Mecanismul de reparare se bazează pe prezența a două lanțuri complementare în molecula de ADN. Distorsiunea secvenței de nucleotide într-una dintre ele este detectată de enzime specifice. Apoi secțiunea corespunzătoare este îndepărtată și înlocuită cu una nouă, sintetizată pe a doua catenă complementară de ADN. Acest tip de reparație se numește reparație prin excizie, adică. cu „tăiere” (Fig. 15). Apare înainte de următorul ciclu de replicare, motiv pentru care este numit și pre-replicativ.

Fig. 14. Schema procesului de corecție în timpul sintezei ADN:

I-includerea în lanțul ADN a unei nucleotide cu o formă alterată (tautomeră) de citoeină, care se asociază „ilegal” cu adenina; II - trecerea rapidă a citozinei la forma sa normală perturbă împerecherea acesteia cu adenina; capătul 3"-OH nepereche al lanțului sintetizat împiedică alungirea lui ulterioară sub acțiunea ADN polimerazei; III - ADN polimeraza îndepărtează nucleotida ilegală, în urma căreia capătul 3"-OH împerecheat cu matricea reapare; IV - ADN polimeraza continuă să extindă lanțul la capătul 3"-OH.

Restaurarea structurii originale a ADN-ului necesită participarea unui număr de enzime. Un punct important în declanșarea mecanismului de reparare este detectarea unei erori în structura ADN-ului. Adesea, astfel de erori apar în lanțul nou sintetizat în timpul procesului de replicare. Enzimele de reparare trebuie să detecteze acest lanț special. La multe specii de organisme vii, catena de ADN nou sintetizată diferă de cea maternă prin gradul de metilare a bazelor sale azotate, care rămâne în urma sintezei. În acest caz, lanțul nemetilat este supus reparației. Ruperele catenei de ADN pot fi recunoscute și de enzimele de reparare. În organismele superioare, unde sinteza ADN-ului nu are loc continuu, ci în repliconi separate, catena de ADN nou sintetizată are rupturi, ceea ce face posibilă recunoașterea acesteia. Restabilirea structurii ADN-ului atunci când bazele purinice ale unuia dintre lanțurile sale sunt pierdute implică detectarea defectului folosind enzima endonucleaza, care rupe legătura fosfoesterică la locul deteriorării lanțului. Apoi secțiunea modificată cu mai multe nucleotide adiacente este îndepărtată de enzima exonuclează, iar în locul ei, în conformitate cu ordinea bazelor lanțului complementar, se formează secvența corectă de nucleotide (Fig. 15).

Fig. 15. Schema de excizie, repararea ADN-ului pre-replicativ.

Când una dintre bazele din lanțul ADN-ului se modifică, aproximativ 20 de enzime ADN glicozilaze iau parte la restabilirea structurii originale. Ele recunosc în mod specific daunele cauzate de deaminare, alchilare și alte transformări structurale ale bazelor. Astfel de baze modificate sunt îndepărtate. Zonele lipsite de baze apar si sunt reparate, ca si la pierderea purinelor. Dacă structura normală nu este restabilită, de exemplu în cazul dezaminării bazelor azotate, unele perechi de baze complementare sunt înlocuite cu altele - perechea C-G poate fi înlocuită cu o pereche T-A etc. .

Formarea dimerilor de timină (T-T) în lanțurile de polinucleotide sub influența razelor UV necesită participarea enzimelor care nu recunosc bazele individuale modificate, ci o deteriorare mai extinsă a structurii ADN-ului. Procesul de reparare în acest caz este, de asemenea, asociat cu îndepărtarea regiunii care poartă dimerul și restabilirea secvenței normale de nucleotide prin sinteză pe catena de ADN complementară.

În cazul în care sistemul de reparare prin excizie nu corectează o modificare care a apărut într-o catenă de ADN, în timpul replicării această modificare este fixată și devine proprietatea ambelor catene de ADN. Acest lucru duce la înlocuirea unei perechi de nucleotide complementare cu alta sau la apariția unor rupturi (goluri) în lanțul nou sintetizat față de secțiunile modificate. Restaurarea structurii normale a ADN-ului poate avea loc și după replicare.

ADN-ul este un polimer liniar care conține de la 70-80 la 109 mononucleotide, care sunt conectate prin legături fosfodiester covalente care apar între gruparea hidroxil pentoză a unei nucleotide și gruparea fosfat a următoarei nucleotide.

Datele analizei de difracție cu raze X au arătat că molecula de ADN a majorității organismelor vii, cu excepția unor fagi, este alcătuită din două lanțuri polinucleotidice, direcționate și orientate antiparalel astfel încât coloana vertebrală zahăr-fosfat să fie în exterior și bazele azotate sunt la interior. Bazele sunt dispuse în perechi una față de cealaltă și sunt legate prin legături de hidrogen. Împerecherea are loc numai între baze complementare (potrivite una cu cealaltă): o purină și una perimedină. Perechea A-T este conectată prin două, iar perechea G-C prin trei legături de hidrogen. Molecula de ADN are forma unui dublu helix, în care lanțurile de polinucleotide sunt răsucite în jurul unei axe centrale imaginare.

