Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Поэтому сравнения последовательностей фибринопептидов могут быть использованы для оценки частоты мутаций в последовательности зародышевых клеток. Как было установлено по результатам этих исследований, типичный белок из 400 аминокислот претерпевает замену аминокислоты примерно один раз каждые 200 000 лет. Другой способ оценки частоты мутаций у человека состоит в использовании секвенирования ДНК для сравнения соответствующих последовательностей нуклеотидов непосредственно у близкородственных видов в областях генома, которые, по-видимому, не несут жизненно важной информации.
Как и следовало ожидать, такие сравнения дают оценки частоты мутаций, которые согласуются с полученными в результате опытов с фибринопептидами. Бактерии Е. со11, черви и человек сильно отличаются друг от друга как способами воспроизводства, так и временем жизни поколений. И все же, когда присущие им частоты мутаций нормируют по единичному циклу репликации ДНК, они оказываются подобными: при каждом событии репликации ДНК изменяется примерно 1 нуклеотид на 10в нуклеотидов. 5.1.2. Для сохранения жизни в существующей форме частота мутаций должна быть низкой Так как многие мутации пагубны, ни один вид не может позволить их быстрое накопление в клетках своих зародышей. Хотя наблюдаемая частота мутаций низка, она, как думают, все же ограничена числом жизненно важных белков, которые любой организм может кодировать, то есть примерно 50 000.
Развивая этот довод, можно утверждать, что если бы частота мутаций была в десять раз выше, то этим ограничила бы организм до примерно 5000 генов первой необходимости. В таком случае эволюция была бы тоже ограничена — организмами значительно менее сложными, чем плодовая мушка. Клетки воспроизводящегося половым путем организма подразделяются на два типа: зародышевые клетки и соматические клетки. Зародышевые клетки передают генетическую информацию от родителя потомству; соматические клетки форми руют тело организма (рис.
5.1). Мы убедились, что зародышевые клетки должны тЭг гвметв тйр клетки зародышевой линии " ° -Э-Э-Э-м- нила Ф Ф'Ф Ф 'Ф Ф'Ф~Й~ ~Й~~~Ф () ДОЧЕРНИЙ ОРГАНИЗМ ° ВЭ-В-~ нготв хФ ФФФФ ФФФФФ ~ соматические шатки МАТЕРИНСКИЙ ОРГАНИЗМ Рнс. 5Д. Клетки звродьгшевой линии н соматические клетки выполняют в корне различные функции. В воспронзводящнхся половым путем организмах клетки зародышевой линии (кросные) передают генетическую информацию следующему поколению.
Соматические клетки (синие), которые формируют тело организма, необходимы для выживания клеток зародышевой линии, но сами не оставляют никакого потомства. Закпизчэниэ Во всех клетках последовательности Д()К сохраияизгпся и реплггцирук>пгся с высокой точностью. Частота мутаций, равная приблизительно одному ггзме пенному нуклеотиду на 10" нуклеотидов при каждои реплика ции ДгтК, примерно одинакова у таких разнь х организмов, как бакглерии и человек. Благодаря столь поразительнои точности последовательность генома человека (приблизительно быть зангнщены от высокочастотных мутаций, чтобы поддерживать супгествованнг вида. Однако гоматические клетки многоклсточных организмов тоже должны быть защищены от генетических изменений, чгобы предохранить каждую особь от повреждения. Изменения нуклеотидов в соматических клетках могут дать на чало видоизмененным клеткам, некоторые из которых, минуя естественный отбор, быстро разрастаются (ггролггферггрук>т) за счет остальной части организма.
В край нем случае результатом будет неконтролируемая нролиферация клеток, известная как рак —. болезнь. которая ежегодно вызывает более 20" смертельных случаев в Европе и Северной Америке. Эти летальные исходы обусловлены в значительной степени накоплгнием изменений в иоследовательногтях Д! 1К соматических клеток (обсуждается в главе 23). Резкое возрастание частоты мутаций может вызвать катастрофическое увеличение заболеваемости раком за счет увеличения частоты, с которой возникают видоизмененные соматическгге клетки. Таким образом, как для сохранения вида с болыним числом генов (устойчивость зародьиневых клеток), так и для предотвращения рака, обусловленного мутаггиями в соматических клетках (устойчивость соматических клеток), многоклсточные организмы.
