Точность репликации

Точность в процессе репликации очень важна, т.к. ошибки могут привести к мутациям. ДНК-полимераза III обладает способностью к «редактированию» – исправлению ошибок. По мере продвижения вдоль матричной ДНК-цепи фермент проверяет, нет ли ошибок во вновь синтезированной копии. О наличии ошибок ДНК-полимераза «узнает» по искажению двойной спирали ДНК, которое происходит в том случае, если Т соединится с G или С с А. Обнаружив такой участок, ДНК-полимеразный ферментный комплекс возвращается на один шаг назад и благодаря своей экзонуклеазной активности, вырезает неправильное основание (или их группу) и вставляет то, которое должно быть на этом месте (правильное основание). Скорость точной репликации у бактерий примерно 500 оснований в секунду, а у высших клеток, включая клетки человека, около 50 оснований в секунду.

Репликация днк у эукариот

ДНК хромосом высших клеток намного длиннее, а сами хромосомы устроены намного сложнее, чем маленькие и простые бактериальные геномы. У высших клеток, в отличие от бактерий, ДНК в хромосомах образует комплекс с белками (гистонами), которые участвуют в сворачивании длинных нитей ДНК в серию петель для того, чтобы их можно было упаковать внутри ядра. Репликация ДНК начинается одновременно в нескольких сайтах каждой хромосомы. У эукариот число их может превысить 1000, поэтому большой набор ДНК-последовательностей реплицируется за 5-20 часов. Из каждой такой точки в противоположных направлениях одновременно движутся две репликативные вилки. Репликация продолжается до полного завершения синтеза дочерних цепей и разделения новых дуплексов. У млекопитающих и человека известно пять разных ДНК-полимераз. Репликативный синтез ДНК катализируют две ДНК-полимеразы (a и δ); β- и ε-полимеразы участвуют в репарации ДНК, γ-полимераза – в репликации митохондриальной ДНК. Поскольку эукариотическая ДНК линейна, при репликации из-за вырезания праймеров на концах полинуклеотидных цепей образуются недореплицированные участки. Их репликация осуществляется с помощью особого фермента – теломеразы (рис.29.10).

Рис. 29.10. Репликация теломерных участков хромосом

Теломераза, содержащая в себе последовательность нуклеотидов, за несколько приемов удлиняет укороченную цепь, создавая пространство для работы праймазы и ДНК-полимеразы, после чего избытки нуклеотидов удаляются:

Репаративный синтез днк

Воздействие на организм неблагоприятных факторов (химические соединения, ультрафиолетовое излучение и др.) приводит к постоянному накоплению ошибок в геноме, которые в конечном итоге вызывают появление патологии, в частности, – невыясненный до сих пор механизм раковых заболеваний. Пока лишь существуют только предположения о том, что причиной раковых заболеваний являются дефекты в носителях информации – ДНК.

Возможны, как минимум, четыре типа повреждений ДНК:

1) повреждение одиночных оснований (жезаминирование цитозина в урацил, аденина в гипоксантин; алкилирование оснований; включение аналогов оснований, инсерции и делеции нуклеотидов и др.);

2) повреждение пары оснований, например, индуцированное ультрафиолетовым излучением образование тиминовых димеров;

3) разрывы цепей при действии ионизирующей радиации;

4) образование перекрестных связей между основаниями, а также между ДНК и белками, например, гистонами.

На рис. 29.11 показано образование пиримидиновых димеров при воздействии ультрафиолетовых лучей..

Рис.29.11. Образование тиминовых димеров в ДНК при ультрафиолетовом облучении

ДНК с таким нарушением уже не может нормально работать. С нее теперь невозможно считать информацию, необходимую для производства белков, или снять копию. Следовательно, процессы жизнедеятельности клетки нарушаются, а деление ее останавливается. Ферменты, ответственные за копирование ДНК и считывание с нее информации, дойдя до тиминового димера, либо «перепрыгнут» через него, что приведет к разрыву синтезируемого белка на две части, либо вовсе остановятся.

В случае такого повреждения репарация начинается с того, что специальный белок, УФ-эндонуклеаза, находит тиминовый димер и рядом с ним разрывает цепь ДНК (рис. 29.12).

Рис.29.12. Репарация тиминовых димеров

При этом вторая цепь остается целой. Затем в работу включается другой белок – экзонуклеаза. Она, отщепляя по одному, удаляет по обе стороны от разрыва несколько сотен нуклеотидов. В результате на цепи ДНК (там, где был обнаружен тиминовый димер) возникает брешь длиной в несколько тысяч нуклеотидов. Эту брешь теперь быстро заделывает третий белок – ДНК-полимераза I (у прокариот) или ДНК-полимераза δ (у эукариот). По принципу комплементарности и на основе информации о второй, нетронутой цепочке ДНК, полимераза встраивает нуклеотиды в первую цепочку. Завершающий этап осуществляет ДНК-лигаза. Она устраняет разрывы на репарированной цепочке ДНК. В результате структура ДНК полностью восстанавливается.