О.О. Фаворова - Сохранение ДНК в ряду поколений - репликация ДНК (статья) (1117904)
Текст из файла
PERPETUATION OF DNA:DNA REPLICATIONO. O. FAVOROVAThe DNA capability forself-reproduction (replication) provides a conservation of the genetic information from generation togeneration. This article isdevoted to the molecularmechanisms of reproducnion of DNA double helices without mistakes. Thecomplicatedreplicationmachinery involving variety of proteins is described.© ÓÓ‚‡ é.é., 1996ëÔÓÒÓ·ÌÓÒÚ¸ Ñçä ÍÒ‡ÏÓ‚ÓÒÔÓËÁ‚‰ÂÌ˲(ÂÔÎË͇ˆËË) Ó·ÂÒÔ˜˂‡ÂÚ ÒÓı‡ÌÂÌË „ÂÌÂÚ˘ÂÒÍÓÈ ËÌÙÓχˆËË ‚fl‰Û ÔÓÍÓÎÂÌËÈ.
ëÚ‡Ú¸flÔÓÒ‚fl˘Â̇ ÏÓÎÂÍÛÎflÌ˚Ï ÏÂı‡ÌËÁχÏ, „‡‡ÌÚËÛ˛˘ËÏ Ô‡ÍÚ˘ÂÒÍË·ÂÁӯ˷ӘÌÛ˛ ÂÔÎË͇ˆË˛ ‰‚ÓÈÌÓÈ ÒÔˇÎËÑçä. éÔËÒ‡ÌÓ ÒÚÓÂÌËÂÒÎÓÊÌÓÈ “ÂÔÎË͇ˆËÓÌÌÓÈ Ï‡¯ËÌ˚”, ÒÓÒÚÓfl˘ÂÈ ËÁ ÏÌÓÊÂÒÚ‚‡ ·ÂÎÍÓ‚.СОХРАНЕНИЕ ДНКВ РЯДУ ПОКОЛЕНИЙ:РЕПЛИКАЦИЯ ДНКé. é. îÄÇéêéÇÄêÓÒÒËÈÒÍËÈ „ÓÒÛ‰‡ÒÚ‚ÂÌÌ˚È Ï‰ˈËÌÒÍËÈ ÛÌË‚ÂÒËÚÂÚ,åÓÒÍ‚‡ÇÇÖÑÖçàÖСпособность клеток поддерживать высокуюупорядоченность своей организации зависит от генетической информации, которая сохраняется вформе дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).ДНК – это вещество, из которого состоят гены. Размножение живых организмов, передача наследственных свойств из поколения в поколение и развитие многоклеточного организма из оплодотвореннойяйцеклетки возможны потому, что ДНК способна ксамовоспроизведению.
На языке молекулярнойбиологии – науки, изучающей молекулярные основы жизнедеятельности клетки, процесс самовоспроизведения ДНК называется репликацией. Иногда используют также название-синоним – редупликация.Представление о молекулах ДНК как о потенциально вечных репликаторах привело к парадоксальнойидее, что живые организмы – лишь “машины длявыживания”, запрограммированные на сохранениеэгоистичных молекул, известных под названием генов [1]. Статья посвящена молекулярным механизмам, обеспечивающим репликацию ДНК.
Мы увидим, что для репликации ДНК требуется участиемножества белков. Эти белки, как и все другие, закодированы в последовательности ДНК. Таким образом, возникает важнейшая для жизни “петля обратной связи”: ДНК направляет синтез белков,которые синтезируют (реплицируют) ДНК.åÄíêàóçõâ ëàçíÖá ÑçäКак известно, генетическая информация записана в цепи ДНК в виде последовательности нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех гетероциклических оснований: аденин (A), гуанин (G),цитозин (C) и тимин (T) (рис. 1). ПредложеннаяДж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году модель строения ДНК в форме регулярной двойной спирали(рис. 2) сразу же позволила понять принцип удвоения ДНК.
