Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Репликация ДНК и передача наследственной информации
етствующую последовательности другой цепи. Это соответствие
достигается благодаря наличию водородных связей между направленными
навстречу друг другу основаниями двух цепей - попарно G и C или A и T.
Описывая это свойство двойной спирали, молекулярные биологи говорят, что
цепи ДНК комплементарны за счет образования уотсон-криковских пар GРC и
AРT.
Поскольку две цепи имеют противоположную направленность, их называют
антипараллельными. Легко представить, что удвоение ДНК происходит
вследствие того, что цепи расходятся, а потом каждая цепь служит матрицей,
на которой собирается комплементарная ей новая цепь ДНК. В результате
образуются две дочерние, двуспиральные, неотличимые по строению от
родительской ДНК молекулы. Каждая из них состоит из одной цепи исходной
родительской молекулы ДНК и одной вновь синтезированной цепи. Такой
механизм репликации ДНК, при котором от одного поколения к другому
передается одна из двух цепей, составляющих родительскую молекулу ДНК,
получил название полуконсервативного и был экспериментально доказан в 1958
году М. Мезельсоном и Ф. Сталь.
Кроме того, ситезу ДНК характерны такие свойства, как
антипараллельность и униполярность. Каждая цепь ДНК имеет определенную
ориентацию. Один конец несет гидроксильную группу (ОН), присоединенную к 3'-
углероду в сахаре дезоксирибозе, на другом конце цепи находится остаток
фосфорной кислоты в 5'-положении сахара. Две комплементарные цепи в
молекуле ДНК ориентированы в противоположных направлениях - антипараллельно
(при параллельной ориентации напротив 3'-конца одной цепи находился бы 3'-
конец другой). Ферменты, синтезирующие новые нити ДНК, называемые ДНК-
полимеразами, могут передвигаться вдоль матричных цепей лишь в одном
направлении - от их 3'-концов к 5'-концам. При этом синтез комплементарных
нитей всегда ведется в 5' 3' направлении, то есть униполярно. Поэтому в
процессе репликации одновременный синтез новых цепей идет антипараллельно.
ДНК-полимеразы могут давать "задний ход", то есть двигаться в
направлении 3' 5'. В том случае, когда последнее добавленное при синтезе
нуклеотидное звено оказалось некомплементарным нуклеотиду матричной цепи,
оно будет замещено комплементарным нуклеотидом. Отщепив "неправильный"
нуклеотид, ДНК-полимераза продолжает синтез в 5' 3' направлении. Такая
способность к исправлению ошибок получила название корректорской функции
фермента.
7.1. ДНК-полимеразы
В 1957 году А. Корнберг обнаружил у кишечной палочки фермент,
катализирующий процесс полимеризации ДНК из нуклеотидов; он был назван ДНК-
полимеразой. Затем ДНК-полимеразы выявили и в других организмах. Было
показано, что субстратами всех этих ферментов служат
дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дНТФ), полимеризующиеся на одноцепочной ДНК-
матрице. ДНК-полимеразы последовательно наращивают одноцепочную цепь ДНК,
шаг за шагом присоединяя к ней следующие звенья в направлении от 5-' к 3'-
концу, причем выбор очередного дНТФ диктуется матрицей. Присоединение
каждого нового нуклеотидного остатка к 3'-концу растущей цепи
сопровождается гидролизом богатой энергией связи между первым и вторым
фосфатными остатками в дНТФ и отщеплением пирофосфата, что делает реакцию в
целом энергетически выгодной.
В клетках обычно присутствует несколько типов ДНК-полимераз,
выполняющих различные функции и имеющих разное строение. Они могут быть
построены из различного количества белковых цепей (субъединиц), от одной до
десятков, однако все они работают на любых последовательностях нуклеотидов
матрицы. Задача этих ферментов - сделать точную копию каждой матрицы.
7.2. Точность синтеза ДНК и механизм коррекции
Генетический материал живых организмов имеет огромные размеры и
реплицируется с высокой точностью. В среднем в процессе воспроизведения
генома млекопитающего, состоящего из ДНК длиной 3 миллиарда пар
нуклеотидов, возникает не более трех ошибок. При этом ДНК синтезируется
чрезвычайно быстро: скорость ее полимеризации колеблется в пределах от 500
нуклеотидов в секунду у бактерий, до 50 нуклеотидов в секунду у
млекопитающих).
