Lenindzher Основы биохимии т.3 (1128697), страница 50
Текст из файла (страница 50)
2В-!4. Образоааннс отрицательньи саерхвитков под дейстаием ДНК-гирезы. Необходимая для етого процессе знергия осмгбонлестся а результате гидроляза АТР, ДИК-гнраза делает а одной из цепей ДНК разрыв. Через открыв. шуюся брешь аыходит интектнм цепь, после чего концы разорванной цыш сшиааютсе тем не Ферментом.
образования новых спиралей не требуется нн затрат энергии, ни участия какого- либо «закручиваюшего» фермента. 28.14. ДНК-палимервзы могут находить и исправлять ошибки Было установлено, что частота ошибок при реплнкацни ДНК Е. сай не превьтшает 1 на 10"-10'о иуклеотндов. Поскольку хромосома Е. сай содержит приблизительно 4,5 104 пар оснований, на 10000 клеток, претерпевших один цикл деления, встраивается всего один неправильный нуклеотид.
Долгое время считалось, что сталь высокая степень точности 908 ЧАСТЬ 1И МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ аа,а а Прв,ан а на анр ,1НК-ааа 1" эа 1 ванна а ээ 5 в.еа 3 5' юн~ ана» 5 5 неамн, а нрм в АНК. в.н ера а а 'в нва юнна . «аа аэ аа юнна ащ»а ан а ю нанн воспроизведения генетичесжой информации целиком определяется точностью уотсон-криковского спаривания между матричной и новообразованной (дочерней) цепями, однако в результате последующего анализа выяснилось. что если бы точность репликации зависела исключительно от правильности спаривания оснований, то частота ошибок была бы значительно выше — приблизительно 1 на 10"-105 остатков Следовательно, чтобы объяснить такую низкую частоту ошибок при репликации ш срчо, необходимо предположить участие в процессе репликации еще какого-то одного или нескольких факторов.
Более детальное изучение свойств высокоочишенных ДНК-полимераз позволило получить по крайней мере частичный ответ на вопрос о природе этих ф ор .Н о,чтоДНК- разы 1 н 1И обладают тремя различными ферментативными активностями. Мы уже виделн, как фермент функционирует в качестве полимеразы, а также как он может удалять нуклеотидные остатки с 5'-конца фрагмента ДНК. Однако 3'-экзонуклеазная активность ДНК-полимераз 1 и 1И очень озадачивала исследователей, ибо оиа означала, что зти ферменты способны «пятиться», отщепляя 3'-концевые нуклеотиды в направлении, противоположном тому, в котором они действуют как полимеразы. 3'-экзонуклеазная активность ДНК-полимераз 1 и И1-это средство проверки новосинтезированной цепи ДНК и исправления ошибок, сделанных ферментом при его работе в качестве полнмеразы.
Если ДНК-полимераза встраивает неправильный нуклеотид, то фермент сам может распознать неспособность этого нуклеотида образовать правильную пару с соответствующим нуклеотидом матрицы (рис. 28-!5). В этом случае фермент возвращается назад и отщепляет неправильный нуклеотид с 3'-конца цепи, после чего полимераэа продолжает при- Рис. 28-15, Исправление ошибок с помощью зь амонхклеаэнов вкэивносэ и ДНК-полимераэы. соединять правильные нуклеотиды, т.е.
возобновляет свое обычное продвижение в направлении 5'- 3'. Таким образом, по мере перемещения репликативной вилки вдоль матрицы осуществляется проверка каждого встроенного нуклеотида. Корректирующее действие ДНК-полимеразы очень эффективно; благодаря ему точность репликации повышается как минимум в !Ов раэ. Суммарная ошибка возникает в результате ошибок, допускаемых ферментом в ходе полимеризации и в процессе исправления их при корректировке; она не превышает одной ошибки на !Ос-1 0'о нуклеотидных остатков. Очень важно отметить, что процесс репликации протекает со значительно более высокой степенью точности, чем процессы транскрипции и трансляции.
