Lenindzher Основы биохимии т.3 (1128697), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Некоторые из этих изменений носят случайный характер и легко поддаются исправлению. Например, в ходе репликации„когда цепи дуплекса расходятся и раскручиваются с большой скоростью, в ДНК могут возникать одноцепочечные разрывы. Эти разрывы восстанавливаются (репарируются) под действием ДНК-полимеразы! н ДНК-лигазы.
Аналогичным образом, ошибочно встроенный нуклеотнд, который не способен образовать правильную комплементарную пару, может быль вырезан и заменен благодаря корректирующей способности ДНК-полимеразы (разд. 28,(4). В этой главе мы увидим, что изменения ДНК могут быть вызваны воздействием различных факторов внешней среды. Если клетка не исправляет возникшее нарушение, то зто приводит к появлению наследуемого изменения — мутации.
Хромосомы претерпевают также изме- венин и перестройки другого рода, происходящие в процессе их нормального биологического функционирования. Слияние яйцеклетки со сперматозоидом у эукариот сопровождается генетической рекомбинацией, что приводит к появлению потомства с новой комбинацией генов. Кроме того, гены и части генов могут перемещаться из одного места хромосомы в другие. Гены могут также обмениваться и рекомбннировать прн заражении клеток вирусами. Однако, несмотря на постоянные по- вреждения, репарацию, обмен н перемещение генов, внутривидовая тождественность живых организмов поддерживается из поколения в поколение с исключительной точностью. Это оказывается возможным благодаря замечательной способности некоторых ферментов предохранить или восстанавливать специфические нуклеотидные последовательности ДНК в каждой из хромосом организма.
Обнаружение этих ферментов позволило также осуществить в лабораторных условиях конструирование рекомбинантных, т.е. по существу новых молекул ДНК, в которых гены одного организма оказываются объединенными с генами другого. Эти достижения открыли новую эру в биохимической генетике и привели к вознихновению нового научного направления — генетической инженерии.
Рассмотрим некоторые типы изменений ДНК. 30.1. В ДНК постоянно иозпиняют повреждения Практически все живые организмы подвергаются воздействию высокоэнергетического излучения, способного вызывать химические изменения в ДНК. Ультрафиолевювое излучение (с длиной волны 200-400 нм), составляющее значнтелъную часть солнечного спектра, может вызвать химические изменения в ДНК бактерий и клеток кожного покрова человека. В результате поглощения ультрафиолетовых (УФ) лучей пури- новое или пиримидиновое основание переходит в возбужденное состояние, прн ГЛ.
3В РЕКОМЬИНАЦИЯ И КЛОНИРОВАНИЕ котором в структуре этого основания возможны ковалентные изменения. Под действием другого вида лучистой энергии †ионизирующе излучения — ю биологической молекулы могут выбиваться один или несколько электронов, что приводит к образованию крайне нестабильного иона или свободного радикала. Такой продукт обладает высокой реакционной способностью и может вызвать в ДНК аномальные химические изменения. Вокруг нас постоянно существует фон ионизирующего излучения как в форме космических лучей, проникающих в глубинные слои земли, так и в форме излучения, испускаемого радиоактивными юотопами радия, плутония, углерода ('4С) и водорода (эН). Еше один вид ионизирующего излучения -это рентгеновские лучи, используемые при медицинских обследованиях, а также при радиотерапии рака и других заболеваний.
Источником ионизирующего излучения служат также радиоактивные осадки, выпадающие после испытаний ядерного оружия, и радиоактивные отходы атомных реакторов. Приблизительно 1(У).,' всех повреждений ДНК, вызываемых небиологическими факторами, происходит пол действием ультрафиолетового н ионизирующего излучения. К счастью, бгульшая часть этих повреждений быстро исправляется клетками с помощью особых ферментативных механизмов.
30.2. Участка, повреншейвеые под действием ультрафвоггетопого излучении, могут быть вырезаны и исправлены Под действием ультрафиолетового излучения между двумя соседними пиримиднновымн остатками (чаще всего это два соседних тимина) в бактериальной ДНК может возникать ковалентная связь, в результате чего образуется диагор (рис. 30-1). Если не устранить повреждение и не восстановить нормальную структуру ДНК, то образовавшийся тиминовый димер может оказаться непреодолимым препятствием для ДНК-поли- О 1 гзг, сн.э нн ~у~ юг в~1 l ~н н н l Пентсэа , Ь Пеггоэа Б Рис 30-Ь Образование тиминавого димера под действием ультрафиолетового облучения.
Между Лвумя соседними остатками тимина, расположенными в одной цепи ДНК, образуготся две новые углерод-углеродные связи (отмечены красным цветамй А. Структура димера изображена в плоскости, но лучюе ее рассмотреть в трехмерной проекции, яак она показана на рис. Ь, где четырехчленное колыю, образованное двумя новыми связями, закрашено. меразы при репликапии той части цепи, которая находится за днмером.
