Biokhimia_cheloveka_Marri_tom_2 (1123307), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Обмен генетической информацией между сестринскими хроматидамн (рис. 38.12) проявляется в форме равного кроссннговера и не имеет каких-либо генетических последствий. Некоторые интересные генетические перестройки происходят в клетках млекопитающих в ходе нормального развития и дифференцировки. Например, в клетках зародышевой линии мыши гены Ч„и С„ кодирующие единичную цепь молекулы иммуноглобулина (см. гл. 41), разнесены в геноме на значительное расстояние. В ДНК зрелых иммуноглобулинпродуцирующих (плазматических) клеток эти же гены оказываются на более близком расстоянии и транскрибируются в составе единого первичного транскрипта. Однако и после перестройки ДНК в ходе дифференцировки последовательности этих генов непосредственно не смыкаются.
Между ними располагается промежуточная некодирующая последовательность (ннтрон) длиной около 1200 пар оснований, которая удаляется из первичного транскрипта при процессинге в ходе созревания мРНК (см. гл. 39 и 41). СИНТЕЗ И РЕПЛИКАЦИЯ ДНК Основное функциональное значение процесса репликации ДНК заключается в снабжении потомства генетической информацией. Для обеспечения генети- ческой стабильности организма и вида ДНК должна реплицироваться полностью и с очень высокой точностью.
Процесс репликации ДНК весьма сложен. В нем участвует множество ферментов. Первое энзимологическое исследование реплнкацин ДНК было проведено Артуром Корнбергом, открывшим в ЕясЬепсЬ~а сой фермент, ныне называемый ДНК- полимеразой 1. Этот фермент проявляет несколько типов ферментативной активности н характеризуется сложной структурой. В качестве субстратов ДНК-полимераза 1 использует дезоксирибонуклеозидтрифосфаты — производные аденина, гуанина, цитозина и тимина.
Полимеразная активность, впервые продемонстрированная для ДНК-полнмеразы 1, свойственна остальным полнмеразам прокариотических н эукариотических клеток, при этом важно помнить, что основной функцией ДНК-полимеразы 1 Е. со1~; как было установлено, является репарация ДНК. Инициация синтеза ДНК Для инициации синтеза ДНК (рис. 38.13) требуются короткие (10 — 200 нуклеотидов) последовательности РНК, выполняющие функции затравок (яраймеров).
Синтез начинается с реакции между 3'- гидроксильной группой РНК-затравки и афосфатной группой дезоксирибонуклеозидтрифосфата, в ходе которой дезокснрибонуклеозидный остаток присоединяется к РНК-затравке с одновременным вы щеплен нем пирофосфата. 3'-гидроксильная группа присоединенного дезокснрибонуклеозидмонофосфата осуществляет далее нуклеофильную атаку на а-фосфатную группу следующего встраивающегося дезоксирибонуклеозидтрифосфата, также с отщеплением пирофосфата.
Естественно, что выбор очередного нуклеотида на каждом шаге синтеза определяется матричной цепью ДНК согласно правилам, предложенным впервые Уотсоном н Криком (рис. 38.! 4). Так, если в соответствующем положении матричной цепи находится остаток адениндезоксирибонуклеозидмонофосфата, то в реакцию будет вступать тимидинтрифосфат н его а-фосфатная группа будет атаковаться 3'- гидроксильной группой последнего остатка растущей цепи. Реакция происходит только в том случае, если встраиваемый нуклеотид образует комплементарную пару с очередным нуклеотидом матричной цепи ДНК и благодаря водородным связям занимает положение, при котором 3'-гидроксильная группа растущей цепи атакует новый нуклеотид и включает его в полимер.
Последовательности ДНК, присоединенные к РНК-затравкам, были названы по имени открывшего их японского ученого— фрагментами Оказаки (рис. 38.15). У млекопитающих после образования значительного числа фрагментов Оказаки репликационный комплекс присту- Глава За 74 ~ ~,/ ЪЗ / ~ о о о он н Второй он н Рис, 38ЛЗ. Инициация синтеза ДНК РНК-затравкой и последующее присоединение второго дезоксирибоиуклеозидтрифо- сфата.
Организация и репяикация ДИК 75 РН П рнсоеднняеммй пТТР Рис. Ж14. Матричная функция ДНК-цепи при инициированном РНК-затравкой синтезе комплементарной цепи. Матричная цап» 33 ° ф 3' 10п. н. Юн. п '~ '— — воп.н.— РН К Вновь еин тези рован ная цапе ДНК Фрагмент Оказакн Рис. ЗВ.15. Прерывистая полимеризация дезоксирибонуклеотидов и образование фрагментов Оказаки. Полярность реиликиции пает к удалению РНК-затравок и заполнению образующихся брешей соответствующими дезоксирибонуклеотидами.
Затем с помощью ДНК-лигазы фрагменты «ошиваются» между собой с образованием непрерывной цепи ДНК. Как уже отмечалось, молекулы ДНК состоят из двух антипараллельных цепей. Репликация ДНК у про- и эукариот происходит одновременно иа обеих цепях. Однако фермента, ведущего синтез ДНК в направлении 3 — 5, не существует, и, следовательно, вновь синтезируемые цепи, казалось бы, не могут ра- сти в одном и том же направлении одновременно.
