Biokhimia_cheloveka_Marri_tom_2 (1123307), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Следовательно, должны существовать множественные «шарниры», расположенные по всей длине молекулы ДНК. Шарнирные функции выполняет специальный фермент (ДНК-топоизомераза), вносящий разрывы в одну из цепей раскручиваемой двойной спирали. Разрывы быстро зашиваются этим же ферментом без дополнительных энергетических затрат, поскольку необходимая энергия запасается в форме макроэргической ковалентной связи, возникающей между сахарофосфатным остовом цепи ДНК и топоизомеразой. Представленную на рис. 38.19 схему этого процесса можно сравнить с последовательностью событий сшивания разрыва в ДНК, катализируемых ДНК- лигазой. ДНК-топоизомеразы ответственны также за раскручивание суперспирализованной ДНК. Суперспирализованная ДНК вЂ” это высокоупорядоченная структура, образуемая кольцевыми или сверх- длинными молекулами ДНК при закручивании вокруг гистонового кора (рис.
38.20). Один из классов вирусов животных (ретровирусы) обладает ферментами, способными синтезировать молекулу ДНК по матрице РНК. РНК-зависимая ДНК-полимераза, или обратная траискриптаза (таково название этого фермента), сначала синтезирует РНК-ДНК-гибрид, используя рибонуклеиновый геном вируса в качестве матрицы. Затем фермент РНКаза Н удаляет РНК-цепь, а оставшаяся ДНК- цепь в свою очередь служит матрицей для синтеза второй цепи ДНК. Таким образом возникает кДНК вЂ” двухцепочечная ДНК-копия, содержащая информацию, первично представленную в виде РНК-генома ретровируса.
Регуляция синтеза ДНК В клетках животных и человека репликация ДНК происходит только в определенный период жизни клетки. Этот период называется синтетическим (так называемая Б-фаза). Б-фаза отделена от митоза предсинтетическим (О,) и постсинтетическим (О,) Рис.
Ж20. Суперскручивание ДНК. Левозакрученная тороидная (соленоидная) сверхспираль (слева) превращается в правозакрученную при удалении цилиндрического ядра. Аналогичный переход происходит при разрушении нуклеосом в случае экстракции гистонов концентрированными солевыми растворами. периодами (рис. 38.21). Первичная регуляция клеткой синтеза собственной ДНК заключается в том, что репликация происходит в строго определенное время н в основном в клетках, готовящихся к делению. В регуляции вступления клетки в Б-фазу участвуют циклические пуриновые нуклеотиды и, возможно, сами субстраты синтеза ДНК. Механизм такой регуляции остается неизвестным. Многие онковирусы способны ослаблять или разрушать внутренние информационные связи, контролирующие вступление клеток в Б-фазу. И в этом случае механизм остается неясен, хотя, возможно, он включает фосфорилирование определенных белковых молекул хозяйской клетки.
В Б-фазе клетки млекопитающих содержат большее количество полимеразы ц, чем в несинтетические периоды клеточного цикла. Кроме того, в Б- фазе усиливается активность ферментов, участвующих в образовании субстратов синтеза ДНК (дезоксирибонуклеозидтрифосфатон). Активность этих ферментов падает при выходе из Б-фазы и остается на низком уровне вплоть до поступления сигнала к возобновлению синтеза ДНК.
В Б-фазе происходит полная и строго однократная репликация ядерной ДНК. Создается впечатление, что реплицированный хроматин каким-то образоМ маркируется, в резуль- Организация и репликоция ДИК Матов Рис. 3321. Цикл деления клеток млекопитающих. Фаза синтеза ДНК (Б-фаза) отделена от митоза периодами О, и С,.
(Стрелкой указано направление цикла клеточного разви- тия.) тате чего создаются помехи для дальнейшей репликации до тех пор, пока клетка не пройдет митоз. Можно предположить, что в качестве такого ковалентного маркера выступают метильные группы (т.е. маркирование ДНК осуществляется за счет ее метилирования). Как правило, каждая данная пара хромосом реплицируется одновременно и в строго определенный промежуток Б-фазы.