Информационное содержание обеих цепей ДНК идентично, так как каждая из них содержитпоследовательность нуклеотидов, строго соответствующую последовательности другой цепи. Это соответствие достигается благодаря наличию водородных связей между направленными навстречудруг другу основаниями двух цепей – попарно G и Cили A и T.
Описывая это свойство двойной спирали,îÄÇéêéÇÄ é.é. ëéïêÄçÖçàÖ Ñçä Ç êüÑì èéäéãÖçàâ11ONG5'CH2NNHNNH2ONH2OPHHHCHHCH2NOOOPHONOH3CHHTHHCH2NOONH2OPHONHNHHAHHCH2NOOPONNHH3'HHHPOРис. 1. Фрагмент полинуклеотидной цепи ДНК. Пуриновые основания аденин (A) и гуанин (G) и пиримидиновыеоснования тимин (T) и цитозин (C) являются боковыми группами, прикрепленными на одинаковом расстояниидруг от друга к полимерному остову, состоящему из чередующихся остатков фосфата и сахара дезоксирибозы;этот остов полярен, поскольку имеет неравноценные 5'- и 3'-концы.молекулярные биологи говорят, что цепи ДНК комплементарны за счет образования уотсон-криковских пар G–C и A–T.
Поскольку две цепи имеютпротивоположную направленность, их называютантипараллельными. Легко представить, что удвоение ДНК происходит вследствие того, что цепи расходятся, а потом каждая цепь служит матрицей, накоторой собирается комплементарная ей новаяцепь ДНК. В результате образуются две дочерние,двуспиральные, неотличимые по строению от родительской ДНК молекулы. Каждая из них состоит изодной цепи исходной родительской молекулыДНК и одной вновь синтезированной цепи.
Такоймеханизм репликации ДНК, при котором от одного поколения к другому передается одна из двух цепей, составляющих родительскую молекулу ДНК,получил название полуконсервативного и был экс-12периментально доказан в 1958 году М. Мезельсоном и Ф. Сталь.Ñçä-ÔÓÎËχÁ˚В 1957 году А. Корнберг обнаружил у кишечнойпалочки фермент, катализирующий процесс полимеризации ДНК из нуклеотидов; он был названДНК-полимеразой. Затем ДНК-полимеразы выявилии в других организмах. Было показано, что субстратами всех этих ферментов служат дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дНТФ), полимеризующиеся наодноцепочечной ДНК-матрице. ДНК-полимеразыпоследовательно наращивают одноцепочечную цепьДНК, шаг за шагом присоединяя к ней следующиезвенья в направлении от 5-' к 3'-концу, причем выбор очередного дНТФ диктуется матрицей (рис.
3).Присоединение каждого нового нуклеотидногоëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 19965'3'0,34 нмМалаябороздкаATGC3,6 нмTБольшаябороздка5'3'2,0 нмРис. 2. Модель структуры ДНК по Уотсону и Крику.Две спиральные полинуклеотидные цепи закручены вправо вокруг общей оси. Основания изображены красным цветом; против каждого остаткапуринового основания (заштрихованы) одной цепи находится остаток пиримидинового основаниядругой цепи. На схеме показаны размеры спирали, наличие большой и малой бороздок и антипараллельность двух цепей ДНК. Исходно предполагалось, что на виток спирали приходится 10 пароснований, или 3,4 нм. Последующие измеренияпоказали, что виток соответствует 10,5 пар оснований, или 3,6 нм.остатка к 3'-концу растущей цепи сопровождаетсягидролизом богатой энергией связи между первыми вторым фосфатными остатками в дНТФ и отщеплением пирофосфата, что делает реакцию в целомэнергетически выгодной.В клетках обычно присутствует несколько типовДНК-полимераз, выполняющих различные функции и имеющих разное строение: они могут бытьпостроены из различного количества белковых цепей (субъединиц), от одной до десятков.
