Реплисомная ДНК является одной из самых замечательных молекулярных машин, которая состоит из комплекса различных белков. Каждый из этих белков имеет очень специфическую структуру, так что он может выполнять свою функцию в процессе клеточного деления копирования генома. Было измерено, что скорость репликации ДНК головокружение и составляет 749 нуклеотидных азотных оснований в секунду.1 1. Кроме того, считается, что частота ошибок, возникающих в результате действия добросовестно копирующих полимераз, составляет от 10.7 108Как определено исследованиями репликации бактериальной ДНК E. coli и бактериофаги2 2.
Одна из лучших анимаций этого удивительного процесса была разработана австралийским аниматором Дрю Берри:
Было бы трудно увидеть этот тип анимации (что очень упрощенно) и не иметь сильного ощущения, что такая замысловато скоординированная машина является продуктом мастерской инженерии. Стабильные и функциональные белковые структуры встречаются крайне редко в объединенном пространстве последовательностей, и в процессе репликации ДНК требуется большое количество таких белков. Однако они не подходят для каких-либо давних, стабильно сложенных белков. Они должны быть созданы специально для выполнения своих задач. На самом деле, когда мы фокусируемся на конкретных белках, наша интуиция проекта становится намного сильнее. Просто посмотрите, например, красивые анимации топоизомеразы3Helicase4.4 ДНК-полимераза5. В одной статье описывается инженерная эффективность репликации ДНК:
Синтез всей ДНК генома предполагает высоко скоординированное действие многочисленных полипептидов. Эти белки образуют две новые нити ДНК с ошеломляющей скоростью. E. coli Он приближается к 1000 нуклеотидных азотных оснований в секунду. Если бы дуплексная ДНК имела метр в диаметре, это был бы процесс репликации. E. coli грубо можно описать следующим образом. Репликативные вилки будут двигаться со скоростью почти 600 километров в час (375 миль в час), а механизм репликации будет иметь размер транспортного средства доставки FedEx. Геномная репликация E. coli Это займет 40 минут, и две такие машины проедут 400 километров (250 миль), совершая ошибку только один раз в 170 километров (106 миль). Механическая эффективность этого комплекса еще более впечатляет, если учесть, что он синтезирует две нити одновременно. Одна нить синтезируется в том же направлении, что и репликационные вилки, но другая (отложенная нить) синтезируется в куске (в виде фрагментов Оказаки) и в обратном направлении к общему движению репликационных вилок. В результате примерно один раз в секунду одному поставщику (т.е. активному месту полимеразы), управляющему фургоном, пришлось бы совершить объезд, сойти и вернуться к своей матрице ДНК, синтезированной фрагментами длиной 0,2 километра (0,13 мили).6.6.
Неуменьшенная сложность на стероидах
Репликация ДНК является примером того, что мы можем назвать «неизбежной сложностью на стероидах». Репликация генома является предпосылкой для дифференцированного выживания, которое необходимо для того, чтобы процесс естественного отбора работал вообще. Чтобы объяснить происхождение процесса репликации ДНК, естественный отбор может быть вызван только в том случае, если предполагается существование того, что необходимо объяснить. Трудно представить себе реальную систему репликации, которая была бы проще, чем репликация ДНК, показанная на вышеупомянутой анимации. Популярной гипотезой является сценарий мира РНК (согласно которому жизнь на основе РНК предшествовала жизни на основе ДНК и белков), но она сталкивается со многими проблемами, о которых неоднократно сообщалось в блоге Evolution News & Science Today и в различных других публикациях.7.. Одной из основных проблем является врожденная нестабильность РНК (которая состоит из одной цепи и имеет дополнительную 2'-OH группу, что делает ее восприимчивой к гидролизу). Поэтому крайне маловероятно, что РНК-полимеры выживут в ранней среде достаточно долго, чтобы играть какую-то значительную роль. Кроме того, когда РНК образует комплементарные пары азотных оснований, позволяющие ей раскручиваться, часть молекулы перестает подвергаться воздействию нити, которая может служить матрицей для процесса копирования. Поэтому на способность РНК к самовоспроизведению накладывается физическое ограничение.
Другая причина, по которой механизм репликации ДНК имеет неограниченную сложность на стероидах, заключается в том, что из-за первоначальной природы этого механизма сложнее сформулировать сценарий кооптации, чем с системой, сформированной намного позже, такой как бактериальная нематода. В случае бактериальных вити могут быть указаны альтернативные функции, которые могут быть выполнены различными компонентами вити (например, системой секреции типа III). Что касается механизма репликации ДНК, то неясно, какие другие системы могут заимствовать какие-либо из его компонентов. стержень Создание машины репликации ДНК.
Еще более замечательная загадка заключается в том, что в трех областях жизни ключевые ферменты (особенно репликационные полимеразы) не гомологичны, что приводит к признанию того, что механизм репликации ДНК мог быть создан независимо более одного раза.8. Это наблюдение больше соответствует теории разумного замысла, чем натуралистической теории эволюции.
Какие ингредиенты имеют отношение к механизму репликации ДНК?
