Золото, пуля, спасительный яд

Наука развивается очень затейливыми путями. Казалось бы, процесс разрезания и сшивки молекул ДНК намного проще ее копирования. Более того, это не просто кажется, так оно и есть. В своей статье, опубликованной в 1953 году, Уотсон и Крик сформулировали идею репликации ДНК в самом общем виде, не располагая ни одним экспериментальным фактом для ее доказательства. Тем не менее первой открыли молекулярную машину именно для сборки ДНК. Случилось это уже в 1956 году, когда американский биохимик Артур Корнберг (1918–2007) выделил фермент, названный впоследствии ДНК-полимеразой. За это он немедленно, в 1959 году, получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине, к слову сказать, раньше Уотсона с Криком.

Но это был лишь первый шаг на долгом пути, на расшифровку основных деталей механизма репликации ДНК ушло два десятилетия. Отмечу лишь некоторые моменты, которые нам понадобятся в дальнейшем. Специальная молекулярная машина, фермент хеликаза, движется вдоль молекулы ДНК, разрывая водородные связи между комплементарными нуклеотидами и разрезая двойную спираль на отдельные цепочки с образованием так называемой репликационной вилки. Основную созидательную функцию выполняет фермент ДНК-полимераза, который, двигаясь по цепочке, собирает из нуклеотидных блоков комплементарную ей цепь. Таким образом из одной молекулы ДНК получают две идентичные молекулы, каждая из которых содержит цепь исходной молекулы и вновь синтезированную цепь. Поражает точность копирования: частота ошибок при репликации ДНК не превышает 1 на 109–1010 нуклеотидов. Это обусловлено, в частности, тем, что молекулярная машина под названием ДНК-полимераза включает в свой состав специальный “отдел технического контроля”, который способен распознать ошибку и тут же исправить ее.

В работе ДНК-полимеразы есть один важный нюанс – она не может начать сборку, как говорится, на ровном месте. Для этого ей необходима затравка, называемая праймером, олигонуклеотид, состоящий приблизительно из 20 нуклеотидов и комплементарный определенному участку копируемой цепи ДНК. Праймер прочно связывается с цепью ДНК, как деталь конструктора “Лего”, а затем ДНК-полимераза начинает пристраивать к нему олигонуклеотидную последовательность.

Скорость копирования ДНК в клетках нашего организма составляет около 50 нуклеотидов в секунду. Нетрудно подсчитать, что для копирования одной цепи молекулы ДНК длиной, например, в 50 миллионов нуклеотидов ДНК-полимеразе потребуется около 12 суток, а на копирование всего нашего генома, состоящего из 3 миллиардов пар нуклеотидов – около 4 лет. Понятно, что это слишком долго, поэтому над копированием одной молекулы ДНК трудятся одновременно сотни и тысячи молекулярных машин, каждая на своем участке длиной от 30 до 300 тысяч нуклеотидов, они же обеспечивают состыковку синтезированных кусков цепи. Другие молекулярные машины собирают в это время копию второй цепочки молекулы ДНК и так одновременно во всех наших 46 хромосомах. Так продолжительность копирования генома снижается до минут.

ДНК выполняет также функцию базы данных о структуре всех белков нашего организма. Если клетка испытывает потребность в том или ином белке, она обращается за инструкцией по синтезу к ДНК и та выдает необходимую информацию в виде молекулы РНК. Этот процесс называется транскрипцией ДНК, его осуществляет специальная молекулярная машина – РНК-полимераза. Ее функции намного более разнообразны, чем у ДНК-полимеразы. Она прикрепляется к молекуле ДНК в определенном месте, указанном специальной сигнальной молекулой, расплетает спираль ДНК и начинает копировать ее кодирующую цепь, собирая на ней как на матрице цепочку РНК из отдельных нуклеотидов, переводя при этом код ДНК в код РНК. Для этого РНК-полимеразе не нужны никакие праймеры, а место, где необходимо остановиться, задается определенной последовательностью нуклеотидов в цепи ДНК. Так что молекулярная машина движется от исходной точки к конечной, расплетая спираль ДНК перед собой, восстанавливая ее за собой и одновременно выдавая все удлиняющуюся нить РНК. Длина расплетенного участка ДНК, где происходят все основные события, составляет примерно 18 нуклеотидных фрагментов. Скорость работы РНК-полимеразы несколько ниже, чем ДНК-полимеразы, и не превышает 20–30 нуклеотидов в секунду.