Lenindzher Основы биохимии т.3 (1128697), страница 49
Текст из файла (страница 49)
сей и других бактерий большая часть новообразованной ДНК обнаруживается в форме небольших кусков. Эти куски, получившие название фрагментов Оказаки, содержат приблизительно 1000-Х00 нуклеотидных остатков. Оказаки предположил, что этн фрагменты представляют собой короткие отрезки молекулы ДНК, образующиеся в результате прерывистой репликации и затем соединяющиеся друг 904 чАсТЬ |У МеХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ГеНетИческОЙ инФОРМАЦии 28Л1. Дли синтеза фрагментов Оказаки необходима РНК-затравка Отагаицав цспь с другом в одну цепь. Благодаря зтому открытию удалось показать, что одна из цепей ДНК реплицируется непрерывно в направлении 5'- 3', т.е.
в направлении движения репликативной вилки; эту цепь называют ведущей. Другая же цепь синтезируется нрерывцспю с образованием коротких фрагментов, также за счет присоединения новых мономеров к Зчконцу, т.е, в направлении, противоположном движению репликативной вилки. Затем фрагменты Оказаки с помощью ферментов ошиваются друг с другом, образуя вторую дочернюю цепь, называемую они снгангщей (рис. 28-10). Как позже было показано, фрагменты Оказаки образуются не только в бактериальных, но и в животных клетках, правда в последних они гораздо короче — их длина не превышает двухсот нуклеотидных остатков.
После открытия фрагментов Оказаки проблема репликации ДНК осложнилась веще большей степени. Поскольку ДНК- полимераза ие способна шпщиировать новую цепь. оставалось непонятным, каким образом инициируется каждый из фрагментов Оказаки? Неожиданно обнаружилось, что для образования фрагментов Оказаки в клеточных экстрактах необходимо присутствие не только г)АТР, г)ОТР„г)СТР и 1ПТР, но также и смеси рибонуклеозьш-5'-трифосфатов (АТР, ОТР, СТР и 1)ТР). Это и другие наблюдения навели на мысль, что для синтеза ДНК каким-то образом необходим синтез РНК.
В конце концов оказалось, что так оно и есть. Для синтеза фрагментов Оказаки в качестве затравок требуются, как выяснилось, короткие отрезки РНК, комплементарные матричной цепи ДНК. Эта РНК образуется в направлении 5'- 3' из АТР, ОТР, СТР и ()ТР с помощью фермента, называемого прилгазой. К 3'-концу этой короткой одноцепочечиой РНК-затравки и присоединяются друг за другом дезоксирибонуклеотидные остатки, комплементарные цепи-матрице ДНК.
Обычно РНК-затравка состоит всего лишь из нескольких рибонуклеотидных остатков (рис. 28-П), к которым затем Д НК-полнмераза 111 присоединяет !000 — 2000 дезоксирибонуклеотилных остаткоц и в результате образуется фрагмент Оказаки. Естественно, нуклеотидная последовательность новосинтезированного фрагмента Оказаки комплементарна нуклеотидной последовательности соответствующего участка цепи-матрицы. После завершения синтеза фрагмента Оказаки РНК-затравка удаляется, Рис.
28-10. Прсрывисгая рспливацив одной из цепей ДНК в вила коротких фрагмсигав. Цспь, которая рсплицирусзся нспрсрывно (в направ- лснии движения рспликагивнай вилки1, называ- ется всдугцса Другая испь рсплицирусзся с пс- рсрывами, в виде коротких фрагментов [фраг- менты Оказаки); направлснис сс рспликации проз.ивоположно направлению движсиия рспли- аагивиай вилки. Фрапсснгы Оказаки сосциня- ютая затем друг с другом с помоццю ДНК- лигазы, образуя агсгагацпю цепь. У нрокариот фрагмсихы Оказаки достигают длины 1000— 2000 нуклсагииов.
В живогньи клетках они со- держат 150-2(Ю нуклсмндоа гл. 2а Рипликйция и трлнскрипция днк 3' катализирует образование фосфодиэфирной связи между 3'-гидрокснльной группой на конце ДНК, подлежащей удлинению, и 5'-фосфатной группой новосинтезированного фрагмента Оказаки. Образование этой связи требует затраты энергии, которая поставляется в ходе сопряженного пшролиза пирофосфатной связи )чАВ ' (в бактернальньгх клетках) нли АТР (в животных клетках) (рнс.
28-12). ДНК-лнгазная реакция, ме- 5 Кнготкав РНК- зетравка Фрагмент атричной Д!К Комнлемгетараыа фрагмент Окаэаки Н 000-2000 ссаоввннй) Отстаьлкаа ааль 3 Сшавесмьн концы 5 5 Новый фрагмент Сказав» 3' 5 Ч ЛНК-зкг аэа л) 1'укараотачьеыо 1' Рр, +-4 '-, Э Присоединение чамрвнно Э 5 Рнс 20-11. Участие короткого фрапчента комплементарной РНК в качестве затравки при синтезе фрагментов Оказаки. Синтез этой РНК катализнруетсв примазой, длн действии которой затравка не требуется. нуклеотид за нуклеотидом, с помощью Р- 3'-экзонуклеазной активности ДНК- полнмеразы 1.
