Біосинтез ДНК

Cпособность клітин підтримувати високу упорядкованість своєї партії залежить від генетичної інформації, що зберігається у вигляді дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). ДНК — це хімічна речовина, з яких складаються гени. Розмноження живих організмів, передача спадкових властивостей з покоління до покоління та розвитку багатоклітинного організму з заплідненої яйцеклітини можливі оскільки ДНК здатна до самовідтворення. Сам процес самовідтворення ДНК називається репликацией. Іноді використовують також название-синоним — редупликация.

Матричный синтез ДНК Как відомо, генетична інформація записана у ланцюзі ДНК як послідовності нуклеотидних залишків, містять одна з чотирьох гетероциклических підстав: аденін (A), гуанін (G), цитозин (З) і тимин (T). Запропонована Дж. Вотсоном і Ф. Кріком в 1953 року модель будівлі ДНК у вигляді регулярної подвійної спіралі відразу ж потрапити дозволила зрозуміти принцип подвоєння ДНК. Інформаційне зміст обох ланцюгів ДНК ідентично, оскільки кожна з яких містить послідовність нуклеотидів, суворо відповідну послідовності інший ланцюга. Це відповідність досягається наявністю водневих перетинів поміж спрямованими назустріч одна одній підставами двох ланцюгів — попарно G і З чи A і T. Описуючи це властивість подвійної спіралі, молекулярні біологи кажуть, що ланцюга ДНК комплементарны з допомогою освіти уотсон-криковских пар GРC і AРT. Оскільки дві ланцюга мають протилежної спрямованості, їх називають антипараллельными. Легко уявити, що нині подвоєння ДНК відбувається через те, що ланцюга розходяться, і потім кожна ланцюг служить матрицею, де збирається комплементарная їй нова ланцюг ДНК‚ результаті утворюються дві дочірні, двуспиральные, неотличимые за будовою від батьківської ДНК молекули. Кожна полягає з ланцюжка вихідної батьківської молекули ДНК та однієї знову синтезованою ланцюга. Такий механізм реплікації ДНК, у якому від однієї покоління до іншого передається одне з двох ланцюгів, складових батьківську молекулу ДНК, отримав назву полуконсервативного і він експериментально доведено в 1958 року М. Мезельсоном і Ф. Сталь. З іншого боку, ситезу ДНК характерні такі властивості, як антипараллельность і униполярность. Кожна ланцюг ДНК має певну орієнтацію. Один кінець несе гидроксильную групу (ВІН), приєднаної до 3 «-вуглецю цукрі дезоксирибозе, іншому кінці ланцюга перебуває залишок фосфорної кислоти в 5 «-становищі цукру. Дві комплементарные ланцюзі у молекулі ДНК орієнтовані в протилежних напрямах — антипараллельно (при паралельної орієнтації навпаки 3 «-кінці однієї ланцюга працював би 3 «-кінець інший). Ферменти, синтезирующие нові нитки ДНК, звані ДНК-полимеразами, можуть пересуватися вздовж матричних ланцюгів є лише одна напрямі - від своїх 3 «- кінців до 5 «-кінців. ?рі цьому синтез комплементарных ниток завжди ведеться в 5 «3 «напрямі, тобто униполярно. Тож у процесі реплікації одночасний синтез нових ланцюгів йде антипараллельно. ДНК-полимеразы можуть надавати «позадкувати », тобто рухатися у напрямі 3 «5 ». У разі, коли останнє доданий при синтезі нуклеотидное ланка виявилося некомплементарным нуклеотиду матричної ланцюга, він буде замінено комплементарних нуклеотидом. Отщепив «неправильний «нуклеотид, ДНКполимераза продовжує синтез в розмірі 5 «3 «напрямі. Така спроможність до виправленню помилок отримав назву коректорської функції ферменту (див. ниже).

