Э. Рис, М. Стернберг - Введение в молекулярную биологию от клеток к атомам (1128690), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Репликация ДНК Е. coli изученавесьма детально, и нам известны механизмы многихстадий этого процесса. Эти механизмы характерныдля репликации всех прокариот. Аналогичным образом протекает репликация у эукариот, но в ней участвуют другие ферменты.ДНК-полимеразы — это ферменты, участвующие всинтезе ДНК. Ферменты присоединяют нуклеотид к—ОН-группе на З'-конце одной из цепей ДНК, которая, следовательно, растет в направлении 5' —> 3'.
Поэтому говорят, что данные ферменты обладают 5' —>З'-полимеразной активностью. Для синтеза новой цепи ДНК необходимы: 1) ДНК-матрица, которая может быть как в одно-, так и в двухцепочечной форме;2) дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (ATP, CTP,GTP и ТТР) и 3) З'-ОН-группа нуклеиновой кислотызатравки, к которой присоединяется следующее основание. Схема реакции показана на рис. 21.2.Выделены три ДНК-полимеразы — I, II и III, обозначаемые polI, polII и polIII.
Хотя первой была выделена polI (Корнбергом в 1958 г.), основным ферментом , катализирующим синтез растущей цепи ДНК,является polIII. PolI участвует в процессе созревания(см. ниже), роль роШ неясна. Помимо 5' —> З'-полимеразной активности все три фермента проявляютспособность деградировать ДНК, отщепляя нуклеотиды в направлении У —> 5', т.
е. являются У —> 5'-экзонуклеазами. Poll и pollII обладают также 5' —> З'-экзонуклеазной активностью.Репликативная вилка – это та часть молекулыДНК, в которой в данный момент осуществляетсясинтез новой ДНК. Здесь родительская ДНК расплетена и находится в одноцепочечной форме. Каждая изцепей служит матрицей для синтеза новой ДНК. В ходе синтеза репликативная вилка перемещается вдольмолекулы, и при этом расплетаются все новые участки родительской ДНК — до тех пор, пока вилка недойдет до точки окончания синтеза (точка терминации). Поскольку ДНК-полимеразы катализируют репликацию только в направлении 5' —» 3', а цепи родительской ДНК антипараллельны, только одна из новых цепей синтезируется непрерывно; она называетсялидирующей.
Вторая цепь, называемая отстающей,синтезируется в виде фрагментов, которые затем сшиваются (лигируются), и образуется непрерывная вторая цепь. Этот процесс называется созреванием.Фрагменты ДНК, о которых идет речь, называютсяфрагментами Оказаки, по имени исследователя, который их впервые обнаружил. У прокариот они имеютдлину около 1000 нуклеотидов, а у эукариот — 100—200нуклеотидов.Для синтеза ДНК необходима РНК - затравка.
Поскольку для своей работы ДНК-полимераза нуждаетсяв свободной З'-ОН-группе, возникает вопрос, как начинается синтез ДНК. В результате многочисленныхисследований было показано, что синтез начинаетсяна маленьком фрагменте РНК, выступающей в ролизатравки (праймера). Сначала фермент РНК-полимераза, не нуждающийся для инициации синтеза в свободной З'-ОН-группе, синтезирует короткую молекулу РНК (длиной 10—60 нуклеотидов), используя в качестве матрицы родительскую двухцепочечную ДНК.Эта РНК-затравка остается спаренной с расплетеннойДНК и действует как место инициации синтеза, предоставляя свою свободную З'-ОН-группу для присоединения первого нуклеотида ДНК; эту последнююоперацию производит ДНК-полимераза III.
Аналогичная затравка образуется и перед синтезом отстающей цепи, но, поскольку матрицей для ее образованияслужит одноцепочечная ДНК, бактерии часто используют для синтеза РНК-затравки другой фермент праймазу. РНК-матрица удаляется из молекулы ДНКв процессе созревания с помощью poll.При созревании РНК-затравка удаляется как с 5'конца лидирующей цепи, так и с 5'-концов фрагмен-тов Оказаки, а эти фрагменты сшиваются друг с другом.
