК двух комплементарных цепей. Для запуска механизма репарации необходим процесс обнаружения вновь синтезируемой цепи, обычно она отличается степенью метилирования азотистых оснований, а так же наличием большого количества разрывов, и повреждённого участка. При обнаружении ошибки происходит удаление повреждённого участка, а на его ДНК-полимераза строит новую копию, комплементарную материнской цепи.