Helixul ADN este caracterizat de o serie de parametri:

lățimea helixului este de aproximativ 2 nm;

pasul sau rotirea completă a helixului este de 3,4 nm și conține 10 perechi de nucleotide complementare.

ADN-ul are proprietăți unice: capacitatea de auto-duplicare (replicare) și capacitatea de auto-vindecare (reparare).

20 de proteine: recunoașterea secțiunilor modificate de ADN și îndepărtarea lor din lanț, restabilirea secvenței corecte de nucleotide și unirea fragmentului restaurat cu restul moleculei de ADN 5% din tot ARN-ul celular.

Replicare efectuată sub controlul unui număr de enzime și are loc în mai multe etape. Începe în anumite puncte ale moleculei de ADN. Enzimele speciale rup legăturile de hidrogen dintre legăturile de azot complementare, iar helixul se desfășoară. Lanțurile polinucleotidice ale moleculei părinte sunt menținute într-o stare nerăsucită și servesc ca șablon pentru sinteza noilor lanțuri.

Cu ajutorul enzimei ADN polimeraza, se asamblează lanțuri fiice din trifosfații dezoxiribonucleotidici (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) disponibili în mediu, complementari lanțurilor mamă. Replicarea are loc simultan pe ambele fire materne, dar cu viteze diferite și cu unele diferențe. Pe unul dintre lanțuri (conducătoare) asamblarea lanțului fiică are loc continuu, pe celălalt (întârziat) - fragmentar. Ulterior, fragmentele sintetizate sunt amestecate folosind enzima ADN ligaza. Ca rezultat, dintr-o moleculă de ADN se formează două molecule de ADN, fiecare dintre ele având un lanț mamă și un lanț fiică. Moleculele sintetizate sunt copii exacte una ale celeilalte și ale moleculei originale de ADN. Această metodă de replicare a ADN-ului se numește semi-conservativă și asigură reproducerea corectă în moleculele fiice a informațiilor care au fost înregistrate în molecula mamă.

Reparații este capacitatea unei molecule de ADN de a „corecta” modificările care apar în lanțurile sale. Restaurarea moleculei originale de ADN implică cel puțin

Caracteristicile enumerate ale structurii chimice și proprietățile ADN-ului determină funcțiile pe care le îndeplinește. ADN-ul înregistrează, stochează, reproduce informația genetică și participă la procesele de implementare a acesteia între noile generații de celule și organisme.

ARN ribozomal (ARNr) Este sintetizat în principal în nucleol, în regiunea genelor ARNr, și este reprezentat de molecule de diferite greutăți moleculare care fac parte din subunitățile mari sau mici ale ribozomilor. ARNr reprezintă 85% din ARN total dintr-o celulă.

Transfer ARN (ARNt) reprezintă aproximativ 10% din ARN celular. Există mai mult de 40 de tipuri de ARNt. La implementarea informațiilor genetice, fiecare ARNt atașează un aminoacid specific și îl transportă la locul de asamblare a polipeptidei. La eucariote, ARNt-urile constau din 70-90 de nucleotide și au o structură în formă de trifoi.

Acizii ribonucleici - ARN - sunt reprezentați de molecule de diferite dimensiuni, structuri și funcții. Toate moleculele de ARN sunt copii ale anumitor secțiuni ale moleculei de ADN și, pe lângă diferențele deja menționate, sunt mai scurte decât aceasta și constau dintr-un singur lanț. Între secțiuni individuale ale unui lanț de ARN care sunt complementare unele cu altele, sunt posibile împerecherea bazelor (A-U, G-C) și formarea de secțiuni elicoidale. Ca urmare, moleculele capătă o conformație specifică.

Matrice, sau informație, ARN(ARNm, ARNm) sintetizată în nucleu sub controlul enzimei ARN polimeraza, complementară secvențelor informative de ADN, transferă această informație la ribozomi, unde devine o matrice pentru sinteza unei molecule proteice. În funcție de cantitatea de informații copiate, molecula de ARNm poate avea lungimi diferite și reprezintă aproximativ 5% din tot ARN-ul celular.