ДНК-полимеразы У 1957 року А. Корнберг виявив у кишкової палички фермент, катализирующий процес полімеризації ДНК з нуклеотидів; він було названо ДНКполимеразой. Потім ДНК-полимеразы виявили та інших організмах. Було показано, що субстратами всіх таких ферментів служать дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дНТФ), полимеризующиеся на одноцепочечной ДНК-матрице. ДНК-полимеразы послідовно нарощують одноцепочечную ланцюг ДНК, крок по кроку приєднуючи до неї такі ланки у бік від 5- «до 3 «-кінцю, причому вибір чергового дНТФ диктується матрицею. Приєднання кожної нової нуклеотидного залишку до 3 «-кінцю зростання ланцюга супроводжується гидролизом багатою енергією зв’язок між перших вражень і другим фосфатними залишками в дНТФ і отщеплением пирофосфата, що робить реакцію в цілому енергетично вигідною. У клітинах зазвичай присутній кілька типів ДНК-полимераз, виконують різні функції і має різне будова: є підстави побудовано з різного кількості білкових ланцюгів (субодиниць), від однієї до десятків. Проте вони працюють будь-яких послідовностях нуклеотидів матриці; завдання цих ферментівзробити на точну копію кожної матрицы.

Точность синтезу ДНК і механізм корекції Генетичний матеріал живих організмів має величезні розміри і реплицируется з точністю. У середньому у процесі відтворення геному ссавця, що складається з ДНК довжиною 3 млрд пар нуклеотидів, виникає трохи більше трьох помилок. У цьому ДНК синтезується надзвичайно швидко (швидкість її полімеризації коливається не більше від 500 нуклеотидов/с у бактерій до 50 нуклеотидов/с у ссавців). Висока точність реплікації, поруч із її високої швидкістю, забезпечується наявністю спеціальних механізмів, здійснюють корекцію, тобто усувають помилки. Суть механізму корекції у тому, що ДНК-полимеразы двічі перевіряють відповідність кожного нуклеотида матриці: одного разу перед включенням його до складу зростання кайдани й посадили вдруге до того, як включити наступний нуклеотид. Чергова фосфодиэфирная зв’язок синтезується лише тому випадку, якщо (3 «-кінцевий) нуклеотид зростання ланцюга ДНК утворив правильну уотсон-криковскую пару з певним нуклеотидом матриці. Якщо ж попередньої стадії реакції сталося помилкове спарювання підстав, то подальша полімеризація зупиняється до тих пір, поки помилка нічого очікувати виправлено. І тому фермент переміщається в напрямку і вирізує останнє доданий ланка, після що його місце триватиме правильний нуклеотидпредшественник. Інакше кажучи, багато (але не) ДНК-полимеразы мають, крім 5 «-3 «-синтетичної активності, що й 3 «-гидролизующей активністю, що забезпечує видалення помилково спарених з матрицею нуклеотидов.

Основные принципи реплікації Основні правила, відповідно до яких відбувається реплікація, були з’ясовані в дослідах з бактеріями, але вони справедливі також і вищих организмов.

