Розділ 25

Метаболізм ДНК

25.1 Реплікація днк

25.2 Репарація днк

25.3 Рекомбінація днк

Я ніколи не зустрічав нецікавого ензиму.

- Артур Корнберґ, нарис "З любов'ю про ензими", 1975 р.

Серед біологічних макромолекул ДНК займає центральне і унікальне місце завдяки здатності зберігати ґенетичну інформацію. У нуклеотидних послідовностях ДНК закодована інформація про первинні структури всіх клітинних РНК та протеїнів, а за посередництва ензимів вона непрямо впливає на синтез всіх інших клітинних компонентів. Цей потік інформації від ДНК до РНК і протеїнів визначає розміри, форму і функціонування кожної живої істоти.

ДНК – це дивовижний «пристрій» для постійного зберігання ґенетичної інформації. Фраза “постійне зберігання”, однак, створює враження статичної і оманливої картини. Вона не відбиває тієї складності процесів, завдяки яким ґенетична інформація зберігається у незміненому стані і передається від одного покоління клітин до наступного. Метаболізм ДНК охоплює процес точного копіювання молекул ДНК (реплікація) та процеси, що впливають на структуру закодованої у ній інформації (репарація і рекомбінація). Ці питання ми і розглянемо у даному розділі.

Метаболізм ДНК характеризується надзвичайно високим рівнем точності. Хімічний механізм приєднання одного нуклеотиду до наступного під час реплікації ДНК виглядає елеґантно і занадто просто. Але, як ми побачимо далі, його складність значно зростає з урахуванням ензиматичного аппарату, що забезпечує передачу цілісної ґенетичної інформації. Невиправлення помилок, які виникають під час синтезу ДНК, може призвести до негативних наслідків не лише тому, що це постійно впливатиме на функціонування того чи іншого ґена, або й взагалі виключить його, але й тому, що такі зміни успадковуються.

Ензими, які синтезують ДНК, можуть копіювати молекули, що складаються з мільйонів пар основ, причому виконують вони це надзвичайно швидко і точно, незважаючи на високий рівень компактності ДНК та її зв”язок з іншими протеїнами. Формування фосфодіефірних зв”язків для з’єднання нуклеотидів у ланцюг новосинтезованої ДНК – це лише одна частина дуже складного процесу, який потребує незліченної кількості протеїнів та ензимів.

Підтримання цілісності ґенетичної інформації лежить в основі процесу репарації ДНК. Як детально описано у розділі 8, існує багато типів реакцій, здатних пошкоджувати структуру ДНК. Такі реакції відбуваються не часто, тим не менше вони можуть відігравати важливу роль, оскільки біологічні об’єкти надзвичайно чутливі до змін у послідовності ДНК. ДНК - це єдина макромолекула, для якої існують системи репарації ушкоджень; кількість, різноманітність і складність механізмів репарації ДНК і відображає той широкий спектр факторів, які можуть негативно вплинути на її структуру.

Перебудова генетичної інформації у клітині відбувається за рахунок процесів, які узагальнено називають рекомбінацією; на перший погляд це ніби ставить під сумнів твердження про те, що в основі життя лежить стабільність і цілісність ґенетичної інформації. Однак насправді більшість перебудов ДНК відіграють конструктивну роль у підтриманні цілісності геному, а також забезпечують здійснення процесів реплікації і репарації ДНК та розходження хромосом.

Особлива увага в цьому розділі надається ензимам, що забезпечують метаболізм ДНК. Це зумовлено як зростаючою важливістю їхнього застосування у медицині, так і широким використанням як реаґентів у різноманітних біохімічних технологіях. Багато грунтовних відкриттів у галузі метаболізму ДНК було зроблено у дослідах з E. сoli, тому для ілюстрації основних закономірностей цього процесу буде використано добре вивчені ензими саме цього об’єкту. Уявлення щодо складності ензиматичних систем, задіяних у метаболізмі ДНК, дає ознайомлення з деякими важливими ґенами на ґенетичній карті E.сoli (Рис. 25-1).

Декілька слів щодо термінології. Перед тим, як детально розглянути процес реплікації, необхідно коротко зупинитися на питанні використання абревіатур для назв ґенів та протеїнів. Згідно домовленості, бактеріальні ґени звичайно позначаються курсивом трьома маленькими буквами, які відображають функції генів. Так, наприклад, ґени dna, uvr і rec відповідають за реплікацію ДНК, її стійкість до дії УФ-випромінювання і рекомбінацію. У випадку, коли за один і той же процес відповідають кілька ґенів, то додають великі букви A,B,C і т. д., що відображає час їх відкриття, а не місце у послідовності реакцій.

У процесі ґенетичних досліджень, як правило, виділяють і охарактеризовують протеїнові продукти кожного досліджуваного ґену. Багато бактеріальних ґенів було ідентифіковано і названо ще до детального з’ясування ролі їхніх протеїнових продуктів. Час від часу виявляється, що продукти нового ґену вже було охарактеризовано раніше, трапляються також і перейменування. Часто новий протеїновий продукт проявляє активність, яку не так легко описати лише за допомогою назви ензиму. У такому разі ці бактеріальні протеїни можуть зберігати назву свого ґену, а це може викликати плутанину. Для назви протеїнів використовують прямий шрифт, а першу літеру пишуть великою, наприклад, продукти ґенів dnaA і recA позначають, відповідно, як протеїни DnaA і RecA. У цьому розділі ви зустрінете багато таких прикладів.

Подібні домовленості існують і стосовно номенклатури еукаріотичних ґенів, хоча точна форма скорочень може відрізнятися залежно від виду організму, оскільки єдиної угоди стосовно всіх еукаріотичних систем поки немає.