Biokhimia_T3_Strayer_L_1984 (1123304), страница 8
Текст из файла (страница 8)
24.41.1. Особая РНК-полимераза (ее называютпраймаза) синтезирует короткую цепь РНК(примерно 10 нуклеотидов), комплементарную одной из цепей ДНК-матрицы. В отличие от ДНК-полимеразы праймаза не ну-24. ДНК: генетическая роль,структура и репликация31Рис. 24.42.Электронная микрофотография хромосомы Е. coli, прикрепленной к двум фрагментамклеточной мембраны. На рисунке изображена одна интактная суперспирализованная молекулаДНК.[Delius H.,Worcel A., J. Mol. Biol., 82, 108(1974).]ждается в затравке для синтеза полинуклеотида.2. 3'-гидроксильная группа концевого рибонуклеотида этой цепи РНК служит затравкой для синтеза ДНК под действием голофермента ДНК-полимеразы III. Большаячасть новообразованной ДНК синтезируется этим мультисубъединичным комплексом.3.
РНК-компонент этого РНК-ДНК-гибрида гидролизуется под действием ДНКполимеразы I.4. После удаления РНК из новообразованных цепей между фрагментами ДНКостаются довольно обширные бреши. ДНКполимераза I, которая хорошо приспособле32Часть IV.Информацияна для синтеза ДНК на одноцепочечной матрице, заполняет эти бреши.Последние исследования показали, чтодействию праймазы предшествует образование предзатравочного промежуточногокомплекса, состоящего как минимум из пятибелков.
Один из них - белок dnaB - можетпередвигаться вдоль ДНК, используя энергию гидролиза АТР. Белок dnaB может служить сигналом для активации праймазы.Специфичность инициации очередного цикла репликации может обеспечиваться белками, доставляющими белок dnaB точнов область гена ilv, где находится точка начала репликации хромосомы E.coli. Время начала репликации ДНК имеет критическоезначение, поскольку оно должно бытьскоординировано с делением клетки.
И действительно, бактериальная хромосома ассоциирована с впячиванием клеточной мембраны (рис. 24.42).24.21. Энергия гидролиза АТР используетсядля расплетания родительской ДНКв области репликационной вилкипод действием белка repВ 1953 г. Уотсон и Крик отмечали, что «раскрутить спираль - задача труднопреодолимая». Исследования, проведенные в последнее время, показали, что в клетке E.coliвают также белками, дестабилизирующимиспираль (белки ДС), или плавящими белками.Рис.
24.43.КаталитическиеДНК-гиразы.активностив области репликационной вилки происходит активное расплетание родительскойдвойной спирали под действием фермента —белка rep. Поскольку энергия для расплетания родительской ДНК высвобождаетсяпри гидролизе АТР, белок гер называют хеликазой. На разделение каждой пары оснований затрачиваются примерно две молекулы АТР. Затем каждая из разделенныхцепей родительской ДНК взаимодействуетс несколькими молекулами белка, связывающегося с одноцепочечной ДНК (ОЦ-связывающий белок). Роль ОЦ-связывающегобелка - стабилизироватьодноцепочечныеучастки ДНК, образовавшиеся под действием хеликазы, чтобы расплетеннаяобласть могла функционировать в качествематрицы. ОЦ-связывающие белки назы-24.22.
ДНК-гираза вводит отрицательныесупервитки в родительскую ДНК, чтобыоблегчить ее расплетаниеПри расплетании ковалентно замкнутойкольцевой молекулы ДНК возникают топологические проблемы, так как расплетаниедвойной спирали вызывает образование положительных супервитков в замкнутой молекуле. В области репликационной вилкиродительская ДНК вращается со скоростью100 об/с - более чем в 100 раз быстрее, чемобычная долгоиграющая пластинка. Чтобыпроцесс расплетания продолжался, необходимо снять эти положительные супервитки,образовавшиеся в результате вращения.Другими словами, необходимо наличие какого-то молекулярного шарнира. НедавноМартин Геллерт (Martin Gellert) установил,что эту функцию выполняет ДНК-гираза.Эта топоизомераза удаляет положительные супервитки, внося одноцепочечныеразрывы и затем заделывая фосфодиэфирныесвязи в остове ДНК.
АТР не требуется длятакой термодинамически выгодной релаксации третичной структуры ДНК. Более того,ДНК-гираза может активно вводить отрицательные супервитки в ковалентно замкнутую кольцевую ДНК за счет энергии гидролиза АТР (рис. 24.43). Эти отрицательныесупервитки способствуют расхождению цепей родительской ДНК в области репликационной вилки 1 .24.23. Сложность аппарата репликации,по-видимому, необходима для обеспеченияочень высокой надежностиСуществующие представления о молекулярном механизме репликации ДНК у E.coli1В этой главе автор называет ДНК-гиразойдва совершенно различных фермента.
