Механізми збереження нуклеогідної послідовності ДНК. Хімічна стабільність. Реплікація. Репарація. Репарація бактерій ДНК. Системи репарації ДНК. Компенсація функцій порушених у результаті мутацій. Інтрагенна супресія. Екстрагенна супресія Ант

Механізм репарації ґрунтується на наявності в молекулі ДНК двох комплементарних ланцюгів. Спотворення послідовності нуклеотидів в одній з них виявляється специфічними ферментами. Потім відповідна ділянка видаляється та заміщається новим, синтезованим на другому комплементарному ланцюзі ДНК. Таку репарацію називають ексцизійною, тобто. з "вирізанням" (рис.15). Вона здійснюється до чергового циклу реплікації, тому її називають дореплікативною.

Рис.14. Схема процесу корекції при синтезі ДНК:

I-включення в ланцюг ДНК нуклеотиду із зміненою (таутомерною) формою цитоеїну, який "незаконно" спарується з аденіном; II – швидкий перехід цитозину у звичайну форму порушує його спарювання з аденіном; неспарений 3"-ОН-кінець синтезованого ланцюга перешкоджає подальшому її подовженню під дією ДНК-полімерази; III - ДНК-полімераза видаляє незаконний нуклеотид, в результаті чого знову з'являється спарений з матрицею 3"-ОН-кінець; IV - ДНК-полімераза продовжує нарощування ланцюга на 3"-ВІН-кінці.

Відновлення вихідної структури ДНК потребує участі низки ферментів. Важливим моментом запуску механізму репарації є виявлення помилки в структурі ДНК. Нерідко такі помилки виникають у новоствореному синтезованому ланцюгу в процесі реплікації. Ферменти репарації повинні виявити саме цей ланцюг. У багатьох видів живих організмів знову синтезований ланцюг ДНК відрізняється від материнським ступенем метилювання її азотистих основ, що відстає від синтезу. Репарацію при цьому піддається неметильований ланцюг. Об'єктом впізнавання ферментами репарації можуть також служити розриви ланцюга ДНК. У вищих організмів, де синтез ДНК відбувається не безперервно, а окремими репліконами, знову синтезований ланцюг ДНК має розриви, що уможливлює її впізнавання. Відновлення структури ДНК при втраті пуринових основ одного з її ланцюгів передбачає виявлення дефекту за допомогою ферменту ендонуклеази, що розриває фосфоефірний зв'язок у місці пошкодження ланцюга. Потім змінена ділянка з кількома нуклеотидами, що примикають до неї, видаляється ферментом екзонуклеазою, а на його місці відповідно до порядку підстав комплементарного ланцюга утворюється правильна нуклеотидна послідовність (рис.15).

Рис.15. Схема ексцизійної, дореплікативної ДНК репарації.

При зміні однієї з основ у ланцюзі ДНК у відновленні вихідної структури беруть участь ферменти ДНК-глікозилази числом близько 20. Вони специфічно дізнаються про пошкодження, зумовлені дезамінуванням, алкілуванням та іншими структурними перетвореннями основ. Такі модифіковані підстави видаляються. Виникають ділянки, позбавлені підстав, які репаруються, як із втратою пуринів. Якщо відновлення нормальної структури не здійснюється, наприклад у разі дезамінування азотистих основ, відбувається заміна одних пар комплементарних основ іншими пара Ц-Г може замінюватися парою Т-А і т.п. .

Утворення в полінуклеотидних ланцюгах під дією УФ-променів тімінових димерів (Т-Т) вимагає участі ферментів, які впізнають не окремі змінені основи, а протяжні пошкодження структури ДНК. Репаративний процес у цьому випадку також пов'язаний з видаленням ділянки, що несе димер, та відновленням нормальної послідовності нуклеотидів шляхом синтезу на комплементарному ланцюзі ДНК.

У тому випадку, коли система ексцизійної репарації не виправляє зміни, що виникли в одному ланцюгу ДНК, в ході реплікації відбувається фіксація цієї зміни і стає надбанням обох ланцюгів ДНК. Це призводить до заміни однієї пари комплементарних нуклеотидів на іншу або до появи розривів (проломів) у знову синтезованому ланцюгу проти змінених ділянок. Відновлення нормальної структури ДНК може відбутися і після реплікації.