Cuprins al subiectului „Elemente genetice ale bacteriilor. Mutații în bacterii. Transducție.”:
1. Migrarea elementelor genetice ale bacteriilor. Transpozonii. Bacteriofagii ca elemente genetice migratoare.
2. Mutație. Mutații la bacterii. Mutageni. Mutații spontane. Mutații ale spatelui (reversiuni).
3. Mutații induse ale bacteriilor. Mutageneză chimică. Mutageneză prin radiații. Tipuri de mutații.
4. Repararea ADN-ului bacterian. Sisteme de reparare a ADN-ului. Compensarea funcțiilor afectate ca urmare a mutațiilor. Suprimarea intragenică. Suprimarea extragenă.
5. Transfer de ADN bacterian. Conjugarea bacteriilor. Factorul F al bacteriilor.
6. Transformarea bacteriilor. Etapele transformării bacteriene. Cartografierea cromozomilor bacterieni.
7. Transducție. Transducția nespecifică. Transducția specifică. Transducția abortivă. Fenomenul de lizogenie.
8. Proprietăţile bacteriilor. Modificări neereditare ale proprietăților bacteriilor. S - colonii. R - colonii. M - colonii. D - colonii de bacterii.

Repararea ADN-ului bacterian. Sisteme de reparare a ADN-ului. Compensarea funcțiilor afectate ca urmare a mutațiilor. Suprimarea intragenică. Suprimarea extragenă.

Există mecanisme în celulă care pot restabili total sau parțial structura originală a ADN-ului modificat. Mutațiile cauzate de radiații, substanțe chimice și alți factori ar putea duce, teoretic, la dispariția unei populații bacteriene dacă aceasta din urmă ar fi lipsită de capacitatea de a Repararea ADN-ului. Un set de enzime care catalizează corectarea daunelor ADN sunt combinate în așa-numitele sisteme de reparare, care diferă fundamental în mecanismele biochimice de „vindecare” daune. Există trei direcții principale pentru corectarea defectelor ADN.

1. Inversarea directă de la ADN deteriorat la structura originală când modificări ale ADN-ului corectat printr-o singură reacție enzimatică. De exemplu, îndepărtarea unei grupări metil atașate incorect la al șaselea atom de oxigen al guaninei folosind metiltransferaza; sau scindarea dimerului de timină rezultat în urma iradierii utilizând fotoliază ( reparație recombinațională).

2. Daune „decupate”. urmată de refacerea structurii inițiale (reparație prin excizie).

3. Activarea mecanismelor speciale, asigurând supraviețuirea în caz de avarie ADN(refacerea structurii originale ADN ca rezultat al recombinării; corectarea perechii de baze eronate; sinteza translațională pe o matrice deteriorată ADN). Aceste mecanisme nu duc întotdeauna la restaurarea completă a structurii originale a ADN-ului.

Compensarea funcțiilor afectate ca urmare a mutațiilor

Mutație primară poate fi compensată printr-o mutație secundară care a apărut în interiorul genei mutante (intragenic) sau într-o altă genă (extragen). Modificări care elimină manifestările unei mutații fără a corecta tulburarea inițială în ADN, numit suprimare.

Suprimarea intragenică cauzată de o mutație secundară care corectează efectele mutației primare. De exemplu, o mutație punctiformă care are ca rezultat sinteza unei proteine ​​defecte cu activitate biologică pierdută poate fi corectată dacă o mutație punctuală secundară are ca rezultat codificarea unui aminoacid care păstrează configurația și activitatea proteinei. Restaurarea exactă a structurii genice originale se numește o adevărată mutație inversă ( adevărată reversiune). Dacă efectul primei mutații este compensat de o mutație în altă parte a genei, astfel de mutații sunt numite reversiuni secundare.

Suprimarea extragenă- suprimarea manifestării unei mutații care a apărut într-o genă din cauza unei mutații la a doua genă.

Orez. 3.14. Schema procesului de corecție în timpul sintezei ADN:

I-includerea în lanțul ADN a unei nucleotide cu o formă alterată (tautomeră) de citoeină, care se asociază „ilegal” cu adenina; II - trecerea rapidă a citozinei la forma sa normală perturbă împerecherea acesteia cu adenina; capătul 3"-OH nepereche al lanțului sintetizat împiedică alungirea lui ulterioară sub acțiunea ADN polimerazei; III - ADN polimeraza îndepărtează nucleotida ilegală, în urma căreia capătul 3"-OH împerecheat cu matricea reapare; IV - ADN polimeraza continuă extensia lanțului la capătul 3"-OH

Restaurarea structurii originale a ADN-ului necesită participarea unui număr de enzime. Un punct important în declanșarea mecanismului de reparare este detectarea unei erori în structura ADN-ului. Adesea, astfel de erori apar în lanțul nou sintetizat în timpul procesului de replicare. Enzimele de reparare trebuie să detecteze acest lanț special. La multe specii de organisme vii, catena de ADN nou sintetizată diferă de cea maternă prin gradul de metilare a bazelor sale azotate, care rămâne în urma sintezei. În acest caz, lanțul nemetilat este supus reparației. Ruperele catenei de ADN pot fi recunoscute și de enzimele de reparare. În organismele superioare, unde sinteza ADN-ului nu are loc continuu, ci în repliconi separate, catena de ADN nou sintetizată are rupturi, ceea ce face posibilă recunoașterea acesteia.