Один изних - ДНК-гираза, способная вводить в ДНКтермодинамически невыгодные отрицательныесупервитки за счет энергии гидролиза АТР; другой - независимая от АТР ДНК-топоизомераза,приводящая кольцевую молекулу ДНК в термодинамически равновесное (релаксированное)состояние.
Это два совершенно различных белка: у них различные ингибиторы, потребностив ионных условиях среды, механизм действия.В репликации в качестве молекулярного шарнира участвует ДНК-гираза.- Прим. перев.24. ДНК: генетическая роль,структура к репликация33Рис. 24.44.Схематическоеизображениеферментативныхпроцессовв области репликационной вилки Е. coli. Фрагменты, отмеченные синим цветом, катализируют инициацию, элонгациюи сшивание (с помощью ДНКлигазы) цепей ДНК.
(Коrnberg A.,DNAreplication,W.H. Freeman and Co., 1980.)представлены на рис. 24.44 и в табл. 24.2.Поражает сложность взаимодействий множества белков, участвующих в этом процессе. Генетический анализ показывает, чтов репликации ДНК непосредственно участвует не менее 15 белков. Почему механизмрепликации ДНК столь сложен? В частности, почему синтез ДНК начинается с РНКзатравки, которая затем удаляется? Если быДНК-полимеразы могли начинать синтезцепей de novo, в РНК-затравке не было бынадобности.
Однако такая способность была бы несовместима с чрезвычайно высокойточностью ДНК-полимераз. Напомним, чтоДНК-полимеразы, прежде чем образоватьновую фосфодиэфирную связь, проверяютправильность предшествующей пары оснований. Эта функция редактирования существенно снижает частоту ошибок. РНК-полимеразы, напротив, могут начинать синтезцепей de novo, так как они не проверяют34Часть IV.Информацияпредыдущую пару оснований. Частота ошибок для них на несколько порядков величины выше, чем для ДНК-полимераз.
Былонайдено остроумное решение этой проблемы: начинать синтез ДНК с полинуклеотида, синтезируемого с низкой надежностью, но отмечать его «временный»характер, включив в его состав рибонуклеоТаблица 24.2. Белки репликации Е. coliБелокФункцияdna ВДаетвозможность ~250праймазе инициировать синтез РНК20ПраймазаСинтезирует РНК-затравкиРасплетает двойнуюспираль601006550rерМасса, ЧисломолекДакул вклеткеДНК-связы- Стабилизирует одновающийцепочечные участкиДНК-гиразаВводит суперспиральные виткиГолоферментДНК-полимеразы IIIСинтезирует ДНКДНК-полимераза IУдаляет затравку изаполняет брешиДНК-лигазаСоединяетДНКконцы74 300400>30020109 30074 300тиды.
Затем ДНК-полимераза I вырезаетэти короткие последовательности РНК-затравок и замещает их последовательностьюДНК, синтезированной с высокой надежностью. Создается впечатление, что многиедетали, усложняющие механизм репликации ДНК, предназначены для обеспечениячрезвычайно высокой точности. Генетический анализ показывает, что частота оши910бок составляет одну на 10 -10 считанныхпар оснований.Рис. 24.45.24.24. Повреждения ДНК постояннорепарируютсяПоскольку множество химических и физических агентов вызывает в ДНК повреждения,во всех клетках имеются специальные механизмы для исправления этих повреждений.Основания в ДНК могут изменяться и теряться, фосфодиэфирные связи остова могут разрываться, а две цепи могут поперечно сшиваться друг с другом.
Эти повреждения образуются под действием ионизирующей радиации, ультрафиолетового облучения и различных химических веществ.Многие повреждения в ДНК поддаются исправлению, так как генетическая информация записана в обеих цепях двойной спирали. Благодаря этому информацию, утраченную одной из цепей, можно извлечь издругой цепи.Один из наиболее хорошо изученных механизмов репарации - вырезание пиримидинового димера (рис. 24.45), который образуется при действии на ДНК ультрафиолетового света. Соседние пиримидиновыеостатки в одной цепи ДНК могут в этих условиях образовать ковалентную сшивку.Такой пиримидиновый димер не укладывается в двойную спираль, так что репликация и экспрессия генов оказываются блокированными до тех пор, пока повреждение небудет удалено.В осуществлении этого процесса важнуюроль играют четыре ферментативные активности (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