Высокая точность репликации, наряду с ее высокой скоростью,
обеспечивается наличием специальных механизмов, осуществляющих коррекцию,
то есть устраняющих ошибки. Суть механизма коррекции заключается в том, что
ДНК-полимеразы дважды проверяют соответствие каждого нуклеотида матрице:
один раз перед включением его в состав растущей цепи и второй раз перед
тем, как включить следующий нуклеотид. Очередная фосфодиэфирная связь
синтезируется лишь в том случае, если последний (3'-концевой) нуклеотид
растущей цепи ДНК образовал правильную уотсон-криковскую пару с
соответствующим нуклеотидом матрицы. Если же на предыдущей стадии реакции
произошло ошибочное спаривание оснований, то дальнейшая полимеризация
останавливается до тех пор, пока ошибка не будет исправлена. Для этого
фермент перемещается в обратном направлении и вырезает последнее
добавленное звено, после чего его место может занять правильный
нуклеотидпредшественник. Иными словами, многие (но не все) ДНК-полимеразы
обладают, помимо 5'-3'-синтетической активности, еще и 3'-гидролизующей
активностью, которая обеспечивает удаление ошибочно спаренных с матрицей
нуклеотидов.
8. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РЕПЛИКАЦИИ
Основные правила, в соответствии с которыми происходит репликация,
были выяснены в опытах с бактериями, однако они справедливы также и для
высших организмов.
8.1. Инициация цепей ДНК
ДНК-полимеразы не могут начинать синтеза ДНК на матрице, а способны
только добавлять новые дезоксирибонуклеотидные звенья к 3'-концу уже
имеющейся полинуклеотидной цепи. Такую заранее образованную цепь, к которой
добавляются нуклеотиды, называют затравкой. Короткую РНК- затравку
синтезирует из рибонуклеозидтрифосфатов фермент, не обладающий
корректирующей активностью и называемый ДНК-праймазой (от англ. primer -
затравка). Праймазная активность может принадлежать либо отдельному
ферменту, либо одной из субъединиц ДНК-полимеразы. Затравка,
синтезированная этим неточным ферментом, не умеющим исправлять ошибки,
отличается от остальной новосинтезированной цепи ДНК, поскольку состоит из
рибонуклеотидов, и далее может быть удалена.
Размер рибонуклеотидной затравки невелик (менее 20 нуклеотидов) в
сравнении с размером цепи ДНК, образуемой ДНК-полимеразой. Выполнившая свою
функцию РНК-затравка удаляется специальным ферментом, а образованная при
этом брешь заделывается ДНК-полимеразой, использующей в качестве затравки
3'-ОН-конец соседнего фрагмента. Удаление крайних РНК-праймеров,
комплементарных 3'-концам обеих цепей линейной материнской молекулы ДНК,
приводит к тому, что дочерние цепи оказываются короче на 10-20 нуклеотидов
(у разных видов размер РНК-затравок различен). В этом заключается так
называемая "проблема недорепликации концов линейных молекул". В случае
репликации кольцевых бактериальных ДНК этой проблемы не существует, так как
первые по времени образованиЯ РНК-затравки удаляются ферментом, который
одновременно заполняет образующуюся брешь путем наращивания 3'-ОН-конца
растущей цепи ДНК, направленной в "хвост" удаляемому праймеру. Проблема
недорепликации 3'-концов линейных молекул ДНК решается эукариотическими
клетками с помощью специального фермента - теломеразы. В 1985 году он был
обнаружен у равноресничной инфузории Tetrahymena thermophila, а
впоследствии - в дрожжах, растениях и животных, в том числе в яичниках
человека.
Теломераза является ДНК-полимеразой, достраивающей 3'-концы линейных
молекул ДНК хромосом короткими (6-8 нуклеотидов) повторяющимися
последовательностями (у позвоночных TTAGGG). Согласно номенклатуре, этот
фермент называют ДНК- нуклеотидилэкзотрансферазой или теломерной
терминальной трансферазой. Помимо белковой части теломераза содержит РНК,
выполняющую роль матрицы для наращивания ДНК повторами. Длина теломеразной
РНК колеблется от 150 нуклеотидов у простейших до 1400 нуклеотидов у
дрожжей, у человека - 450 нуклеотидов. Сам факт наличия в молекуле РНК
последовательности, по которой идет матричный синтез куска ДНК, позволяет
отнести теломеразу к своеобразной обратной транскриптазе, то есть ферменту,
способному вести синтез ДНК по матрице РНК.
В результате того что после каждой репликации дочерние цепи ДНК
оказываются короче материнских на размер первого РНК-праймера (10-20
нуклеотидов), образуются выступающие однонитевые 3'-концы материнских
цепей. Они-то и узнаются теломеразой, которая последовательно наращивает
материнские цепи (у человека на сотни повторов), используя 3'-ОН-концы их в
качестве затравок, а РНК, входящую в состав фермента, в качестве матрицы.
Образующиеся длинные одноцепочные концы, в свою очередь, служат матрицами
для синтеза дочерних цепей по традиционному репликативному механизму.
Постепенное укорочение ДНК хромосом во время репликации является
одной из теорий "старения" клеточных колоний. Еще в 1971 году отечественный
ученый А.М. Оловников в
| |  скачать работу |
Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Репликация ДНК и передача наследственной информации |