Однако всеони работают на любых последовательностях нуклеотидов матрицы; задача этих ферментов – сделатьточную копию каждой матрицы.íÓ˜ÌÓÒÚ¸ ÒËÌÚÂÁ‡ Ñçä Ë ÏÂı‡ÌËÁÏ ÍÓÂ͈ËËГенетический материал живых организмов имеет огромные размеры и реплицируется с высокойточностью. В среднем в процессе воспроизведениягенома млекопитающего, состоящего из ДНК длиной 3 млрд пар нуклеотидов, возникает не болеетрех ошибок [2]. При этом ДНК синтезируетсячрезвычайно быстро (скорость ее полимеризацииколеблется в пределах от 500 нуклеотидов/с у бактерий до 50 нуклеотидов/с у млекопитающих).
Высокая точность репликации, наряду с ее высокой скоростью, обеспечивается наличием специальныхмеханизмов, осуществляющих коррекцию, то естьустраняющих ошибки.Суть механизма коррекции заключается в том,что ДНК-полимеразы дважды проверяют соответствие каждого нуклеотида матрице: один раз передвключением его в состав растущей цепи и второйраз перед тем, как включить следующий нуклеотид (см. рис. 3). Очередная фосфодиэфирная связьсинтезируется лишь в том случае, если последний(3'-концевой) нуклеотид растущей цепи ДНК образовал правильную уотсон-криковскую пару с соответствующим нуклеотидом матрицы. Если же напредыдущей стадии реакции произошло ошибочное спаривание оснований, то дальнейшая полимеризация останавливается до тех пор, пока ошибкане будет исправлена. Для этого фермент перемещается в обратном направлении и вырезает последнеедобавленное звено, после чего его место можетзанять правильный нуклеотид-предшественник.Иными словами, многие (но не все) ДНК-полимеразы обладают, помимо 5'-3'-синтетической активности, еще и 3'-гидролизующей активностью, которая обеспечивает удаление ошибочно спаренных сматрицей нуклеотидов.éëçéÇçõÖ èêàçñàèõ êÖèãàäÄñààОсновные правила, в соответствии с которымипроисходит репликация, были выяснены в опытах сбактериями, однако они справедливы также и длявысших организмов.àÌˈˇˆËfl ˆÂÔÂÈ ÑçäДНК-полимеразы не могут начинать синтезаДНК на матрице, а способны только добавлять новые дезоксирибонуклеотидные звенья к 3'-концууже имеющейся полинуклеотидной цепи.
Такую заранее образованную цепь, к которой добавляютсянуклеотиды, называют затравкой. Короткую РНКзатравку (см. рис. 3) синтезирует из рибонуклеозидтрифосфатов фермент, не обладающий корректирующей активностью и называемый ДНК-праймазой(от англ. primer – затравка). Праймазная активность может принадлежать либо отдельному ферменту, либо одной из субъединиц ДНК-полимеразы. Затравка, синтезированная этим неточнымферментом, не умеющим исправлять ошибки, отличается от остальной новосинтезированной цепиДНК, поскольку состоит из рибонуклеотидов, и далее может быть удалена. Образовавшиеся бреши за-îÄÇéêéÇÄ é.é. ëéïêÄçÖçàÖ Ñçä Ç êüÑì èéäéãÖçàâ: êÖèãàäÄñàü Ñçä13ДНК-матрицаHOP3'C...GT..AP5'A..UC...GA..TA..UG...CG3'OHOH OH OH OHРНК-затравкаTУдлинениецепи(1б)X+P3'X=GTT..AP5'C...GA..UA..UHOPT..APВырезание“неправильного”нуклеотидаX=A3'5'C...GA..UA..UA..TC...GG...CT..AOH OH OH OHЦепь ДНК удлинилась на 1 звеноG5'HOG...CTGG3' +OH5'P PОтщепленныйпирофосфатP PОтщепленныйпирофосфат(2)PT..APC...GA..UA..U5'T3'T3' +OHC...GВ цепь ДНК включился неправильноспаренный нуклеотидПрисоединяемыйдНТФ(1а) УдлинениецепиA..TOH OH OH OHOHP P PРастущаяцепь ДНКHO5'A..TC...GG...COH OH OH OHT3'OHGTX+PЦепь ДНК укоротилась на 1 звено5'OHОтщепленныйнуклеотидРис.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