Удаление РНК-затравки осуществляется с помощью ДНК-полимеразы I, действующей как У —> 5'-экзонуклеаза. Этот же фермент присоединяет вместоудаленной РНК дезоксинуклеотиды, используя приэтом свою 5' —> З'-полимеразную активность. Наконец, фермент ДНК-лигаза соединяет в нужном порядке фрагменты ДНК, катализируя образование фосфодиэфирной связи.«Корректорская правка» — это удаление неправильных(образующих некомплементарные пары) оснований,включенных во вновь синтезированную ДНК. Этотпроцесс обеспечивает чрезвычайно высокую точностьрепликации, отвечающую одной ошибке на 109 пароснований.
Коррекция осуществляется в тех случаях,когда к З'-концу растущей цепи присоединяется«неправильный»нуклеотид,неспособныйобразовывать нужные водородные связи с матрицей.Когда polIII ошибочно присоединяет неправильноеоснование, «включается» ее 3'—5'-экзонуклеазнаяактивность, и это основание немедленно удаляется,после чего восстанавливается полимеразная активность. Такой простой механизм действует благодарятому, что pollII способна работать как полимеразалишь на совершенной двойной спирали ДНК с абсолютно правильным спариванием оснований.Расплетание двойной спирали РНК необходимо длятого, чтобы цепи ДНК могли разойтись и играть рольматриц при репликации.
У Е. сой имеется особый фермент, так называемый rep-белок, который выполняетфункцию расплетания двойной спирали. Энергия, необходимая для этого, получается за счет гидролизаАТР. Образовавшиеся при расплетании одноцепочечные участки ДНК стабилизируются в этом состояниицелым рядом белков: это белок, связывающийся с одноцепочечной ДНК, белок, дестабилизирующийдвойную спираль, ДНК-связывающий белок и белок,расплетающий двойную спираль.Топоизомеразы—ферменты,катализирующие переходы в молекулах ДНК,связанные с изменением степени сверхспирализации.ДНК,различающиесятолькопостепенисверхспирализации, называются топологическимиизомерами или топоизомерами, отсюда и названиеферментов — топоизомеразы.
Одни топоизомеразывызывают релаксацию сверхспиральной ДНК, адругие, напротив, приводят к появлению в нейсверхвитков (гл. 26). ДНК-гираза Е. coli переводитдвухцепочечную кольцевую ДНК в состояние сотрицательной сверхспирализацией. Это необходимодля снятия положительных сверхвитков, возникающих при репликации (и транскрипции; гл. 22) из-зараскручивания двойной спирали ДНК.22. Транскрипция ДНКТранскрипция — процесс переноса генетической информации от ДНК к РНК. Все виды РНК - мРНК,рРНК и тРНК - синтезируются в соответствии с последовательностью оснований в ДНК, служащей матрицей. Транскрибируется только одна, так называемая «+»-цепь ДНК.
Процесс транскрипции у прокариот и эукариот существенно различается.ТРАНСКРИПЦИЯ У ПРОКАРИОТДНК-зависимая РНК-полимераза — это фермент,катализирующий синтез РНК. Он состоит из несколько субъединиц: двух α, одной β, одной β' и однойσ. Их комплекс называется холоферментом (α2ββ'σ) иимеет мол. массу (Мг) около 500 000.
Фермент, лишенный σ-субъединицы, называется кор-ферментомДля инициации транскрипции необходимыхоло-фермент, нуклеозидтрифосфат (всегда АТР илиGTP) и наличие специального участка в ДНК,называемогопромотором.Когдаполимеразасвязывается с промотором, происходит локальноерасплетание двойной спирали ДНК и образуетсяоткрытый промоторный комплекс.Промотр - это участок молекулы ДНК, имеющийразмер около 40 пар оснований и расположенный непосредственно перед участком инициации транскрипции.