ДНК - це лінійний полімер, що містить від 70-80 до 109 мононуклеотидів, які з'єднуються ковалентними фосфодіефірними зв'язками, що виникають між гідроксильною групою пентози одного нуклеотиду і фосфатною групою наступного нуклеотиду.

Дані рентгеноструктурного аналізу показали, що молекула ДНК більшості живих організмів, за винятком деяких фагів, складаються з двох полінуклеотидних ланцюгів, антипаралельно спрямованих та орієнтованих таким чином, що їх сахарофосфатні кістяки виявляються зовні, а азотисті основи – усередині. Підстави розташовуються парами один проти одного і з'єднуються водневими зв'язками. Спарювання відбувається тільки між комплементарними (підходящими один одному) підставами: одним пуриновим та одним перимединовим. Пара А-Т з'єднується двома, а Г-Ц трьома водневими зв'язками. Молекула ДНК має форму подвійної спіралі, в якому полінуклеотидні ланцюги закручені навколо уявної центральної осі.

Спіраль ДНК характеризується рядом параметрів:

ширина спіралі близько 2 нм;

крок або повний оберт спіралі становить 3,4 нм і містить 10 пар комплементарних нуклеотидів.

ДНК має унікальні властивості: здатність до самоподвоєння (реплікації) і здатність до самовідновлення (репарації).

20 білків: які впізнають змінені ділянки ДНК і видаляють їх з ланцюга, що відновлюють правильну послідовність нуклеотидів і зшивають відновлений фрагмент з рештою молекули ДНК.5% всієї клітинної РНК.

Реплікаціяздійснюється під контролем низки ферментів і протікає у кілька етапів. Вона починається у певних точках молекули ДНК. Спеціальні ферменти розривають водневі зв'язки між комплементарними азотистими, і спіраль розкручується. Поінуклеотидні ланцюги материнської молекули утримуються в розкрученому стані і є матрицею для синтезу нових ланцюгів.

За допомогою ферменту ДНК-полімерази з наявних у середовищі трифосфатів дезоксирибонуклеотидів (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ) комплементарно материнським ланцюгам збираються дочірні ланцюги. Реплікація здійснюється одночасно на обох материнських ланцюгах, але з різною швидкістю та деякими відмінностями. На одному з ланцюгів (лідируючою) складання дочірнього ланцюга йде безперервно, на іншому (відставному) - фрагментароно. Надалі синтезовані фрагменти змішуються з допомогою ферменту ДНК лігази. В результаті з однієї молекули ДНК утворюється дві, кожна і яких має материнську та дочірню ланцюги. Синтезовані молекули є точними копіями один одного та вихідної молекули ДНК. Такий спосіб реплікації ДНК називається напівконсервативним та забезпечує точне відтворення у дочірніх молекулах тієї інформації, яка була записана в материнській молекулі.

Репарацієюназивається здатність молекули ДНК "виправляти" зміни, що виникають у її ланцюгах. У відновленні вихідної молекули ДНК бере участь не менше

Перелічені особливості хімічної структури та властивостей ДНК зумовлюють виконувані нею функції. ДНК записує, зберігає, відтворює генетичну інформацію, бере участь у процесах її реалізації між новими поколіннями клітин та організмів.

Рибосомна РНК (РРНК)синтезується в основному в ядерці, в області генів рРНК і представлена різноманітними молекулярною масою молекулами, що входять до складу великої або малої субчастинок рибосом. Перед рРНК припадає 85% всієї РНК клітини.

Транспортна РНК (тРНК)становить близько 10% клітинної РНК. Існує понад 40 видів тРНК. При реалізації генетичної інформації кожна тРНК приєднує певну амінокислоту та транспортує її до місця збирання поліпептиду. У еукаріотів тРНК складаються з 70-90 нуклеотидів і мають структуру у вигляді "конюшинного листа".