По мере отщепления рибонуклеотидных мономеров каждый из ннх замещается на соответствующий дезокснрибонуклеотцц в ходе полнмеразной реакции, осуществляемой ДНК-полнмеразой 1; прн этом в качестве затравки используется 3'-конец предьгдущего фрагмента Оказакн. Однако ДНК-полнмераза 1 не может совершить последнее ковалентное присоединение фрагмента Оказаки к растущей цепи ДНК; для этого требуется другой фермент. 28.12. Фрагменты Оказана соединииэтсв друг с другом прн помощи ДНК-лигазы Новый фрагмент Оказаки присоединяется к отстающей цепи ДНК с помощью фермента ДНК-лигазы, который ваиа ° й)~ййй~й®~~И~ИИИИИИ) Рис. 20-12 Присоединение фрагмента Оказвки к отсгыопзей цепи, катвлизируемое ДНК-лига- ков. Два нуклсотпрв, которые надлежит соеди- нить, долины быль «омплементарны матрич- ной пепи. На самом деле реакции протекает в несколько этапов.
906 ЧАСТЬ 3Ч. МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 5 3 ваююие гя Кснпле полинерю лимвраэа Ш ат сиатеэ ат -затравки 3 5 Вепуввк Отстаивал цепь цепь ханизм которой довольно сложен, протекает наиболее эффективно в тех случаях, когда два фрагмента, которые следует соединить друг с другом, полностью комплементарны матричной цепи ДНК. Как мы увидим ниже (гл. ЗО), ДНК-лигаза выполняет и другие функции, связанные с соединением фрагментогь 28ЛЗ.
Для ренликвции необходимо физическое разделение цепей роднтельскои двухцепочечной ДН Л Мы уже видели, что кольцевая двухцепочечная ДНК реплицируется одновременно в обоих направлениях, так что дяе репли кати вные вилки перемещаются вдоль кольцевой хромосомы навстречу друг другу. Если мы теперь виюмним, что двойная спираль ДНК представляет собой плотно скрученную структуру и что кодирующие основания находятся внутри спирали, то станет ясно: чтобы реплнцирующие ДНК ферменты смогли «прочитать» нуклеотидную последовательность матрицы, цепи родительской ДНК должны быть разделены хотя бы на коротком участке. Даже если бактериальная ДНК отрицательно сверхспиралнзована, т.е. уже слегка раскручена, по мере движения репликативной вилки вперед она должна дополнительно расплетать ся. Раскручивание двойной спирали и удержание двух цепей на некотором расстоянии друг от друга, чтобы ови могли реплицироваться, осуществляется при помощи нескольких специальных белков (рис.
28-1 3). Ферменты, известные поц названием хеликаз (Ьейсазк, от слова Ьейх-спираль), расплетают короткие участки ДНК, находящиеся непосредственно перед репликативной вилкой. Для раскручивания ДНК требуется энергия. На разделение каждой пары оснований расходуется энергия гидролиза двух молекул АТР до АПР и фосфата Как только небольшой участок ДНК оказывается расплетенным, к каждой из разделившихся цепей прочно присоединяются несколько молекул ДНК-саязк«анлщею белка (ДСБ), которые препятствуют Рис. 23-13. Сксматнческое нзоеравениеоснов- вмк этапов репиикапии ДНК. Сугпествует иеко- торав иеопревевениость относительно точного места веаствив дНК-гврвзм. образованию комплементарньтх пар и обратному воссоединению цепей, Благодаря этому нуклеотидные последовательности цепей ДНК оказываются доступными лля репликативной системы.
ДНК-полвмераза может непосредственно удлинять ведушую цепь, добавляя к ее Усконцу новые нуклеотиды. Другие специфические белки помогают примаэе получить доступ к матрице для отстающей цепи. В результате прнмаза получает возможность связываться с отстающей цепью н синтезировать РНК-затравки лля фрагментов Оказаки. Расплетание ДНК-одна из наиболее интересных и ГЛ.
26. РЕПЛИКАЦИЯ И ТРАНСКРИПЦИЯ ДНК в то же время наиболее сложных проблем репликации ДНК. Предстоит еше много сделать, прежде чем мы поймем, как живая клетка решает эту механическую и биохимическую проблему, На рис. 28-13 указаны основные белки, необходимые для репликации ДНК.
Быстрое раскручивание цепей родительской ДНК в процессе реплнкапии (4500 об/мнн) порождает еще одну проблему, которая состоит в том, чта при отсутствии специального шарнирного устройства вся хромосома, расположенная впереди реплнкатнвной вилки, должна вращаться с такой же скоростью. Предполагают, что избежать этого помогает клетке шарнир в ДНК (возможно, прямо перед реплнкатнвной вилкой), благодаря которому вращаться с большой скоростью приходится талька короткому учаспгу ДНК. Это может быть достигнуто за счет кратковременного разрыва одной из цепей ДНК, который очень быстро и точно восстанавливается после одного или нескольких оборотов.
Кратковременные разрывы и воссоединения осуществляются ферментами, известными под названием топоизомераз. У прокариот топоизомераза называется ДНК-двразай (от англ. 8угабап-вращение). Этот фермент не только позволяет ДНК вращаться, но и активно закручивает ее в направлении, благоприятствующем расплетанию цепей матрицы в районе реплнкативной вилки. Таким образом, гираза помогает хелнказе раскручивать ДНК для ее реплнкации. Закручивание ДНК с помощью гнразы н сопряженный с этим процессом гидролнз АТР до АРР н Рп обусловливают сверхспиральное состояние хромосомы. Благодаря гиразе все кольцевые ДНК бактериальных клеток поддерживаются в сверхспиральной форм» (рис.
28-14). По мере того как реплнкативная система ликвидирует разрывы в отстающей цепи, она движется вдоль реплнцирующейся ДНК. Две новые цепи соединяются со своими комплементарными цепямн-матрицами автоматически, образуя две дочерние двойные спирали, каждая из которых содержит одну родительгзгую и одну новосннтезнрованную цепь. Для лтР НК-гяраю лпрт 8 Ссеехскякммня ксеьехеак ДНХ Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