Какие белковые компоненты, участвующие в репликации ДНК, необходимы для функционирования? Такой компонент в первую очередь ДНК-полимераза, которая отвечает за копирование каждой нити. Без этого репликация не могла бы произойти вообще. Однако ДНК-полимераза не может инициировать репликацию без присутствия свободной группы 3'-OH (гидроксила). Следовательно, другой фермент — форма РНК-полимеразы, называемая примасой, — образует короткий фрагмент РНК (называемый стартером), к которому может быть присоединена ДНК-полимераза (в отличие от ДНК-полимеразы, примат не требует наличия свободной группы 3'-ОН). При отсутствии фермента премасы не будут созданы ни стартеры РНК, ни свинцовые нити, ни отсроченные нити, и репликация ДНК не начнется. Кроме того, сама ДНК-полимераза должна быть присоединена к ДНК с помощью кольцеобразного белка, называемого ядерным пролиферирующим клеточным антигеном (PCNA). Пролиферирующий клеточный ядерный антигенЭтот белок также называется ДНК-зажим либо скользящий зажим) (благодаря которой ДНК-полимераза не отпадает от нити матричного ДНК). Ядерный антиген пролиферирующих клеток, однако, не может прикрепляться непосредственно к ДНК. Он также требует белкового комплекса, называемого фактором репликации C (RFC). Реакционный фактор CЭтот комплекс также называется зажимный погрузчик), который опосредует размещение ядерного антигена пролиферирующих клеток в ДНК вблизи вилок репликации, используя энергию гидролиза АТФ, чтобы открыть кольцо этого белка и вставить его в ДНК. При отсутствии ядерного антигена пролиферирующих клеток или фактора репликации С ДНК-полимераза часто выпадала бы из матрицы ДНК, что делало ее очень неэффективной.
Конечно, процесс репликации не может начаться, если двойная спираль ДНК не распутана и фермент геликазы отвечает за ее распутывание, которое разрывает водородные связи вдоль молекулы ДНК, открывая две нити и позволяя их репликацию полимеразой. В отсутствие геликазы ДНК-полимераза стояла бы на месте, не имея возможности отделить нити перед ней.
Даже в присутствии двух нитей фермента геликазы нити могут воссоединяться в процессе копирования. Это предотвращается мононическими связывающими белками, которые связываются с открытыми нитями ДНК. Без этих белков нити ДНК будут связываться снова, прежде чем их можно будет скопировать.
Фермент топоизомеразы необходим для удаления молекул торсионной ДНК. Топоизомераза выполняет это, отрезая одну нить, пропуская другую нить через глаз и сшивая нить в точке разрыва. В отсутствие фермента топоизомеразы ДНК он в конечном итоге разрушается, что останавливает процесс репликации ДНК.
Из-за антипараллельности нитей ДНК (и того факта, что ДНК-полимераза может реплицироваться только в направлении от 5' до 3'), одна нить - отсроченная нить - должна реплицироваться в противоположном направлении (так что вилки репликации движутся в одном направлении). Это происходит непрерывно, после небольшого эпизода сразу. Прима создает РНК-стартеры, из которых синтезируются короткие фрагменты ДНК, называемые фрагментами Оказаки. Затем стартеры РНК удаляются и заменяются ДНК, а фрагменты Оказаки объединяются с ферментом лигазой. Стоит добавить, что в отсутствие РНК-режущих ферментов (которые удаляют РНК-стартеры) фрагменты РНК остаются связанными ковалентными связями с вновь скопированными фрагментами ДНК. Кроме того, в отсутствие лигазы (которая объединяет фрагменты Оказаки) вновь скопированные нити все равно будут иметь форму фрагментов.
Если удаление любого из вышеупомянутых ингредиентов приведет к неэффективности механизма репликации ДНК, как такая система может быть создана ненаправленным, дарвиновским, поэтапным образом, сохраняя избирательное удобство использования на каждом этапе? Независимо от того, какой процесс произведён для реплик ДНК, это должен был быть процесс, который знал конечную цель. То есть это был телеологический процесс.
Проектная парадигма
Машины репликации ДНК являются одним из самых необычных примеров нанотехнологий в клетке. В любой другой области опыта такое сложное и сложное расположение частей будет немедленно рассматриваться как результат сознательного мышления, т.е. как производство ума. Почему такое применение запрещено при изучении биологических систем? Подробнее об этой увлекательной молекулярной машине вы можете прочитать в интервью, которое было проведено со мной летом 2023 года и опубликовано на сайте. ID будущего9 9. Более десяти лет назад я также опубликовал серию статей, в которых более подробно описал различные белковые компоненты механизма репликации ДНК. Вот статьи:
- ДНК Оригинальное название: An Engineering Marvel [Препликация ДНК — чудо техники]1010;
- ДНК репликации с экстраординарной точностью: встречайте ДНК полимераза [Копирование ДНК с необычайной точностью - знайте ДНК-полимеразу]11.;
- Развернуть двойную спираль: Знакомство с ДНК Helicase [Расщепление двойной спирали - встречайте геликазу ДНК]12..
Если вам понравилась анимация Дрю Берри, разработанная в начале этой статьи, также стоит посмотреть более подробную анимацию, подготовленную издательством Oxford University Press.13. Вторая анимация также интересна, которая показывает, как ДНК-полимеразы объединяются, чтобы они могли двигаться в одном направлении.14.
Джонатан Маклатчи
Оригинал: Реплисома ДНК: парадигма дизайнаEvolution News & Science Today 2024, 21 марта [доступ: 17 V 202].
Английский перевод: Дариуш Саган
Источник фото: Пиксабай
Последнее обновление: 17.5.2024
