Полимеразы, как считают ученые, достраивают ветви, расплетенной ДНК до полных молекул. ДНК-полимераза Ⅱ работает с лидирующей ветвью молекулы, а ДНК-полимераза Ⅰ достраивает запаздывающую ветвь.
Википедия повествует (такой взгляд на этот процесс обще принят, поэтому безразлично откуда он взят):
“ДНК-полимераза – фермент, участвующий в репликации ДНК. Ферменты этого класса катализируют полимеризацию дезоксирибонуклеотидов вдоль цепочки нуклеотидов ДНК, которую фермент “читает” и использует в качестве шаблона. Тип нового нуклеотида определяется по принципу комплементарности с шаблоном, c которого ведется считывание”.
Небольшая фраза, а емкая. Видите, что делает этот чудный фермент: катализирует, “читает”, использует, определяет и считывает. В этих явлениях я бы выделил два таких состояния: результат и процесс достижения этого результата. С результатами все более-менее понятно, а вот с процессом получения этих результатов несколько сложнее.
Катализ. Результатом катализа есть соединение или разъединение определенных элементов. Это всеми признанная позиция. Известно немного и о пути получения этого результата: катализатор каким-то образом (никто не акцентирует, каким именно образом) уменьшает или увеличивает энергию связи между элементами.
Чтение. Результатом “чтения” должен быть определен тип основания на ветви ДНК, к которому надлежит присоединить соответствующее комплементарное основание. А вот путь получения этого результата неизвестен никому, в том числе и читающим лекции по молекулярной биологии. Этот путь нельзя понять на молекулярно-атомарном уровне.
Использование. Это явление коррелирует с остальными явлениями. Результатом использования есть анализ определенного при “чтении” типа основания, как шаблона, и определении для него комплементарного основания. Как происходит данный процесс использования в реальном мире тоже нельзя понять на молекулярном уровне.
Определение. Результатом определения есть указание на комплементарное основание то, которое было прочтено. Как указывается на это основание и чем, современная наука умалчивает. Нет у нее языка, на котором она могла бы это раскрыть.
Считывание. Результатом считывания есть передача образа основания, полученного в результате “чтения” для дальнейшего использования.
Как же осуществляются эти процессы согласно понятиям молекулярной биологии?
Особый упор при описании полимераз делается на то, что ни какая полимераза не может начать синтез новой ветви ДНК без некоторой затравки (праймера) и что синтез новой ветви должен обязательно вестись со стороны 3′. Почему так и откуда все это появилось, мне узнать не удается. Почему праймаза может присоединить нуклеотид РНК к ветви ДНК, а полимеразе это категорически запрещено, даже если это комплементарный нуклеотид?
Обычно работа полимеразы описывается достаточно скромно:
“Репликация происходит путем непрерывного роста нуклеотид за нуклеотидом обеих цепей одновременно. Матрица считывается ДНК-полимеразой только в направлении 3′ 5′, добавляя свободные нуклеотиды к 3′-концу собираемой цепочки. Поэтому синтез ДНК происходит непрерывно только на одной из матричных цепей, называемой “лидирующей”. Во второй цепи (“отстающей”) синтез происходит короткими фрагментами”.
Фрагмент полимеразы выглядит графически примерно так.
Это трехмерная структура ДНК-связывающих спирально-шпилечных участков в человеческой бета-ДНК-полимеразе (полимераза Ⅱ). Вот этот конгломерат белков, возможно, фрагментов РНК, ДНК или других соединений, “читает” встречающиеся на его пути основание, использует его образ для сравнения с другими основаниями, определяет, какое из них является комплементарным, и затем ферментирует реакцию между этими основаниями. Дальше полимераза должна каким-то образом продвинуться на один нуклеотид и повторить цикл.
И этим занимаются серьезные дяди. Это не девочка Ира, которая рассаживает своих кукол: ”Ты, Машенька, подвинься, здесь сядет Танечка. И ты посмотри, какое в тебя испачканное платье, не то что в Машеньки”. Ну и дальше в таком же духе, насколько хватит фантазии. Благодаря этим фантазиям Ирочка приобретает опыт, а серьезные дяди получают деньги налогоплательщиков, и не малые.
Ребенка надо долго обучать грамоте или цветам, чтобы он мог отличить аденин от тимина, потом еще дольше учить, чтобы по аденину он мог найти тимин (это даже студентам не сразу запоминается). Если полимераза определяет основания по форме (или какому-то другому признаку), то она должна иметь в себе эту форму, которую затем будет примерять на встретившиеся основания. И ее тоже надо обучать: если эта форма не подходит, то тащи следующую форму или основание к форме.
Что сможет сделать этот кусочек, по существу, обычного мяса? Он намного проще самой простой клетки. В клетке есть и белки (в виде рибосом, гистонов, тубулина и множества других образований), и нуклеотиды, и жиры и все что угодно, и даже эта сложная система не обладает свойством “понимать”, “сравнивать”, “считывать”, “добавлять” и тому подобное.
Вот такая получается сложная служба у полимеразыⅡ, а полимеразеⅠ вообще не позавидуешь. ПолимеразеⅡ все просто: расплелась пара оснований и сразу можно анализировать, что это за пара, искать к ним комплементарные элементы и соединять их. Точка: ожидай разрыва следующей пары или если она разорвана, то проделывай то же, что и с предыдущей парой. Такая благодать на лидирующей ветви. Рисунок 2.
Но не то происходит на запаздывающей ветви. Дело в том, что законы молекулярной биологии не у молимы: синтез молекулы необходимо вести только в направлении 3′ 5′, добавляя свободные нуклеотиды к 3′-концу собираемой цепочки. А в только что расплетенной паре один конец 3′(лидирующая ветвь), а другой конец 5′ (запаздывающая ветвь). И как тут быть?
Эту проблему решил восточный мудрец Оказаки. Он предложил, что полимеразе следует немножко подождать пока не расплетется некоторая часть (фрагмент) молекулы и затем она продвинется по этому фрагменту к концу 3′ и уже оттуда начнет синтез молекулы. В обратном, так сказать, направлении. И хотя этот мудрец не сказал ничего ни о длине этих фрагментов, ни о том по каким признакам находится начало этих фрагментов, ни как добирается к началу этого фрагмента полимераза, и даже не сказал, а нужна ли в этом случае праймаза и тому подобное, все же преклоняясь перед его восточной мудростью эти фрагменты назвали именем Оказаки. Воздали по чести.
Оказалось, что такой алгоритм работы для полимеразыⅡ не подходит и природа ее модифицировала до полимеразыⅠ. Но почему-то не наделила ее функцией “пришивать” синтезированный фрагмент Оказаки к ранее синтезированной молекуле. Для этой цели она (природа) создала в клетке такой инструмент, как лигаза.
Именно лигаза находится в том месте, где заканчивает работу полимеразаⅠ. Как только полимераза свершила свое дело, лигаза захватывает концы 3′ и 5′, сводит их один к одному и сшивает. А дальше зорко следит, где ей придется трудится в следующий момент, чтобы вовремя туда подоспеть. Но может быть я ошибаюсь и в другом месте работает другая лигаза. Но все же как-то странно, что на запаздывающей ветви праймазе, полимеразе и лигазе приходится так много метаться туда и обратно.
И что досадно, это то, что никто не объясняет самих процессов “узнавания”, ”передвижения по ветвям”, ”присоединений” и так далее. Одно утешает, что это можно объяснить квантовым языком