Несмотря на это противоречие, один и тот же фермент осуществляет практически синхронный синтез обеих цепей. При этом цепь, синтезируемая в направлении 5'- 3'(«лидирующая»), оказывается непрерывной. Синтез второй («отстающей») цепи осуществляется фрагментами по 150 — 200 нуклеотидов. Очередные акты инициации синтеза этих фрагмен- ' тов„происходящего в каждый данный момент также в направлении 5' 3',осуществляются помереобщего продвижения рецликационной вилки в одном направлении. Схема «полунецрерывного» синтеза ДНК представлена на рис.
38,1б. При репликации ядерной ДНК млекопитающих Глави 38 Точка начала репликации Общее направление репликации Рис. 38.1б. Процесс полунепрерывной, одновременной репликацни обеих цепей двухцепочечной ДНК. большая часть РНК-праймеров в конце процесса удаляется, между тем при репликации митохондрнального генома небольшие фрагменты РНК остаются интегрированными в замкнутой кольцевой молекуле ДНК. Ферменты полнмернзации и репарации ДНК Точка нэчвла репликиции рвеллетвющие белки в репликационных вилквх Направлении релликации Рис. Ж17. Образование «репликационных пузырей» в процессе синтеза ДНК.
Показаны двунаправленность репликации и предполагаемое расположение белков, расплетающих цепь, в репликационных вилках. В ядрах клеток млекопитающих имеется класс полимераз, так называемых полимераз алъфа (Ро1 а), ответственных за хромосомную репликацию. Одна молекула Ро! а способна включать в растущую цепь около 100 нуклеотидов в секунду, таким образом она функционирует примерно в десять раз медленнее, чем бактериальная ДНК-полимераза. Снижение скорости может объясняться помехами со стороны нуклеосом. Как ДНК-полимераза преодолевает нуклеосомы — неизвестно.
Однако известно, что после завершения репликации соответствующие нуклеосомы оказываются распределенными случайным образом в обеих дочерних цепях. В ядрах клеток млекопитающих обнаружена также ДНК-полимераза с меньшей, нежели у Ро1 а, молекулярной массой — полимераза бета (Ро! !3), которая не участвует в обычном процессе репликацин, но необходима для репарации ДНК (см. ниже).
Еще одна, митохондриальная, ДНК-иолимеразв гамма (Ро! 7) осуществляет репликацию кольцевого генома митохондрий. Полная репликация генома млекопитающих заканчивается за 9 часов — время, необходимое для удвоения генетического материала днплоидной делящейся клетки. Такая скорость свидетельствует о том, что репликация начинается сразу на многих участках, называемых точками начала репликации и обозначаемых ои' (от англ. опя!и — качало). Таких точек (сайтов) насчитывается около 100.
Репликация происходит в двух направлениях, и обе цепи реплицнруются одновременно. Прн этом на хромосоме образуются так называемые «репликационные пузыри» (рис. 38.17). Сайты. выполняющие роль точек начала репликации у эукариот, определены не достаточно четко. Более полные данные в этом плане имеются для дрожжей и нескольких вирусов животных. Можно сказать с уверенностью, что процессы инициации контролируются как в пространственном аспекте, так и во временном, поскольку соседние кластеры оп( инициируются синхронно. Существует представление о том, что функциональные домены хроматина реплицируются как целостные единицы. При этом подразумевается, что точки начала реплика ции расположены вполне определенным образом по отношению к единицам транскрипции.
1666666666661 Организация и ретикация ДОК Рис. ЗВЛй. Гипотетическая схема действия белка, специфичного к одноцепочечной ДНК в репликационной вилке. По мере синтеза второй цепи белок высвобождается и присоединяется к вновь образованным участкам одноцепочечной ДНК. (Соцггезу оГ В. А1Ьег1х.) Стадам 1 + дтР ® ОК вЂ” ® (АМРчварыант1 фарыант аносмт ноадпочачный раэрыа Одноцапочачный разрыв Р.— ® — ® — Я Стадам 2 Е Стадмм 3 Рапарнроаанный рантыа Рапармроаанный раарыа Рис.
ЗЬ. $9. Сравнение двух типов реакций, репарируюгцнх одноцепочечные разрывы ДН К. Реакции, представленные слева, катализирузотся ДНК-лигазой, а представленные справа — ДНК-топоизомеразой. (ЯфЬ11у пют)1бед апд гергодцсед, ти11Ь регпцзх1оп $?Отп ?.еЬшпйег А.Е.: В)осЬегпийгу, 2пй ед, 'ттоггЬ, 1975.) 78 Глава 38 При репликации двухцепочечная ДНК должна разойтись на индивидуальные цепи с тем, чтобы каждая из них могла функционировать в роли матрицы.
Разделению цепей ДНК содействуют молекулы специфических белков, стабилизирующих одноцепочечную структуру при продвижении репликационной вилки. Стабилизирующие белки стехиометрически связываются с одиночной цепью, не мешая при этом нуклеотидам выступать в роли матрицы (рис. 38.18). Наряду с разделением цепей должно происходить и раскручивание спирали (1 оборот на каждые 10 нуклеотидов), сопровождаемое скручиванием вновь синтезированных дочерних цепей. Учитывая время, за которое происходит репликация у прокариот, можно рассчитать, что молекула ДНК должна раскручиваться со скоростью 400000 об/сек, что совершенно невозможно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