как и мы г вами, зависят от удивительно высокой точности, с которой их последовательности Д! 1К реплнцируются и сохраняются 3 Юч пар нуклеотидов) из чпгяетсн предположительно лишь на 3 нуклеатида при каждом делении клетки. Это позволяет большинству людей' передавать точные генетические инструкции от одного поколения другому, равно как и избегать измпгений в соматических клетках, которые могли бы привести к раку. 5.2. Механизмы ре?тликации ДНИ Все организмы перед каждым делением клетки должны дублировать свох> Д1? К с исключительной точностью. В этом параграфе мы исследуем, как замысловатая «репликационнан машина» достигает такой точности, причем при скорости удвоения ДНК 1000 нуклеотидов в секунду.
матричная цепь 8 5' з цепь 8 5! 3' новая цепь 8' 5~ новая цепь 8 Зг цепь 8' родительская двойная спираль ДНК 3' 5' матричная цепь 8' Рис. 5.2. Двойная спираль ДНК служит матрицей для своей собственной дупликации. Поскольку нуклеотид А спаривается лишь с Т, а 6 — только с С, каждая из цепей ДНК может служить матрицей, определяющей последовательность нуклеотидов в комплементарной ей нити путем спаривания оснований.
Благодаря такому механизму двухцепочечная молекула ДНК может копироваться с большой точностью. 5.2Л. В основе процессов репликации и репарации ДНК лежит п?зинцип иоизплегиентарности оснований Как уже было упомянуто в главе 1, матричный синтез ДНК вЂ” зто меха низм, используемый клеткой, чтобы копировать нуклеотидную последовательность одной цепи ДНК в комплементарную последовательность ДНК (рис.
5.2). Этот процесс связан с узнаванием каждого нуклеотнда.матричной нити ДНК (шаблона) свободным (неполимеризованным) комплементарным нуклеотидом, и это требует отделения двух цепей спирали ДНК друг от друга. В результате такого расхожде ния цепей донорные и акцепторные группы водородных связей, расположенные на образующих ДНК основаниях, становятся доступными для спаривания с со ответствующими свободными нуклеотидами, из числа поступивших «в зону про ведения работ», — для осуществления катализируемой ферментом полимернзации в новую цепь ДНК.
? 1ервый полимеризующий нуклеотиды фермент, а именно ДНК-полимераза, был открыт в 1957 г. Тогда же было установлено, что свободные нуклеотиды, слу жащие субстратами для этого фермента, представлены дезоксирибонуклеозидтри фосфатами, а для их полимеризации в ДНК необходима одноцепочечная матрица ДНК. На рис. 5.3 и 5А представлен ступенчатый механизм такой реакции.
3"«гонец цепи ЗАП АВОЧНАЯ ЦЕПЬ .,Ф, О (ПРАЙМЕР) яО,:4-'Офут Атанчндя ЦЕПЬ Згг(гррр ци' . г Уезж б';$гоивц цвпи Рис. 5.3. Химия синтеза ДНК. Присоединение дезоксирибонуклеотида к Зсконцу полинуклеотидной цепи (загправочная цепь) — основополагающая реакция, посредством которой и синтезируется ДНК. Как показано на рисунке, спаривание оснований между подошедшим к «месту действия» дезоксирибонуклеозидтрифосфатом и существующей цепью ДНК (могпричная цепь) определяет формирование новой цепи ДНК с комплементарной нуклеотидной последовательностью.