В действительности в клетке существует механизм устранения повреждения (репарации). Тиминовые димеры вырезаются, и брешь заделывается в результате последовательного участия четырех ферментов (рис. 30-2). Первый из них, называемый Зэа-эндонунлеазой, расщепляет поврежденную цепь с 5'-стороны от тимииового димера. Второй фермент — ДНК-полнмервэа 1 — достраивает к открытому 3'-концу этой цепи соответствуклцие дезоксирибонуклеотиды, образуя короткий отрезок ДНК, комплементарныйматричнойцепи. В ходе этого синтеза цепь, содержащая тиминовыйдимер, вытесняется. На третьей стадии эндонуклеаза вырезает дефектный участок.
И, наконец,на четвертой под действием ДНК-лигазы происходит присоединение нзаплаткигг новосннтезнрованной комплементарной ДНК к разорванной цепи (рис. 30-2). Пиримидиновые димеры возникают и репарируются не только в УФ-облу- уеб ЧАСТЬ 5К МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ а' з' ин з' ЗОЗ. Спонтанное дезвмнннрование цнтознна с образованием урицила может быть исправлено з' Рис. ЗО У. А. Репарации тиминоного димера.
и. Особан УФ-энлонуклеаэа расщеплкет дефект- ную цепь с 5'-стороны от димера. В. ДНК-по- лимераза! начинает алататьэ цепь, а 5' Г- эндонуклеаза удаллет тнминовый днмер и нес- колько прилежащих к нему иуклеотидов. Г. Но- вый участок ДНК достроен. Д. Ссодииенне но- вого участка с основной цепью пол действием ДНК.лигазы. ченных бактериях, но и в клетках кожи людей, подвергшихся действию открытого солнечного света. Однако при иыгмекнгной ксерадерме — релком заболевании человека, механизм ферментативной репарации ультрафиолетовых повреждений генетически нарушен. В этих условиях кожа оказывается чрезвычайно чувствительной к солнечному свету. Она становится очень сухой и тонкой, пролиферацня клеток кожи протекает ненормально, и у лиц с подобными признаками почти всегда развивается рак кожи.
Кожу таких больных следует тщательно предохранзпь от попалания солнечного света. В противном случае эта болезнь часто приводит к летальному исходу. В результате биохимических и генетических исследований удалось выяснитэч что в случае наиболее распространенной формы пигментной ксеродермы нарушение затрагивает УФ-зндонуклеазу -фермент, образующий разрыв дефектной цепи с 5'-стороны от пиримидниово го димера. Из-за повреждения всего лишь одного-единственного фермента облуче. ние кожи солнечным светом может привести к летальному исходу. Ультрафиолетовая часть спектра солнечного света.
вызывающая пигментацию кожи (загар), не проходит сквозь стекло и через разного рода солнцезащитные материалы, которые содержат химические соединения, поглошающие ультрафиолет. В ДНК могут также происходить изменения, обусловленные химической лабильностью цитозина в водной среде. Остатки цитознна очень медленно самопроизвольно теряют свою амнногруппу в результате гидролиза и превращаются в остатки урацила, которые обычно отсутствуют в ДНК (рнс. 30-3). Если цепь ДНК, содержащая остаток урацила, реплицнруется, то урацил оказывается ие в состоянии образовать достаточно прочные водородные связи с остатком гуа нина (О), который служит нормальным партнером цитознна.
Вместо этого урацил стремится к образованию пары с аденнном Когда новая цепь ДНК, несущая в своем составе неправильный остаток А, в свою очередь реплицируетси, то в комплементарной цепи на этом месте появляется, естественно, Т. В ре. зультате дочерняя двухцепочечная ДНК будет содержать пару А-Т в том положении, тле в исходной родительской ДНК до повреждениа находилась нара О-С. Репарация этого вида повреждений осуществляется весьма оригинальным путем (рис. 30-4).
Сначала особый репарирующий фермент — урацил-ДНК-гликозидаза — удаляет с помощью гидролиза неправильное основание, т.е. урацил из поврежденной цепи, после чего фосфодиэфирная связь с 5'-стороны от потерявшего основание дезокснрибозофосфатного остатка расщепляется ДНК-полимеразой 1. Далее ДНК-полимераза 1 присоединяет в это место к открывшемуся 3чконцу репарируемой цепи правильный ГЛ. 30. РЕКОМБИНАЦИЯ И КЛОНИРОВАНИЕ -Т-С-Аж- -Х-с- т- 1 Спонтанное ~ пезамппнропанне ~а пнтозшм с абразоапннем урацнла — Т вЂ” Я-А— -А-33- Т— Репаняацнн нзменеаной цепс прнаопнт н замеш Г; пь Л и попой комплемеатарпай цепс Г'еплннацгал носок Паша о нопрапнльаым гстптнсм Л прпаолнт с ~анен 0 нс та конечным результатом спонтшаого поза аннропанн .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