Природа сигналов„регулирующих синтез ДНК на этом уровне, неизвестна, но, повидимому, таким механизмом регуляции обладает каждая индивидуальная хромосома. Деградация и репарация ДНК Передача наследственной информации в неискаженном виде — важнейшее условие выживания как каждого конкретного организма, так и вида в целом.
Следовательно, в ходе эволюции должна была сформироваться система, позволяющая клетке исправлять нарушения ДНК, вызванные ошибками репликации или повреждающими воздействиями окружающей среды. Подсчитано, что в результате повреждений, обусловленных этими причинами, в геноме клеток зародышевой линии человека происходит в среднем шесть нуклеотидных замен в год. Повидимому, в соматических клетках за год происходит примерно такое же число мутаций. Как описано в гл.
37, основным условием точной репликации является правильное образование пар нуклеотидов. Точность комплементарных взаимодействий зависит от того, находятся ли пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды в благоприятной для спаривания таутомерной форме (рис. 34.7).
В равновесии концентрация благоприятных таутомерных форм нуклеотидов превышает концентрацию неблагоприятных таутомеров в 104 — 10' раз. Этого явно недостаточно для обеспечения безошибочного узнавания. Вот почему в клетках бактерий и млекопитающих существует специальная система мониторинга точности спаривания нуклеотидов. Этот этап проверяется дважды: первый раз — при включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в растущую цепь н второй раз — уже после включения, с использованием энергозависимого механизма удаления ошибочно встроенных нуклеотидов нз вновь синтезированной нити ДНК. Благодаря такому кон гролю ошибки включения происходят не чаще чем 1 раз на 1О' — 1О' пар оснований.
В клетках Е. сой этот механизм обеспечивается ДНК-полимеразой, обладающей 3'- 5'-экзонуклеазной активностью. В то же время ДНК-полимеразы млекопитающих не обладают явно выраженной корректирующей нуклеазной активностью. Физические и химические факторы окружающей среды вызывают в ДНК повреждения четырех типов (см.
табл. 38.2). Поврежденные участки могут быть подвергнуты репарации, замещены путем рекомбинации или остаться без изменений. В последнем случае возникают мутации, потенциально ведущие к гибели клетки. Возможность репарации и замещения базируется на избыточности информации закодированной в структуре двухспиральной ДНК: дефектная область одной цепи ДНК может быть исправлена по неповрежденной комплементарной цепи Ключевой момент всех рекомбинационных и репарационных событий — распознавание дефекта, сопровождающееся либо непосредственной репарацией, либо маркированием для последующего исправления. Термолабильность Х-гликозидной связи пуринов приводит к депуринизации ДНК с частотой около 5000 — 10000 на клетку (в день) при 37' С.
Места депуринизацни узнаются специальными фермен- Таблица ЗВ.2, Типы повреждений ДНК 1. Затрагивающие единичные нуклеотиды А. Депуринизация Б. Дезаминирование цитозина до урацила В. Дезаминирование аленина до гипоксантнна Г. Алкилирование оснований Д. Вставка или делеция нуклеотида Е. Включение основания-аналога П. Затрагивающие пару нуклеотидов А. УФ-индуцируемое образование тиминовых димероа Б. Поперечные сшиаки бифункциональным алкилнрующнм агентом Ш. Ризрывы цепей А. Ионизирующая радиация Б.
Радиоактивная дезинтеграция каркаса ДНК 1У. Поперечные еигивки А. Между основаниями одной цепи или разных цепей Б. Между ДНК и молекулами белка (напрнмер, гастонами) 80 Глава 38 тами, специфически заполняющими брешь без разрыва фосфодиэфирного остова молекулы. Как цитозиновые, так и адениновые основания спонтанно дезаминвруются с образованием урацила и гипоксантина соответственно. Поскольку в норме ДНК не содержит нн урацила, ни гипоксантина, нет ничего удивительного в том, что специфические Х- гликозилазы узнают эти аномальные основания и удаляют их. Образовавшийся разрыв служит сигналом для действия репарационных пурин- или пиримидинспецифичных эндонуклеаз, расщепляющих фосфоди эфирную связь возле соответствующего участка повреждения.