Инициация ланцюгів ДНК ДНК-полимеразы що неспроможні починати синтезу ДНК на матриці, а можуть лише додавати нові дезоксирибонуклеотидные ланки до 3 «-кінцю вже наявної полинуклеотидной ланцюга. Таку заздалегідь освічену ланцюг, до котрої я додаються нуклеотиди, називають запалом. Коротку РНКприманку синтезує з рибонуклеозидтрифосфатов фермент, який володіє коригуючої активністю і званий ДНК-праймазой (від анг. primer — запал). Праймазная активність може належати або окремому ферменту, або одній з субодиниць ДНК-полимеразы. Запал, синтезована цим неточним ферментом, не він умів виправляти помилки, відрізняється від решти новосинтезированной ланцюга ДНК, оскільки складається з рибонуклеотидов, і далі то, можливо видалена. Розмір рибонуклеотидной початку невеликий (менш 20 нуклеотидів) порівняно з розміром ланцюга ДНК, образуемой ДНК-полимеразой. Виконала своє завдання РНК-затравка видаляється спеціальним ферментом, а освічена у своїй пролом зашпаровується ДНК-полимеразой, використовує як початку 3 «-ОН-конец сусіднього фрагмента Оказаки (див нижче). Видалення крайніх РНК-праймеров, комплементарных 3 «-кінців обох ланцюгів лінійної материнської молекули ДНК, призводить до того, що дочірні ланцюга виявляються коротше на 10−20 нуклеотидів (в різних видів розмір РНК-затравок різний). У цьому полягає так звана «проблема недорепликации кінців лінійних молекул ». Що стосується реплікації кільцевих бактеріальних ДНК цієї проблеми немає, оскільки перші за часом образованиЯ РНК-затравки видаляються ферментом, який одночасно заповнює образующуюся пролом шляхом нарощування 3 «-ОН-конца зростання ланцюга ДНК, спрямованої на «хвіст «удаляемому праймеру. Проблема недорепликации 3 «-кінців лінійних молекул ДНК вирішується эукариотическими клітинами з допомогою спеціального ферменту — теломеразы. Робота теломеразы У 1985 року він виявили у равноресничной інфузорії Tetrahymena thermophila, а згодом — в дріжджах, рослинах і тварин, зокрема в яєчниках чоловіки й иммортализованных (бессмертных) лініях ракових клітин HeLa. Теломераза є ДНК-полимеразой, достраивающей 3 «-кінці лінійних молекул ДНК хромосом короткими (6−8 нуклеотидів) повторюваними послідовностями (у хребетних TTAGGG). Відповідно до номенклатурі, цей фермент називають ДНКуклеотидилэкзотрансферазой чи теломерной термінальній трансферазой. Крім білкової частини теломераза містить РНК, виконує роль матриці нарощування ДНК повторами. Довжина теломеразной РНК коштує від 150 нуклеотидів в найпростіших до 1400 нуклеотидів у дріжджів, в людини — 450 нуклеотидів. Сам наявність в молекулі РНК послідовності, за якою відбувається матричний синтез шматка ДНК, дозволяє віднести теломеразу до своєрідну обернену транскриптазе, тобто ферменту, здатному вести синтез ДНК по матриці РНК. Через війну те, що після кожної реплікації дочірні ланцюга ДНК виявляються коротше материнських на розмір першого РНК-праймера (10−20 нуклеотидів), утворюються виступаючі однонитевые 3 «-кінці материнських ланцюгів. Ось і впізнаються теломеразой, яка послідовно нарощує материнські ланцюга (в людини на сотні повторів), використовуючи 3 «-ОН-концы їх як запалів, а РНК, входить у склад ферменту, як матриці. Які Утворюються довгі одноцепочечные кінці, своєю чергою, служать матрицями для синтезу дочірніх ланцюгів традиційним репликативному механізму. Поступове скорочення ДНК хромосом під час реплікації є одним із теорій «старіння «клітинних колоній. Ще 1971 року вітчизняний учений А. М. Оловников у своїй теорії маргинотомии (від латів. marginalisкрайової, tome — перетин) припустив, що це явище є основою обмеженого потенціалу подвоєння, спостережуваного у нормальних соматичних клітин, які у культурі in vitro, з так званого «ліміту Хейфліка ». Американський учений Леонард Хейфлик на початку 1960;х років показав, що й для культивування взяти клітини новонароджених дітей, вони можуть пройти 80−90 ділень, тоді як соматичні клітини від 70-річних діляться тільки 20 можна- 30 раз. Обмеження на число клітинних ділень і називають лімітом Хейфлика.