Рибонуклеїнові кислоти - РНК - представлені різноманітними за розмірами, структурою та виконуваними функціями молекулами. Всі молекули РНК є копіями певних ділянок молекули ДНК і, крім вже зазначених відмінностей, виявляється коротшим за неї і складається з одного ланцюга. Між окремими комплементарними один одному ділянками одного ланцюга РНК можливе спарювання основ (А-У, Г-Ц) та утворення спіральних ділянок. В результаті молекули набувають специфічної конформації.

Матрична, або інформаційна РНК(МРНК, іРНК)синтезується в ядрі під контролем ферменту РНК-полімерази комплементарно-інформативним послідовностям ДНК, переносить цю інформацію на рибосоми, де стає матрицею для синтезу білкової молекули. Залежно від об'єму інформації, що копіюється, молекула іРНК може мати різну довжину і становить близько 5% всієї клітинної РНК.

Зміст теми "Генетичні елементи бактерій. Мутації у бактерій. Трансдукція.":
1. Мігруючі генетичні елементи бактерій. Транспозони. Бактеріофаги, як мігруючі генетичні елементи.
2. Мутація. Мутації бактерій. Мутаген. Спонтанні мутації. Зворотні мутації (реверсії).
3. Індуковані мутації бактерій. Хімічний мутагенез. Радіаційний мутагенез. Типи мутацій.
4. Репарація ДНК бактерій. Системи репарації ДНК. Компенсація функцій порушених у результаті мутацій. Інтрагенна супресія. Екстрагенна супресія.
5. Перенесення бактеріальної ДНК. Кон'югація бактерій. F-фактор бактерій.
6. Трансформація мікробів. Стадія трансформації бактерії. Картування хромосом бакетерій.
7. Трансдукція. Неспецифічна трансдукція. Специфічна трансдукція. Абортивна трансдукція. Феномен лізогенії.
8. Властивості бактерій. Неуспадковані зміни властивостей бактерій. S – колонії. R – колонії. M – колонії. D – колонії бактерій. Репарація бактерій ДНК. Системи репарації ДНК. Компенсація функцій порушених у результаті мутацій. Інтрагенна супресія. Екстрагенна супресія.

У клітині є механізми, здатні повністю або частково відновлювати вихідну структуру зміненої ДНК. Мутації, спричинені радіацією, хімічними речовинами та іншими факторами, теоретично могли б призвести до вимирання бактеріальної популяції, якби остання була позбавлена здатності до репарації ДНК. Сукупність ферментів, що каталізують корекцію ушкоджень ДНК, об'єднують у так звані системи репарації, які принципово різняться за біохімічними механізмами «заліковування» ушкоджень. Відомо три основні напрями корекції дефектів ДНК.

1. Безпосередня реверсія від пошкодженої ДНКдо вихідної структури, коли зміни до ДНКвиправляються за допомогою єдиної ферментативної реакції. Наприклад, видалення неправильно приєднаної метильної групи при шостому атомі кисню гуаніну за допомогою метилтрансферази; або розщеплення, що виникло в результаті опромінення тімінового димера за допомогою фотоліази ( рекомбінаційна репарація).

2. «Вирізання» ушкодженьз подальшим відновленням вихідної структури (ексцизійна репарація).

3. Активація спеціальних механізмів, що забезпечують виживання у разі пошкоджень ДНК(Відновлення вихідної структури ДНКвнаслідок рекомбінації; корекція помилкового спарювання основ; трансляційний синтез на пошкодженій матриці ДНК). Ці механізми не завжди призводять до повного відновлення вихідної структури ДНК.

Компенсація функцій, порушених внаслідок мутацій

Первинна мутаціяможе бути компенсована вторинною мутацією, яка сталася всередині гена, що мутував (інтрагенно) або в іншому гені (екстрагенно). Зміни, які усувають прояви мутації, не виправляючи при цьому первинного порушення ДНК, називають супресією.

Інтрагенна супресіявикликана вторинною мутацією, що коригує ефекти первинної мутації. Наприклад, точкова мутація, що призводить до синтезу дефектного білка з втраченою біологічною активністю, може бути виправлена, якщо вторинна мутація точна приведе до кодування амінокислоти, що зберігає конфігурацію і активність білка. Точне відновлення вихідної структури гена називають істинною зворотною мутацією ( справжньою реверсією). Якщо ефект першої мутації компенсовано мутацією в іншій частині гена, такі мутації називають вторинними реверсіями.