5.2.2, Реппикационная вилка ДНК асиалметрична В ходе репликации Д!1К в клетке каждая из двух исходных цепей ДНК слу жит матрицей для формирования полноразмерной новой цепи. Поскольку каждая из двух «дочерей» делящейся клетки наследует новую двойную спираль ДНК, содержащую одну исходную и одну новую цепи (рнс. 5.5), говорят, что двойная спираль,!НК реплицируется ДНК.полимеразой «полуконсервативнотч Как же свершается сие таинстно? Исследования, выполненные в начале 1960 х гг. на целых реплицирующнхся хромосомах, показали наличие ограниченной зоны репликацни, которая поступа тельно перемещается по двойной спирали родительской ДНК.
В силу т' образной формы этой активной области ее называют репликационной, или репликативной, вилкой (рнс. 5.6). В зоне репликационной вилки многоферментный комплекс, кото ргяй содержит ДНК полимеразу, синтезирует ДНК обеих новых дочерних нитей. б'-трифосфат -ь +, пирофосфвт б' 1 направление З' ' цепь ~ раста цвпц (бг-+Зг) поступающий Лвзоксирибонукпво- зилтри4юсфат матричная цепь в) бг «пальцы««бгшьшой пвпвць з у поступающий дезоксинукПЕО- б) звтрввачншг ЗидтРИФОСФАТА ивпь В НУЖНОЕ трлнслоюц(иеи днк ПОЛОЖЕНИЕ Первоначально простейший механизм реплпкации ДНК представляли как не прерывное наращивание обеих новых цепей, нуклеотид за нуклеотидом, в реплика ционной вилке, по мере того как она перемещается от одного конца молекулы ДНК к другому.
Но в силу антипараллельной ориентации двух цепей ДНК в двойной спирали (см. рис, 5.2) при таком механизме одна дочерняя нить должна была бы полимеризоваться в направлении 5' -+ 3', а вторая -- в направлении 3' — э 5'. Для такой репликационной вилки потребовалось бы два разных типа фермента ДИК полимеразы.
Однако все множество Д! (К полимераз, которые открыты к настоящему времени, может осуществлять синтез лишь в направлении 5' -+ 3'. Как же в таком случае наращивается цепь ДНК в направлении 3' — + 5'? Сна чала ответ предложили на основании результатов эксперимента, выполненного в конце 1960 х гг. Исследователи добавили радиоактивный зН тимидин к деля щимся бактериям на несколько секунд, чтобы радиоактивная метка попала только в ДНК, реплицированнуго позже всех, то есть находяшукзся сразу за репликаци ' Оригинальное нщвание наладонник. Прцч лер.
Рис. 34. СинтезДНК, катализируемый ДНК палимеразой. а) Как показано на рисунке ДНКполимераза катал из и руст пошаговое присоединен ив дезокси рибонуклеотидов к 3чОН концу пол инуклеатидной цепи, так называемой загправочной цепи, которая спа рена со второй, мапгричноц целью. Н овос и нтезиро ванная нить ДНК поэтому полимеризуется в направлении б' -+ 3', как показано на предыдущем рисунке Поскольку каждый прибывающий дезокси рибонуклеазидтрифосфат должен с париться с матричной нитью, чтобы быть опознанным ДНК-полимеразой, то эта нить и определяет, который из четырех возможных дезоксирибонуклеотидов (А, С, 6 или Т) будет присоединен Реакция осуществляется за счет значительного по величине благоприятного изменения свободной энергии, что обусловлено высвобождением пирофосфата с последующим гидрализом до двух молекул неорганического фасфата.
б) Форма моле- купы ДНК-налиме разы, определенная рентгеноструктурным анализом. Груба говоря, ДНК-полимеразы напоминают правую руку, в которой ладонь, пальцы и большой палец« «захватываютэ ДНК и образуют активный участок (сайт). В изображенной последовательности правильное расположение прибывшего к месту дейпвия дезоксинуклеазидтрифасфата побуждает пальцы полимеразы сомкнуться, что инициирует реакцию присоединения нуклеотида. Диссоциация пирофосфата вызывает размыкание пальцев и перемещение (транслокацию) ДНК на один нуклеотид, так что активный участок полимеразы готов принять следующий дезоксинуклеозидтрифосфат, цепи ДНК, б синтезирован 3Р последним б' 3' з' Рис. 5.7.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