Расплетание подвійної спіралі ДНК Оскільки синтез ДНК відбувається на одноцепочечной матриці, йому має передувати обов’язкове поділ (хоча на час) двох ланцюгів ДНК. Дослідження, проведені у початку 1960;х років на реплицирующихся хромосомах, виявили особливу, чітко обмежену область реплікації, перемещающуюся вздовж батьківської спіралі ДНК і що характеризується місцевим розбіжністю двох її ланцюгів. Ця активна область через свою Y-образной форми було названо репликационной виделкою. Саме ній ДНК-полимеразы синтезують дочірні молекули ДНК. З допомогою електронної мікроскопії реплицирующейся ДНК удалосьустановить, що область, що вже реплицирована, має вигляд ока всередині нереплицировавшейся ДНК. Важливо відзначити, що репликационный око утворюється лише у місцях молекули, де є специфічні нуклеотидные послідовності. Ці послідовності, що отримали назву точок початку реплікації, складаються приблизно з 300 нуклеотидів. Залежно від цього, щодо одного чи двох напрямах відбувається реплікація (але це залежить від природи організму), око містить одну чи дві репликационные виделки. Послідовне рух репликационной виделки призводить до розширенню ока. Подвійна спіраль ДНК дуже стабільна; щоб вона розкрилася, необхідні особливі білки. Спеціальні ферменти ДНК-хеликазы швидко рухаються по одиночній ланцюга ДНК, використовуючи для переміщення енергію гідролізу ATФ. Зустрічаючи по дорозі ділянку подвійної спіралі, вони розривають водневі зв’язку між підставами, поділяють кайдани й посадили просувають репликационную виделку. Слідом для цього з одиночними ланцюгами ДНК зв’язуються спеціальні дестабілізуючі спіраль білки, які дозволяють одиночним ланцюгах ДНК зімкнуться. При цьому вони закривають підстав ДНК, залишаючи їх доступними для спарювання. Не слід забувати, що комплементарные ланцюга ДНК закручені друг навколо друга в спіраль. Отже, щоб репликационная виделка могла просуватися вперед, вся ще подвоєна частина ДНК мусила дуже швидко обертатися. Ця топологічна проблема вирішується шляхом освіти у спіралі свого роду «шарнірів », дозволяють ланцюгах ДНК розкрутитися. Належать до класу білки, звані ДНК-топоизомеразами, вносять в ланцюг ДНК одноабо двухцепочечные розриви, дозволяють ланцюгах ДНК розділитися, та був зашпаровують ці розриви. Топоизомеразы беруть участь також в расцеплении зацепленных двухцепочечных кілець, які виникають при реплікації кільцевих двунитевых ДНК. З допомогою цих важливих ферментів подвійна спіраль ДНК у клітині може приймати «недокрученную «форму із меншим числом витків; у такому ДНК легше відбувається розбіжність двох ланцюгів ДНК в репликационной вилке.

Прерывистый синтез ДНК Легко уявити, що реплікація відбувається шляхом безперервного зростання нуклеотида за нуклеотидом обох нових ланцюгів принаймні переміщення репликационной виделки; у своїй, оскільки дві ланцюзі у спіралі ДНК антипараллельны, одне з дочірніх ланцюгів мусила зростати у бік 5 «-3 », а в напрямі 3 «-5 ». Насправді, проте, виявилося, що дочірні ланцюга ростуть лише у напрямі 5 «-3 », тобто завжди подовжується 3 «-кінець початку, а матриця зчитується ДНК-полимеразой в напрямі 3 «-5 ». Це твердження здавалося б здається несумісним із рухом репликационной виделки щодо одного напрямі, сопровождающемся одночасним зчитуванням двох антипараллельных ниток. Розгадка секрету у тому, що синтез ДНК відбувається безупинно лише з одній з матричної ланцюгів. У другий матричної ланцюга ДНК синтезується порівняно короткими фрагментами (довжиною від 100до 1000 нуклеотидів, залежно від виду), названими під назвою який знайшов їх вченого фрагментами Оказаки). Новостворена ланцюг, яка синтезується безупинно, називається провідною, іншу, встановлена з фрагментів Оказаки, відстаючої. Синтез кожного з цих фрагментів починається з РНК-затравки. Невдовзі РНК-затравки видаляються, проломи забудовуються ДНК-полимеразой і фрагменти зшиваються до однієї безперервну ланцюг ДНК спеціальним ферментом.