Частые ошибки в репликации подвергли бы большому риску сохранность видов ГЛ. 28. РЕПЛИКАЦИЯ И ТРАНСКРИПЦИЯ ДНК и их жизнеспособность. Ошибки же в транскрипции и трансляции гораздо менее опасны, поскольку они влияют на образование РНК или белка толъко в одной клетке и не изменяют всю последующую родословную вида. Корректировка с помощью ДНК-полимеразыэто, вероятно, лишь один из путей, обеспечивающих высокую точность репликации. Возможно, исключительно сложная органиэация репликативного процесса и участие в нем множества белков необходимы для достижения именно этой цели. Интересно, что некоторые эукариотические ДНК-полимеразы не осуществляют корректировку.
По-видимому, эукариоты обеспечивают точность и надежность процесса репликапии с помощью каких-то других средств. 28.15. Реплнкации в эукариотическнх клетках протекает особенно сложно Процесс репликации эукариотической ДНК несомненно должен протекать гораздо сложнее, чем репликаппя ДНК Е. со10 поскольку в эукариотических клетках одновременно репляцируется большое число хромосом, размер которых существенно превышает размер прокариотической хромосомы. К тому же, в силу того, что короткие участки эукариотической ДНК обвиты вокруг белковых частиц, образуя нуклеосомы, которые в свою очередь плотно уложены в спиральную структуру (разд.
27.20ь репликация этой ДНК помимо раскручивания ДНК, обеспечивающего доступность оснований, должна сопровождаться еще механическими и геометрическими изменениями структуры ДНК. Хотя мы пока еще очень мало знаем о конкретных этапах и ферментативных факторах, необходимых для осуществления этих предварительных процессов в эукариотических клетках, ряд данных свидетельствует о том, что основные ферментативные пронесем собственно репликации зукариотической ДНК, коль скоро эта ДНК «раскрыта» и доступна полимеразам, имеют много общего с аналогичными процессами у прока- риот. Эукариотические ядра содержат ДНК-цолимеразы, ДНК-лигазу и разнообразные расплетающие ферменты и белки.
Эукариотическая ДНК также реплицируется посредством фрагментов Оказаки, которые гораздо короче, чем в бактериях, но инициируются также с помощью РНК-затравок. Расчеты показали, что в клетках млекопитающих скорость движения репликативных вилок составляет лишь около 60 оснований в секунду, или менее 1 мкм/мин. Однако, как мы уже упоминали 1рис. 23-4), в эухариотических хромосомах одновременно работают тысячи или даже большее число репликативных вилок. 28.16. Гены транскрибируются с образованием РНК Обратимся теперь к следующему основному этапу в передаче генетической информации, а именно к транскриниии содержащейся в ДНК генетической информации в форму РНК.
В этом процессе с помощью ферментной системы происходит синтез цепи РНК, нуклеотидная последовательность которой комплемевтарна последовательности одной из цепей ДНК. Транскрипция должна осуществляться точно, поскольку клетке нужны белки с нормальной генетически детерминированной последовательностью аминокислот. В результате транскрипции образуются трн класса РНК. Во-первых, зто матричная РНК (мРНК), которая поступает в рибосомы и там направляет синтез одного или нескольких полипептидов, аминокислотная последовательносп которых была закодирована геном или группой генов в хромосоме. Около 90-9У,', хромосомы Е.
сой кодирует матричные РНК. Остальная часть хромосомы кодирует транспортные и рибосомные РНК, а также включает регуляторные последователь- носпЬ лидеры, спейсеры и хвостовые последовательности. Ме:кду процессами репликации и транскрипции существует важное различие. В процессе репликации копируется вся хромосома и образуются дочерние ДНК, идентичные родителъской ДНК. При 910 чАСть 1Ч, МехАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕтИЧЕСКОИ инФОРМАЦИи транскрипции же не обязательно должна транскрибироваться вся клеточная ДНК. Напротив, обычно транскрибируются лишь отдельные гены или группы генов.
Таким образом, процесс транскрипции ДНК протекает избирательно, он должен направляться особыми регуляторными последовательностями, указывающими начало и конец участков ДНК, подлежащих транскрипции. 28.17. Матричные РНК кодируют полинептидные цепи Мысль о том, что какой-то вид РНК несет генетическую информацию для биосинтеза белка, была первоначально высказана на основании того, что у эукариот почти вся ДНК сосредоточена в ядре, в то время как синтез белка протекает главным образом в цитоплазме на рибосомах. Следовательно, какая-то макромолекула, отличная от ДНК, должна переносить генетическую информацию от ядра к рибосомам.