Синтез РНК всегда начинается с основанийА или G в «+»-цепи ДНК. Участок связывания холофермента расположен «левее» сайта инициации (в направлении 3' - 5' в «+»-цепи) на расстоянии примерно10 оснований. Если сравнить последовательностиоснований «+»-цепи ДНК у разных промоторов, томы обнаружим, что они весьма близки, хотя и неидентичны. Эта так называемая последовательностьПрибнова имеет вид TATPuATPu, где Ри означает пурин (А или G). Таким образом, холофермент связывается со специфической последовательностью илигруппой последовательностей. Обычно на расстоянииоколо 40 оснований «левее» участка инициации находится второе место связывания РНК-полимеразы,где, как полагают, происходит связывание а-субъединицы с ДНК.Элонгация цепи РНК — это та стадия транскрипции,которая наступает после присоединения примерновосьми рибонуклеотидов.
В этот момент РНКполимераза претерпевает структурное изменение, прикотором от комплекса отделяется σ-субъединица иостается кор-фермент (α2ββ'), катализирующий дальнейшее удлинение цепи РНК. При этом к цепи присоединяются те рибонуклеозидтрифосфаты, которыеобеспечивают правильное спаривание с «—»-цепьюДНК. Движущийся вдоль ДНК кор-фермент действует подобно застежке-молнии, «раскрывая» двойнуюспираль, которая замыкается позади фермента по мере того, как соответствующие основания РНК спариваются с основаниями ДНК в «—»-цепи. «Раскрытая»ферментом область простирается только на несколькопар оснований. На рис. 22.2 представлена химическаяреакция удлинения цепи РНК от З'-конца.крипт модифицируется и превращается в зрелуюРНК.
Характер и степень модификации РНК зависятот типа РНК.Молекулы мРНК у прокариот не подвергаютсяпроцессингу. У некоторых бактерий транскрипция итрансляция сопряжены, т. е. происходят одновременно. 5'-конец мРНК может транслироваться на рибосоме и затем подвергаться деградации еще до завершения синтеза ее З'-конца. Молекулы тРНК вначалесинтезируются в виде про-тРНК, которая примернона 20% длиннее, чем соответствующая тРНК. Лишние последовательности, расположенные у 5'- и 3'концов, удаляются с помощью таких ферментов, какрибонуклеазы Q и Р. Иногда молекула про-тРНК состоит из двух или более молекул тРНК, соединенныхмежду собой. Их разделение также осуществляется спомощью рибонуклеаз.
Если З'-конец тРНК не несетконцевой последовательности ССА, то эти основанияприсоединяются при постсинтетической модификации. Все тРНК содержат минорные основания (гл. 19),которые являются химически модифицированнымиформами четырех главных оснований (А, С, G и U).Эта модификация происходит после завершениятранскрипции.Гены рРНК прокариот расположены в транскрипционных блоках. Три генарРНК Е.
coli (16S, 23S и 5S)(гл. 24) располагаются вместе с генами несколькихтРНК в одном таком блоке и транскрибируются в виде одной молекулы РНК. Эти молекулы рРНК и тРНКотделены друг от друга спейсерной РНК. Расщепление первичного транскрипта на отдельные составляющие катализирует рибонуклеаза Q; поскольку этотфермент специфичен к двухцепочечной РНК, предполагают, что в области спейсеров образуются двухцепочечные шпильки, которые фермент узнает и вырезает.ТРАНСКРИПЦИЯ И ЭУКАРИОТТерминация (прекращение роста) цепи РНК происходит на специфических участках ДНК, называемых терминаторами. Начало этих участков обычнообогащено GC-парами, а остальная последовательность — АТ-парами. GC-богатый участок часто представляет собой палиндром. Это означает, что при движении вдоль «+»-цепи в одном направлении, а вдоль«—»-цепи - в противоположном читается одна и та жепоследовательность оснований. В остановке синтезаРНК именно на терминаторе важную роль играет рбелок .Посттранскрипционный процессинг — этопроцесс созревания, при котором первичныйРНК-транс-У эукариот для транскрипции используются тр иДНК - зависимых РНК-полимеразы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
