Головна
Реферати » Реферати з біології » Біосинтез ДНК

Біосинтез ДНК

Cпособность клітин підтримувати високу упорядкованість своєї організації залежить від генетичної інформації, яка зберігається у формі дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). ДНК - це речовина, з якої складаються гени. Розмноження живих організмів, передача спадкових властивостей з покоління в покоління і розвиток багатоклітинного організму з заплідненої яйцеклітини можливі тому, що ДНК здатна до самовідтворення. Сам процес самовідтворення ДНК називається реплікацією. Іноді використовують також назва-синонім - редуплікація.

Матричний синтез ДНК

Як відомо, генетична інформація записана в ланцюзі ДНК у вигляді послідовності нуклеотидних залишків, містять одна з чотирьох гетероциклічних підстав: аденін (A), гуанін ( G), цитозин (C) і тимін
(T). Запропонована Дж. Уотсоном і Ф. Криком в 1953 році модель будови ДНК у формі регулярної подвійної спіралі відразу ж дозволила зрозуміти принцип подвоєння ДНК. Інформаційний зміст обох ланцюгів ДНК ідентично, оскільки кожна з них містить послідовність нуклеотидів, суворо відповідну послідовності іншого ланцюга. Це відповідність досягається завдяки наявності водневих зв'язків між направленими назустріч один одному підставами двох ланцюгів - попарно G і C або A і T.
Описуючи це властивість подвійної спіралі, молекулярні біологи кажуть, що ланцюга ДНК комплементарні за рахунок освіти уотсон-кріковських пар GРC і
AРT. Оскільки два ланцюги мають протилежну спрямованість, їх називають антипаралельними. Легко уявити, що подвоєння ДНК відбувається внаслідок того, що ланцюги розходяться, а потім кожна ланцюг служить матрицею, на якій збирається комплементарна їй новий ланцюг ДНК, результаті утворюються дві дочірні, двоспіральні, відрізнити за будовою від батьківської ДНК молекули. Кожна з них складається з одного ланцюга вихідної батьківської молекули ДНК і однією знову синтезованої ланцюга. Такий механізм реплікації ДНК, при якому від одного покоління до іншого передається одна з двох ланцюгів, складових батьківську молекулу ДНК, отримав назву Напівконсервативний і був експериментально доведений в 1958 році М. Мезельсоном і Ф. Сталь.
Крім того, ситезу ДНК характерні такі властивості, як антипаралельність і уніполярність. Кожна ланцюг ДНК має певну орієнтацію. Один кінець несе гідроксильну групу (ОН), приєднану до 3'-вуглецю в цукрі дезоксирибози, на іншому кінці ланцюга знаходиться залишок фосфорної кислоти в
5'-положенні цукру. Дві комплементарні ланцюга в молекулі ДНК орієнтовані в протилежних напрямках - антипараллельно (при паралельній орієнтації напроти 3'-кінця одного ланцюга знаходився б 3'-кінець інший).
Ферменти, що синтезують нові нитки ДНК, звані ДНК-полімерази, можуть пересуватися уздовж матричних ланцюгів лише в одному напрямку - від їх 3'-решт до 5'-кінців. ? Ри цьому синтез комплементарних ниток завжди ведеться в
5 "3" напрямі, тобто Уніполярні. Тому в процесі реплікації одночасний синтез нових ланцюгів йде антипараллельно.
ДНК-полімерази можуть давати "задній хід", тобто рухатися в напрямку
3 '5'. У тому випадку, коли останнє доданий при синтезі нуклеотидное ланка виявилася некомплементарни нуклеотиду матричної ланцюга, воно буде заміщено комплементарним нуклеотидом. Отщепах "неправильний" нуклеотид, ДНК-полімераза продовжує синтез в 5 '3' напрямку. Така здатність до виправлення помилок отримала назву коректорській функції ферменту (див. нижче).