После этого при последовательном действии экзонуклеазы, репарационной ДНК- полимеразы и ДНК-лигазы происходит заполнение бреши н восстановление исходной правильной структуры (рис. 38.22). Эта цепь событий получила название зксцнзиоиной рптауации. Сходным образом происходит процесс репарации ДНК, содержащей алкилированные основания и аналоги оснований. Восстановлениеделецийиудалениевставокпроисходит при помощи рекомбинационных процессов, которые могут протекать либо с участием репликации, либо без нее. Ультрафиолетовое излучение индуцирует образование пиримидин-пиримидиновых димеров. Этот А Т С О 6 С Т С А Т С С 0 А Т 1111111! 111111 Т А 0 С С 6 А 6 Т А 6 0 С Т А А Т С 6 0 С Т 1! А Т С С 6 А Т 1! 1111111111111 Т А 0 0 С 6 А 0 Т А 6 б С Т А АТС66СТ АТССОАТ 1111111 11111! 1 Т А 6 С С О А 0 Т А 6 6 С Т А АТСООС ТССОАТ 111111 1111! 1 Т А 6 С С 6 А 0 Т А б О С Т А А Т С б б С Т Ю А Т С С 6 А Т 111! 1! 1! 1111111 Т А б С С 6 А 6 Т Л О 6 С Т А Рис.
38.И. Фермент урацил-ДНК-гликозилаза удаляет урацил. возникающий при спонтанном дезаминировании цн- тозина. (Соиггеэу ог В. А!Ьегтэ.) "э о о-Рмбоза О нэс Рнс. 38.23. Тимин-тиминовый днмер, образующийся при связывании рядом расположенных тнминовых оснований. процесс затрагивает преимущественно расположенные друг под друтом тиминовые основания одной цепи (рис. 38.23). Для удаления тиминовых днмеров в клетке существуют два механизма: эксцизионная репарация и фотореактивация.
Этот способ репарации подразумевает фотоактивацню видимым светом специфического фермента, который обращает процесс, приведший к образованию димерной структуры. Одноцепочечные разрывы ДНК, вызванные ионнзирующей радиацией, могут быть репарированы прямым лигированием или рекомбинацией. Механизмы, вовлеченные в репарацию поперечных сшивок между основаниями противолежащих цепей нли между ДНК и белками, изучены недостаточно.
Итак, репарация повреждений, вызванных ионизирующей радиацией и алкилированием оснований, осуществляется путем вырезания и ресинтеза коротких участков ДНК. Удаление повреждений, вызванных ультрафиолетовым облучением, а также поперечных сшивок достигается аналогичным путем, но в этом случае затрагиваютея более протяженные участки ДНК. В клетках млекопитающих о протекании репарационной репликацни свидетельствует внеплановый синтез ДНК, т.е. включение в ДНК радиоактивных предшественников вне Б-фазы.
При интенсификации процессов эксцизионной репарации в ответ на повреждаюпще воздействия в клетках млекопитающих усиливается активность фермента поли(АОР-рибозил)-полимеразы. Этот фермент при участии кофермента УЧАО' осуществляет реакцию АОР-рибозилирования белков хроматина. В основном происходит моно- АРР-рибозилирование, однако иногда имеет место присоединение гомополимерных цепочек (АОР- рибоза)„. Функция поли(АРР-рибозил)-полимеразы или ее продукта — (АОР-рибоза)„— в процессе эксцизионной репарации не вполне ясна. Наблюдается корреляция во времени между интенсификацией Организация и реляикпиия ДНК процессов репарации и увеличением активности фермента. Специфическое ингибирование активности данного фермента препятствует устранению разрывов в цепи ДНК.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
