Lenindzher Основы биохимии т.3 (1128697), страница 47
Текст из файла (страница 47)
сой и вирусов, показали, что Схематическое изображение кольцевой ДНК в процессе репликации А Исходный момент В холе реплнкацин Исходный ыоменг В ходе репликации Б Рис. 28-3. Реплнквпия хромосомы Е. гай. л. Схематическое изпбражение меченном тритием хромосомы Е. габ в ходе репликацим. б. Ин- терпретация процесса репликацни (иовасинтезн- рояанные дочерние цели обозначены красным цветом).
Союгасио одной модели, от точки на- чала репликвции движется только одна ренли- кативная вилка. Согласно дрп ой модели, в точ- ке начала репликапии возникаюз пве репзика- знвные вилки, которые лвижутси в противопо- ложных направлениях до встречи друг с дру- гом.
Хромосомы Е. го1г и лругжх бактерий, в также мнюих ДНК-содержащих вирусов релли- пируются в соответствии со второи моделью. репликация обычно происходит в двух направлениях, т.е. существуют две репликативные вилки. Обе вилки возникают в одной точке и удаляются от нее в обоих направлениях одновременно, пока снова не встретятся (рис. 2б8-3). В этой точке два полностью синтезированных дочерних двухцепочечных кольца разделяются: каждое из них содержит одну старую и одну новую цепь. Участок начала реплнкации представляет собой нуклеотидную последовательность длиной 100 200 пар оснований, без которой ДНК не может реплицн- 898 ЧАСТЬ ГИ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ роваться.
Эта последовательность узнается специфическими клеточными белками, которые начинают в этом месте цикл реплнкации, Именно этот процесс инициации реплнкацин находится под контролем клеточной регуляции. Исходя из скорости движения репликатнвной вилки Е. сой, можно заключить, что при 37'С новая ДНК синтезируется со скоростью свыше 45000 нуклеотидных остатков в минуту в расчете на одну вилку. Поскольку на каждый полный виток двойной спирали приходится 1О пар оснований (равд. 27.6), скорость расплетания родительской ДНК в репликативной вилке у клеток Е. со11 составляет более 4500 об/мнн, что превышает скорость вращения нала в двигателе автомобиля, мчащегося со скоростью 110 км/ч.
По-видимому, столь быстрое расплетание должно создавать ряд механических проблем дла реплиюшии ввиду двуспиральной природы нативных моле- кул ДНК. Позже мы увидим, каким образом в клетке решаются эти проблемы. 28.3. В эукариотических ДНК мш>го точек начала реплнкации Очевидно, реплнкация зукариотической ДНК, которая организована в нуклеосомы и находится в составе хроматиновых волокон, должна быть гораздо более сложной, чем репликацня бактериалыюй хромосомы.
Чтобы выяснить, как протекает реплнкация ДНК у эукарнот, были проведены радиоавтографическне эксперименты, аналогичные опытам Кзрнса по репликации Е. сод. Этн эксперименты показали, что эукариотическая ДНК также реплицируется в двух направлениях, но репликативные вилки движутся очень медленно, раз в 1О медленней, чем у Е. сод. Если бы на каждую хромосому приходилась только одна пара репликативных вилок, то из-за больших размеров зукариотнческих ДНК их репликацня продолжалась бы почти два месяца. Оказалось, что репликация эукариотической ДНК начинается одновременно во многих точках (число которых, вероятно, превышает тысячу).
Из каждой такой точки одновременно в противоположных направлениях движутся две репликативные вилки (рис. 28-4), благоларя чему реплнкация целой зукариотической хромосомы может завершиться даже быстрее, чем реплнкация бактериальной хромосомы. Поскольку в эукариотической клетке хромосом много, все они должны реплицироваться одновременно. Таким образом, в ядре эукариотической клетки работает одновременно много тысяч реплнкатнвных вилок 28.4.
Иногда ДНК реплицируетсн по механизму екатащегоси кольца» ДНК некоторых вирусов реплнцнруются в одном направлении по механизму «катящегося кольца», вариант которого представлен на рис. 28-5. Вначале одна из двух цепей кольцевой родительской ДНК расщепляется ферментом. Затем к 3'-концу расщепленной цепи присоединяется несколько новых нуглеотидов. Рост новой цепи на кольцевой матрице осуществляется за счет постепенного вытеснения 5'-концевой части расщепленной цепи из катящейся кольцевой матрицы. По мере роста новой цепи вытесненный 5'-хвост становится линейной матрнцей для синтеза новой комплементарной цепи.
Этот синтез на линейной матрице продолжается до тех пор, пока не образуется дочерняя цепь ДНК, комплементарная одному обороту кольцевой матрицы. Двухцепочечный хвост отщепляется затем с помощью фермента, и на 5'-конце опять может начинаться процесс репликации. Таким путем с коль- ценой матрицы может сходить множество комплементарных копий кольцевой ДНК. Механизм якатяше> ося кольца» используется в ооцитах в процессе синтеза генов рРНК; он позволяет получать большое число копий этих генон, расположенных в тандемной последовательности, что в свою очередь дает возможность синтезировать одновременно много рРНК.