Екстрагенна супресія- Пригнічення прояву мутації, що сталася в одному гені, внаслідок мутації в другому гені.

Мал. 3.14. Схема процесу корекції при синтезі ДНК:

I-включення в ланцюг ДНК нуклеотиду із зміненою (таутомерною) формою цитоеїну, який «незаконно» спарується з аденіном; II – швидкий перехід цитозину у звичайну форму порушує його спарювання з аденіном; неспарений 3"-ОН-кінець синтезованого ланцюга перешкоджає подальшому її подовженню під дією ДНК-полімерази; III - ДНК-полімераза видаляє незаконний нуклеотид, в результаті чого знову з'являється спарений з матрицею 3"-ОН-кінець; IV - ДНК-полімераза продовжує нарощування ланцюга на 3"-ВІН-кінці.

Відновлення структури ДНК при втраті пуринових основ одного з її ланцюгів передбачає виявлення дефекту за допомогою ферменту ендонуклеази, що розриває фосфоефірний зв'язок у місці пошкодження ланцюга. Потім змінена ділянка з кількома нуклеотидами, що примикають до неї, видаляється ферментом екзонуклеазою, а на його місці відповідно до порядку підстав комплементарного ланцюга утворюється правильна нуклеотидна послідовність (рис. 3.15).

Мал. 3.15. Схема ексцизійної, дореплікативної репарації ДНК

Постреплікативна репарація здійснюється шляхом рекомбінації (обміну фрагментами) між двома новоствореними подвійними спіралями ДНК. Прикладом такої постреплікативної репарації може бути відновлення нормальної структури ДНК при виникненні тімінових димерів (Т-Т), коли вони не усуваються спонтанно під дією видимого світла (світлова репарація) або в ході дореплікативної ексцизійної репарації.

Ковалентні зв'язки, що виникають між залишками тиміну, що стоять поруч, роблять їх не здатними до зв'язування з комплементарними нуклеотидами. У результаті знову синтезованої ланцюга ДНК виникають розриви (проломи), відомі ферментами репарації. Відновлення цілісності нового полінуклеотидного ланцюга однієї з дочірніх ДНК здійснюється завдяки рекомбінації з відповідним їй нормальним материнським ланцюгом іншої дочірньої ДНК. Пробіл, що утворився в материнському ланцюгу, заповнюється потім шляхом синтезу на комплементарному їй полінуклеотидному ланцюгу (рис. 3.16). Проявом такої постреплікативної репарації, що здійснюється шляхом рекомбінації між ланцюгами двох дочірніх молекул ДНК, можна вважати обмін матеріалом між сестринськими хроматидами, що нерідко спостерігається (рис. 3.17).

Мал. 3.16. Схема постреплікативної репарації ДНК:

I - виникнення тімінового димеру в одному з ланцюгів ДНК;

II - утворення «пролому» у знову синтезованому ланцюгу проти зміненої ділянки материнської молекули після реплікації (стрілкою показано наступне заповнення «пролому» ділянкою з відповідного ланцюга другої дочірньої молекули ДНК);

III - відновлення цілісності дочірнього ланцюга верхньої молекули за рахунок рекомбінації та в нижній молекулі за рахунок синтезу на комплементарному ланцюзі

Мал. 3.17. Міжхроматидні обміни (зазначені стрілками)

У ході дореплікативної та постреплікативної репарації відновлюється більшість пошкоджень структури ДНК. Однак, якщо в спадковому матеріалі клітини виникає занадто багато пошкоджень і частина з них не ліквідується, включається система індукованих ферментів репарації (SOS-система). Ці ферменти заповнюють проломи, відновлюючи цілісність полінуклеотидних ланцюгів, що синтезуються, без точного дотримання принципу комплементарності. Ось чому іноді самі процеси репарації можуть бути джерелом стійких змін у структурі ДНК (мутацій). Названа реакція відноситься до SOS-системі.

Репарація бактерій ДНК. Системи репарації ДНК. Компенсація функцій порушених у результаті мутацій. Інтрагенна супресія. Екстрагенна супресія.

Компенсація функцій, порушених внаслідок мутацій

Читайте також