Кооперативное дію білків репликационной виделки. До цього часу ми згадали участі окремих білків в реплікації оскільки нібито працюють незалежно друг від друга. Водночас у дійсності велику частину цих білків об'єднана у великий комплекс, який швидко рухається вздовж ДНК і узгоджено здійснює процес реплікації з точністю. Цей комплекс порівнюють із крихітної «швейної машиною »: «деталями «його служать білки, а джерелом енергії - реакція гідролізу нуклеозидтрифос фатів. Спіраль расплетается ДНКхеликазой; цього процесу допомагають ДНКтопоизомераза, раскручивающая ланцюга ДНК, і безліч молекул дестабілізуючого білка, связывающихся з обома одиночними ланцюгами ДНК. У сфері виделки діють дві ДНК-полимеразы — на провідною і відстаючої ланцюга. На провідною ланцюга ДНК-полимераза працює безупинно, але в відстаючої фермент раз у раз перериває і знову відновлює своєї роботи, використовуючи короткі РНК-затравки, синтезовані ДНК-праймазой. Молекула ДНК-праймазы безпосередньо з ДНКхеликазой, створюючи структуру, звану праймосомой. Праймосома рухається в напрямі раскрывания репликационной виделки і з плином руху синтезує РНК-затравку для фрагментів Оказаки. У цьому напрямі рухається ДНКполимераза провідною кайдани й посадили, хоча погляд важко уявити, ДНК-полимераза відстаючої ланцюга. І тому, як вважають, остання накладає ланцюг ДНК, яка служить їй матрицею, саму він, як і забезпечує розворот ДНК-полимеразы відстаючої ланцюга на 180 градусів. Злагоджений рух двох ДНК-полимераз забезпечує координовану репликацию обох ниток. Отже, в репликационной вилці одночасно працюють майже двадцять різних білків (з яких ми назвали тільки п’яту частину), здійснюючи складний, высокоупорядоченный і енергоємний процесс.

Согласованность процесів реплікації ДНК і клоеточного розподілу Эукариотическая клітина перед кожним розподілом повинна синтезувати копії всіх своїх хромосом. Реплікація ДНК эукариотической хромосоми здійснюється з допомогою разделени хромосоми силою-силенною окремих репликонов. Такі репликоны активуються в повному обсязі одночасно, проте клітинному діленню має обов’язкова однократна реплікація кожного їх. З сказаного ясно, що у хромосомі эукариот в кожен час може рухатися незалежно друг від друга безліч репликационных качан. Зупинка просування виделки відбувається за зіткненні з іншого виделкою, що просувалася у напрямі, чи після досягнення кінця хромосоми. Через війну вся ДНК хромосо ми короткий термін виявляється реплицированной. Після складання на молекулі ДНК хромосомних білків кожне подружжя хромосом у процесі мітозу упорядоченно поділяється по дочірнім клеткам.

Выводы Процес реплікації ДНК узгоджений із клітинним розподілом і требуетсовместного дії багатьох білків. У ньому беруть участь: 1. ДНК-хеликаза і дестабілізуючі білки; вони розплітають подвійну спіраль батьківської ДНК і формують репликационную виделку. 2. ДНК-полимеразы, які катализируют синтез полинуклеотидной ланцюга ДНК в напрямі 3 «-5, копіюючи в репликационной вилці матрицю з високим рівнем точності. Оскільки дві ланцюга подвійної спіралі ДНК антипараллельны, в напрямі 5 «-3 «безупинно синтезується один із двох ланцюгів, провідна; інша ланцюг, отстающа, синтезується як коротких фрагментів Оказаки. ДНК-полимераза здатна до поліпшення власних помилок, але з може самостійно розпочати синтез нової ланцюга. 3. ДНК-праймаза, яка каталізує короткі молекули РНК-затравки. Згодом фрагменти РНК видаляються — їх заміняє ДНК. 4. Теломераза, заканчивающая побудова недорепликацированых 3 «-кінців лінійних молекул ДНК. 5. ДНК-топоизомеразы, які допомагають вирішити проблеми крутіння і спутывания спіралі ДНК. 6. Инициаторные білки, связывающиеся у точці початку реплікації і які б освіті нового репликационного ока з одного чи двома виделками. У кожній із качан за инициаторными білками до расплетенной ДНК спочатку приєднується білковий комплекс, що з ДНК-хеликазы і ДНК-праймазы (праймосома). Відтак до праймосоме додаються інші білки, й виникає «репликационная машина », що й здійснює синтез ДНК.

Литература

1. Про. Про. Фаворова. Збереження ДНК у низці популяцій: реплікація ДНК. Соросівський освітній журнал, 1996 р. 2. Г. М. Димшиць. Проблема раепликации кінців лінійних молекул і теломераза. Соросівський освітній журнал, 2000 г.