ДНК-полімерази
У 1957 році А. Корнберг виявив у кишкової палички фермент, що каталізує процес полімеризації ДНК з нуклеотидів; він був названий ДНК-полімеразою. Потім ДНК-полімерази виявили і в інших організмах. Було показано, що субстратами всіх цих ферментів служать дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (дНТФ), полимеризующиеся на одноцепочечной
ДНК-матриці. ДНК-полімерази послідовно нарощують одноцепочечную ланцюг
ДНК, крок за кроком приєднуючи до неї наступні ланки в напрямі від 5 - 'до
3'-кінця, причому вибір чергового дНТФ диктується матрицею. Приєднання кожного нового нуклеотидного залишку до 3'-кінця зростання ланцюга супроводжується гідролізом багатою енергією зв'язку між першим і другим фосфатними залишками в дНТФ і отщеплением пірофосфату, що робить реакцію в цілому енергетично вигідною.
У клітинах зазвичай присутній кілька типів ДНК-полімерази, що виконують різні функції і мають різну будову: вони можуть бути побудовані з різної кількості білкових ланцюгів (субодиниць), від однієї до десятків.
Проте всі вони працюють на будь-яких послідовностях нуклеотидів матриці; завдання цих ферментів-зробити точну копію кожної матриці.

Точність синтезу ДНК і механізм корекції
Генетичний матеріал живих організмів має величезні розміри і реплицируется з високою точністю. У середньому в процесі відтворення генома ссавця, що складається з ДНК довжиною 3 млрд пар нуклеотидів, виникає не більше трьох помилок. При цьому ДНК синтезується надзвичайно швидко (швидкість її полімеризації коливається в межах від 500 нуклеотидів / с у бактерій до 50 нуклеотидів / с у ссавців). Висока точність реплікації, поряд з її високою швидкістю, забезпечується наявністю спеціальних механізмів, що здійснюють корекцію, тобто усувають помилки. Суть механізму корекції полягає в тому, що ДНК-полімерази двічі перевіряють відповідність кожного нуклеотиду матриці: один раз перед включенням його до складу зростання ланцюга і другий раз перед тим, як включити наступний нуклеотид. Чергова фосфодіефірная зв'язок синтезується лише в тому випадку, якщо останній (3'-кінцевий) нуклеотид зростання ланцюга ДНК утворив правильну уотсон-кріковських пару з відповідним нуклеотидом матриці. Якщо ж на попередній стадії реакції відбулося помилкове спаровування підстав, то подальша полімеризація зупиняється до тих пір, поки помилка не буде виправлена. Для цього фермент переміщається у зворотному напрямку і вирізає останнє доданий ланка, після чого його місце може зайняти правильний нуклеотідпредшественнік. Іншими словами, багато хто (але не всі) ДНК-полімерази володіють, крім 5'-3'-синтетичної активності, ще й 3'-гидролизующей активністю, яка забезпечує видалення помилково спарених з матрицею нуклеотидів.

Основні принципи реплікації
Основні правила, відповідно до яких відбувається реплікація, були з'ясовані в дослідах з бактеріями, однак вони справедливі також і для вищих організмів.