Этот механизм необходим ооцитам для того, чтобы производить много рибосом для быстрого синтеза клеточных белков в процессе ускоренно- Дочерние дуплексы "Пузырьки ", образованные при репхикации, щюисходяцвй во многих точках по модели с двумя рвпхиквтивными вилкамн А Ранняя Родительская стадах Поздняя дПК рвлликации стадия Интактная КольцеВая вирусная ДНК О ы Рис. 28лй Репликацня эукариотичесхой хромосомы. А. Схематическое изображение реплицирующегося участка ДНК из яиц Ргоюрййа ме!алсд«эгег.
Видны «пузмрькиь, илн «глаэки», которые образуются при репликации, происходящей во многих точках в соответствии с моделью с двумя репливативными вилками. Б. Одновременно во множестве точек (точки нача.- ла реплиаации) возникают две рспликвтивные вилки. Репликвцив продолжается до полного завершения синтеза лочерннх цепей (обозначены красным пестом). Затем новые луплсксы разделяются; кажлый из них сопержит олпу родительскую цепь (чернел) и олпу дочернюю «епь (красная). Расщепление иуклевэой Рис. 28-5. Репликацня по механизму «катящего- ся кольда», характерная длх рада вирусньж ДНК.
В олной из цепей происходит разрыв, после чего к Зьконцу Этой цепи начинают при- соедннвться нуклеотиды. В результате разор. ванная родительская цепь удлиняется комлле- меитарно лругой родительской цепи, вытесняя свой собственный 5чконец. Затем по мере того, юл вытесненная цепь сматмвжтсл с кольца, начинается ее репликецня. После завершения синтеза новой дочерней цепи, «омплементариой этой разматываюшейси цепи, новообразован- ный линейный дуплекс отщеилветсв с помощью нуклеазы н появняется линейиаа вирусная ДНК.
Другая новообраэованная (дочерняя) цепь по- вторяет теперь процесс реплнкации: ее Зьконец удлиняется, а 5«конец сматывается и служит матриц«8 лля синтеза новой почерней цепи. Та- ким образом, на матрице, прелстанляюшей со- бой«катящееся кольцо», может быть получено много новых линейных дуплексов Реплпкалня пс такому механизму встречаетса и у эукариот лри синтезе тандемно повторяющихся генов РРНК. В этом случае новые щны не отшепля. ются, а остаются в составе одной непрерывной цепи.
См, равд. 222б и 28,25, 900 чАсть ьу. мехАнизмы пеРедАчи генетическОЙ инФОРмАции го роста эмбриона на ранних стадиях развития, 28.5. Бактериальные »кстракты содержат ДНК-цолимеразу Теперь, когда мы получили общее представление о репликации ДНК, рассмотрим вопрос об участии ферментов в этом процессе. Впервые механизмы действия ферментов при репликации стали доступны прямому биохимическому исследованию благодаря важным работам Артура Корнберга и его коллег, начатым в 1956 г. Они инкубировали экстракты из клеток Е. сой со смесью дАТР, 6ТТР, НОТР и дСТР, а-фосфатная группа которых была помечена изотопом ззР (рис. 28-6). Было обнаружено, е Оснонанин и о — р — тзй(йя):. о -сн, о ( о () н и н н он н Π— Р- () Рис.
УЯ-6. Дезоксирибонукнеознд-я-трифосфат, меченнми (зтР) на-паломники. (е))з)МР)н + д)з(ТР ки днк ~(~НЧМР)„„+ РР, Удлиненная днк что при этом синтезируется очень небольшое количество новой ДНК, содержашей в своих фосфатных группах изотоп ззР, Фермент, катализирующий эту реакцию и названный ДНК-полямеразой 1, был в конце концов очищен и его свойства были подробно изучены. Оказалось, что он катализирует последовательное присоединение дезоксирибонуклеотидных остатков к концу цепи ДНК с одновременным высвобождением неорганического пирофосфата, содержащего ()- и у-фосфатные группы каждого встраиваюшегося дезоксирибонуклеозид-5с трифосфата. Уравнение реакции в простейшей форме имеет вид где д)з(МР и с()ЧТР означают соответственно дезоксирибоиуклеозид-5'-монофосфат и дезоксирибонуклеозид-5стрифосфат.
Если хотя бы один из четырех прелшественников отсутствует, то новая ДНК не образуется, т.е. синтез новой ДНК идет только в присутствии всех четырех предшественников. 5'-трифосфаты всех четырех дезоксирибонуклеозидов не могут быть заменены соответствую- шими 5сдифосфатами или 5смонофосфатами; фермент не работает также с рибонуклеозид-5стрифосфатами. Для работы ДНК-полимеразе необходимы ионы Мйк +, а в ее активном центре содержится прочно связанный с ферментом ион АПЗ+ ДНК-полимераза катализирует ковалентное связывание новых дезоксирибонуклеотидов, которое происходит благодаря присоединению их а-фосфатных групп к свободному Зсгидроксильному концу прелсушествуюшей цепи ДНК: следовательно, синтез цепи ДНК происходит в направлении 5' 3' (рис.
28-7). Энергия, затрачиваемая на образование каждой новой фосфодиэфирной связи в остове ДНК, обеспечивается расшеплением пирофосфатной связи между а- и ()- фосфатными группами предшественников — дезоксирибонуклеозид-5'-трифосфатов. Образующийся при этом пирофосфат разрушается затем до фосфата, которьгй может сдвигать реакцию в сторону ее завершения. В процессе работы было сделано очень важное наблюдение: было отмечено, что ДНК-полимеразная реакция протекает только в том случае, если в системе уже находится некоторое количество предсушествуюшей двухцепочечной ДНК.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