Restabilirea structurii ADN-ului atunci când bazele purinice ale unuia dintre lanțurile sale sunt pierdute implică detectarea defectului folosind enzima endonucleaza, care rupe legătura fosfoesterică la locul deteriorării lanțului. Apoi secțiunea modificată cu mai multe nucleotide adiacente este îndepărtată de enzima exonuclează, iar în locul ei, în conformitate cu ordinea bazelor lanțului complementar, se formează secvența corectă de nucleotide (Fig. 3.15).

Orez. 3.15. Schema de excizie, repararea ADN-ului pre-replicativ

Când una dintre bazele din lanțul ADN-ului se modifică, aproximativ 20 de enzime ADN glicozilaze iau parte la restabilirea structurii originale. Ele recunosc în mod specific daunele cauzate de deaminare, alchilare și alte transformări structurale ale bazelor. Astfel de baze modificate sunt îndepărtate. Zonele lipsite de baze apar si sunt reparate, ca si la pierderea purinelor. Dacă structura normală nu este restabilită, de exemplu în cazul dezaminării bazelor azotate, unele perechi de baze complementare sunt înlocuite cu altele - perechea C-G poate fi înlocuită cu o pereche T-A etc. (vezi secțiunea 3.4.2.3).

Formarea dimerilor de timină (T-T) în lanțurile de polinucleotide sub influența razelor UV necesită participarea enzimelor care nu recunosc bazele individuale modificate, ci o deteriorare mai extinsă a structurii ADN-ului. Procesul de reparare în acest caz este, de asemenea, asociat cu îndepărtarea regiunii care poartă dimerul și restabilirea secvenței normale de nucleotide prin sinteză pe catena de ADN complementară.

În cazul în care sistemul de reparare prin excizie nu corectează o modificare care a apărut într-o catenă de ADN, în timpul replicării această modificare este fixată și devine proprietatea ambelor catene de ADN. Acest lucru duce la înlocuirea unei perechi de nucleotide complementare cu alta sau la apariția unor rupturi (goluri) în lanțul nou sintetizat față de secțiunile modificate. Restaurarea structurii normale a ADN-ului poate avea loc și după replicare.

Reparația post-replicativă este efectuată prin recombinare (schimb de fragmente) între două elice duble ADN nou formate. Un exemplu de astfel de reparare post-replicativă este refacerea structurii normale a ADN-ului atunci când apar dimeri de timină (T-T), când aceștia nu sunt eliminați spontan sub influența luminii vizibile (repararea luminii) sau în timpul reparației exciziei pre-replicative.

Legăturile covalente care apar între resturile de timină adiacente le fac incapabile să se lege de nucleotidele complementare. Ca urmare, în lanțul de ADN nou sintetizat apar rupturi (lacune), recunoscute de enzimele de reparare. Restaurarea integrității noului lanț de polinucleotide a unuia dintre ADN-ul fiică este efectuată datorită recombinării cu lanțul părinte normal corespunzător al altui ADN fiică. Golul format în lanțul mamă este apoi umplut prin sinteză pe un lanț polinucleotidic complementar acestuia (Fig. 3.16). O manifestare a unei astfel de reparații post-replicative, efectuată prin recombinare între lanțurile a două molecule de ADN fiice, poate fi considerată schimbul de material des observat între cromatidele surori (Fig. 3.17).

Orez. 3.16. Schema de reparare post-replicativă a ADN-ului:

I - apariția unui dimer de timină într-unul dintre lanțurile ADN;

II - formarea unui „gol” în lanțul nou sintetizat împotriva secțiunii modificate a moleculei mamă după replicare (săgeata arată umplerea ulterioară a „golului” cu o secțiune din lanțul corespunzător al celei de-a doua molecule de ADN fiică);

III - restabilirea integrității catenei fiice a moleculei superioare datorită recombinării și a moleculei inferioare datorită sintezei pe lanțul complementar

Orez. 3.17. Schimburi intercromatide (indicate prin săgeți)

În timpul reparației pre-replicative și post-replicative, cea mai mare parte a daunelor aduse structurii ADN-ului este restaurată. Cu toate acestea, dacă în materialul ereditar al celulei apar prea multe leziuni și o parte din acesta nu este eliminată, sistemul de enzime de reparare inductibile (stimulate) (sistemul SOS) este activat. Aceste enzime umplu golurile, restabilind integritatea lanțurilor de polinucleotide sintetizate fără a respecta strict principiul complementarității. Acesta este motivul pentru care uneori procesele de reparare în sine pot servi ca o sursă de modificări permanente în structura ADN-ului (mutații). Această reacție se aplică și sistemului SOS.