Логическим кандидатом на эту роль была РНК, поскольку ее обнаружили и в ядре, и в цнтоплазме. Было также отмечено, что начало синтеза белка в клетке сопровождается увеличением содержания РНК в цитоплазме и увеличением скорости ее обновления. Эти и другие наблюдения привели Френсиса Крика к предположению (ставшему частью центральной догмы молекулярной генетики), что РНК выполняет функцию переноса генетической информации от ДНК к рнбосомам, где происходит биосинтез белка. Позже, в 19б1 г., Франсуа Жакоб и Жак Моно предложили название мгяпричиая РНК для той части клеточной РНК, которая переносит генетическую информацию от ДНК к рибосомам, г.е.
к месту, где этн молекулы-переносчики служат матрицами для биосинтеза полипептндных цепей с определенной последовательностью аминокислот. В любой данный момент в растущих клетках Е. сай присутствует чрезвычайно сложная смесь сотен МРНК, каждая из которых кодирует олпу или несколько полвпептидных цепей. Долгое время было фактически невозможно выделить из этой сложной смеси один-единственный тип молекул МРНК, однако сегодня благодаря появлению значительно более совершенных методов мы довольно полно представляем себе структуру мРНК. Матричные РН К -это одноцепочечные молекулы самой разной длины.
У прокариот олна молекула мРНК может кодировать одну, две и даже большее число полипептидных цепей. Если она несет информацию только об одном полипептнде, то тахая МРНК называется манагеииай, или моиацистраииай; если же она кодирует два или большее число разных полипептндов, то такую мРНК называют пелагеи«ай, или палиц«странной. Минимальная длина мРНК определяется длиной полипептидной цепи, которую она кодирует. Например, для синтеза полнпептидной цепи, содержащей 100 аминокислотиых остатков, требуется мРНК с кодирующей последовательностью не менее 300 нуклеотядов, поскольку каждая аминокислота копируется тройкой нуклеотидов (триплетом) (разд.
27.23). Однако сегодня мы знаем, что образующиеся при бахтериальной транскрипции мРНК всегда несколько длиннее, чем это необходимо для полипептида или полипептидов, которые они кодируют. Это объясняется тем, что МРНК содержат на 5'-конце некодирующнй полинуклеотядный «лидер». Длина этих лидеров может составлять от 25 до 150 оснований. Полигенные МРНК могут также содержать нетранслируемъ|е межгеииые абласпиь или спейсерьц которые разделяют участки, копирующие отдельные полипептндные цепи, и, видимо, помогают регулировать скорость трансляции. Поли- генные МРНК кодируют обычно две или большее число разных лолипептндных цепей, функционирующих вместе,— например, два или большее число ферментов, принимающих участие в одной н той же цепи метаболяческих реакций, например в биосинтезе какой-нибудь аминокислоты.
На рис. 28-16 в общем виде представлена структура прокариотнческих МРНК. 911 ГЛ. 28. РЕПЛИКАЦИЯ И ТРАНСКРИПЦИЯ ДНК Л лер !веколнруинвну РНХ, ксвкрукклвк генный продукт Ген 1 яснгекнел РНК !нстиыутмнпй РНК, ксмруоиел второй генный продукт ()ЧМР)„+ МП' м РНК Рибонуклеозид- учтрифосфвт кз (1чМР)„„. г + РРг Удлиненйвн РНК РНК, «оливу» ивв третий генньй продукт ген 3 Рис. 28-!б, Скемвтическое нзобрвиение поли- генной мРНК нз проквриотическик клеток: в денном случве мРНК предстввлвет собой трвнскрипт тргл генов. Трвоскрнпты генов рвз- делены меигеннымн участками, или спейсерв- Открытие ДНК-палимеразы и зависимосп! ее функционирования от присутствия ДНК-матрицы естественно привело к поиску ферментов, которые могли бы обеспечить синтез цепи РНК, комплементарной матрице ДИК.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