Ініціація ланцюгів ДНК
ДНК-полімерази не можуть починати синтезу ДНК на матриці, а здатні тільки додавати нові дезоксірібонуклеотідние ланки до 3'-кінця вже наявної полинуклеотидной ланцюга. Таку заздалегідь освічену ланцюг, до якої додаються нуклеотиди, називають запалом. Коротку РНК-затравки синтезує з рибонуклеозидтрифосфатов фермент, що не володіє коректує активністю і званий ДНК-праймазой (від англ. Primer - запал). Праймазная активність може належати або окремому ферменту, або одній з субодиниць ДНК-полімерази. Запал, синтезована цим неточним ферментом, що не уміє виправляти помилки, відрізняється від решти новосинтезованих ланцюга ДНК, оскільки складається з рибонуклеотидов, і далі може бути видалена.
Розмір рібонуклеотідной затравки невеликий (менше 20 нуклеотидів) у порівнянні з розміром ланцюга ДНК, утвореною ДНК-полімеразою. Що виконала свою функцію
РНК-запал віддаляється спеціальним ферментом, а утворена при цьому пролом закладається ДНК-полімеразою, що використовує в якості затравки 3'-ОН-кінець сусіднього фрагмента Окадзакі (см нижче). Видалення крайніх РНК-праймерів, комплементарних 3'-кінців обох ланцюгів лінійної материнської молекули ДНК, призводить до того, що дочірні ланцюга виявляються коротше на 10-20 нуклеотидів
(у різних видів розмір РНК-затравок різний ). У цьому полягає так звана "проблема недореплікаціі решт лінійних молекул". У разі реплікації кільцевих бактеріальних ДНК цієї проблеми не існує, так як перший за часом утвореннями РНК-затравки видаляються ферментом, який одночасно заповнює образующуюся пролом шляхом нарощування 3'-ОН-кінця зростання ланцюга ДНК, спрямованої в "хвіст" удаляемому праймеру. Проблема недореплікаціі 3'-решт лінійних молекул ДНК вирішується еукариотическими клітинами за допомогою спеціального ферменту - теломерази.
Робота теломерази
У 1985 році він був виявлений у равнореснічной інфузорії Tetrahymena thermophila, а згодом - в дріжджах, рослинах і тварин, у тому числі в яєчниках людини і імморталізованних (безсмертних) лініях ракових клітин
HeLa. Теломераза є ДНК-полімеразою, добудовували 3'-кінці лінійних молекул ДНК хромосом короткими (6-8 нуклеотидів) повторюваними послідовностями (у хребетних TTAGGG). Згідно номенклатурі, цей фермент називають ДНК-уклеотидилэкзотрансферазой або теломерной термінальній трансферазой. Крім білкової частини теломераза містить РНК, що виконує роль матриці для нарощування ДНК повторами. Довжина теломеразной
РНК коливається від 150 нуклеотидів у найпростіших до 1400 нуклеотидів у дріжджів, у людини - 450 нуклеотидів. Сам факт наявності в молекулі РНК послідовності, за якою йде матричний синтез шматка ДНК, дозволяє віднести теломеразу до своєрідної зворотного транскриптазе, тобто ферменту, здатному вести синтез ДНК по матриці РНК.
В результаті того що після кожної реплікації дочірні ланцюга ДНК виявляються коротше материнських на розмір першого РНК-праймера (10-20 нуклеотидів), утворюються виступаючі однониткових 3'-кінці материнських ланцюгів. Вони-то і впізнаються теломеразой, яка послідовно нарощує материнські ланцюга
(у людини на сотні повторів), використовуючи 3'-ОН-кінці їх в якості затравок, а РНК, що входить до складу ферменту, в як матриці.
Утворені довгі одноланцюгові кінці, в свою чергу, служать матрицями для синтезу дочірніх ланцюгів за традиційним реплікативного механізму.
Поступове вкорочення ДНК хромосом під час реплікації є однією з теорій "старіння" клітинних колоній. Ще в 1971 році вітчизняний учений
А.М. Оловников у своїй теорії маргінотоміі (від лат. Marginalis-крайової, tome - перетин) припустив, що це явище лежить в основі обмеженого потенціалу подвоєння, спостережуваного у нормальних соматичних клітин, що ростуть в культурі in vitro, так званого "ліміту Хейфліка".
Американський вчений Леонард Хейфлік на початку 60-х років показав, що якщо для культивування взяти клітини новонароджених дітей, то вони можуть пройти
80-90 поділів, в той час як соматичні клітини від 70-річних діляться тільки 20 - 30 разів. Обмеження на число клітинних поділів і називають лімітом Хейфліка.

Розплітання подвійної спіралі ДНК
Оскільки синтез ДНК відбувається на одноцепочечной матриці, йому має передувати обов'язкове розділення (хоча б на час) двох ланцюгів ДНК.
Дослідження, проведені на початку 60-х років на реплицирующейся хромосомах, виявили особливу, чітко обмежену

Сторінки: 1 2