Шляхи передачі інформації в живих системах. Матеріал для учнів 10 класу.

Шляхи передачі інформації в живих системах

Центральна догма молекулярної біології
Френсіс Крік 1958 року запропонував так звану центральну догму молекулярної біології. Ця догма стверджувала, що потік інформації в живих організмах відбувається тільки в напрямку від ДНК до РНК, а потім до білків. Але після подальших досліджень догму було відредаговано, і в сучасному формулюванні вона має такий вигляд: потік інформації в живих організмах може відбуватися між нуклеїновими кислотами та в напрямку від нуклеїнових кислот до білків, але не може проходити від білків до нуклеїнових кислот (мал. 56.1).
З ДНК на ДНК та в напрямку ДНК— РНК—білок інформація передається в усіх клітинах живих організмів (під час реплікації, транскрипції і трансляції). Передачу інформації з РНК на РНК використовують деякі віруси. А передача інформації з РНК на ДНК використовується деякими вірусами і, в деяких випадках, у клітинах живих організмів (так звана зворотна транскрипція).

Мал. 56.1. Схема передачі інформації в живих організмах згідно з центральною догмою молекулярної біології

Процеси передачі інформації в клітині

Процес	Звідки й куди передається інформація	Коли відбувається	Ферменти та структури, які беруть участь у процесі
РеплікаціяДНК	З ДНК на ДНК	Під час подвоєння ДНК перед поділом клітини	ДНК-залежна ДНК-полімераза, топоізомераза, геліказа
Транскрипція	З ДНК на РНК	На першому етапі синтезу білка	ДНК-залежна РНК-полімераза, топоізомераза, геліказа
Трансляція	З РНК на білок	На другому етапі синтезу білка	Рибосома
Зворотнатранскрипція	З РНК на ДНК	Під час переміщення мобільних генетичних елементів та під час розмноження ретровірусів у клітині	РНК-залежна ДНК-полімераза (ревертаза), топоізомераза, геліказа
РеплікаціяРНК	З РНК на РНК	У процесі відтворення в клітині всіх РНК-вірусів, окрім ретровірусів	РНК-залежна РНК-полімераза, топоізомераза, геліказа

Зворотна транскрипція
З процесами реплікації, транскрипції і трансляції ви вже знайомі. У процесі зворотної транскрипції події відбуваються у зворотному порядку порівняно зі звичайною транскрипцією. Здійснює його також комплекс ферментів, головним з яких є фермент РНК-залежна ДНК-полімераза (її часто називають ревертазою або зворотною транскриптазою). Цей фермент будує ланцюжок ДНК за зразком ланцюжка РНК.
Принцип побудови нової молекули також базується на явищі комплементарності, але відповідність у цьому випадку дещо інша порівняно з транскрипцією.

Транскрипція		Зворотна транскрипція
ДНК (зразок)	РНК (будується)	РНК (зразок)	ДНК (будується)
Г	Ц	Ц	Г
Ц	Г	Г	Ц
Т	А	А	Т
А	У	У	А

Уридиловий нуклеотид до складу ДНК не входить, тому навпроти аденілового нуклеотиду РНК розташовується тимідиловий нуклеотид у ланцюжку ДНК, а навпроти уридилового — аденіловий.
Особливо часто цей процес використовують віруси, у яких нуклеїновою кислотою є РНК. Вони проникають у клітини живих організмів і там за допомогою ферменту ревертази зі своєї РНК утворюють ДНК. А вже ця ДНК вбудовується в геном клітини й починає контролювати процеси, які в ній відбуваються. Також ряд вірусів використовує для розмноження в клітині явище реплікації РНК без синтезу проміжної молекули ДНК.
Одним із тих, хто відкрив явище зворотної транскрипції, був український учений С. М. Гершензон.
Ферменти, що забезпечують передачу спадкової інформації
Функціонування нуклеїнових кислот у клітинах забезпечує великий комплекс молекул, основними з яких є ферменти: полімерази, гелікази, топоізомерази тощо. Полімерази — це ферменти, які здійснюють полімеризацію нитки нуклеїнової кислоти з нуклеотидів, використовуючи як матрицю вже існуючий ланцюг нуклеїнової кислоти. Залежно від того, який ланцюг використовується і яка кислота синтезується, існують кілька видів полімераз. Наприклад, ДНК-залежна РНК-полімераза синтезує молекулу РНК на ланцюжку ДНК (цей фермент бере участь у процесі транскрипції). А ДНК-залежна ДНК-полімераза синтезує нові молекули ДНК під час реплікації.
Топоізомерази — це ферменти, які здатні змінювати топологію ДНК (її просторову будову) (мал. 56.2). Це дозволяє привести ділянку ДНК в стан, коли можлива робота інших ферментів.
Гелікази — це ферменти, які відповідають за розділення дволанцюгових молекул нуклеїнових кислот на одноланцюгові. Такий процес є дуже важливим, наприклад, перед початком реплікації або транскрипції. Залежно від того, з якою нуклеїновою кислотою працює фермент, виділяють ДНК-гелікази і РНК-гелікази.

Мал. 56.2. Модель молекули топоізомерази людини

Ключова ідея
У живих системах спадкова інформація передається переважно у напрямках ДНК — РНК — білок та ДНК — ДНК. Можлива також передача інформації у напрямах РНК — ДНК і РНК — РНК. Для забезпечення передачі цієї інформації живі організми використовують спеціальні ферменти: полімерази, топоізомерази, гелікази тощо.
Запитання та завдання
1. За яким зразком і що синтезує РНК-залежна ДНК-полімераза? 2. Чи потрібні топоізомерази і гелікази в бактеріальній клітині, ДНК якої має вигляд кільцевої молекули? 3. У якій послідовності повинні працювати полімераза, геліказа і топоізомераза для забезпечення процесу реплікації?