Основными свойствами днк являются её способности к репликации и репарации Репликация днк
Репликация (ауторепродукция, аутосинтез, редупликация) – удвоение молекул ДНК при участии специальных ферментов. Она происходит перед каждым делением ядра в S-периоде интерфазы. Редупликация обеспечивает точную передачу генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, от поколения к поколению.
Гигантские молекулы ДНК эукариот имеют много участков репликации – репликонов, тогда как относительно небольшие кольцевые молекулы ДНК прокариот представляют каждая один репликон. Полирепликативный характер огромных молекул ДНК эукариот обеспечивает возможность репликации без одновременной деспирализации всей молекулы. В остальном в общих чертах процессы репликации прокариот и эукариот весьма похожи.
Процесс репликации ДНК в репликоне происходит в 3 этапа, в которых участвуют несколько разных ферментов.
Первый этап начинается репликация ДНК с локального участка, где двойная спираль ДНК (под действием ферментов ДНК-геликазы, ДНК-топоизомеразы и др.) раскручивается, разрываются водородные связи и цепи расходятся. В результате образуется структура, названная репликативной вилкой (рис.7.6).
Рис.7.6. Схема репликации ДНК
На втором этапе происходит типичный матричный синтез. К образовавшимся свободным связям присоединяются по принципу комлементарности (А-Т, Г-Ц) свободные нуклеотиды. Этот процесс идет вдоль всей молекулы ДНК. У каждой дочерней молекулы ДНК одна нить происходит от материнской молекулы, а другая является вновь синтезированной. Такая модель репликации получила название полуконсервативной. Этот этап осуществляет фермент ДНК-полимераза (известно несколько ее разновидностей).
На двух материнских нитях синтез происходит неодинаково. Посколько синтез возможен только в направлении 5′ - 3′, то на одной нити идет быстрый синтез, а на другой нити – медленный, короткими фрагментами (1000-2000 нуклеотидов). В честь открывшего из Р.Оказаки они называются фрагментами Оказаки. Свободный 3′- конец, необходимый для начала синтеза фрагмента Оказаки, обеспечивает РНК-праймер, синтезируемая при помощи особой РНК-полимеразы – праймазы. После выполнения своей функции РНК-праймер удаляется, а ДНК-лигаза соединяет фрагменты Оказаки и восстанавливает первичную структуру ДНК.
На третьем этапе происходит закручивание спирали и восстановление вторичной структуры ДНК при помощи ДНК-гиразы.
Большинство ферментов, участвующих в репликации ДНК, работают в мультиэнзимном комплексе, связанном с ДНК. Это позволяет осуществлять репликацию с огромной скоростью (у прокариот – около 3000 пар нуклеотидов (п.н.) в секунду, у эукариот – 100-300 п.н. в секунду).
Две новые молекулы ДНК представляют собой точные копии исходной молекулы (рис.7.7)
Рис.7.7 А – репликация ДНК; Б- синтез ДНК
Репарация днк
Репарация (от лат. reparation - восстановление) – процесс восстановления первичной структуры ДНК, поврежденной в результате воздействия мутагенных факторов.
В клетках существуют различные «ремонтные» системы, устраняющие повреждения ДНК, вызванные облучением или химическими факторами. Обычно рассматривают три основных вида репарации:
– фоторепарацию (фотореактивацию);
– эксцизионную репарацию;
– пострепликативную репарацию.
Лучше всего изучена репарация повреждений, вызванных ультрафиолетовыми лучами. При облучении ультрафиолетом между соседними пиримидиновыми основаниями одной цепи ДНК возникают димеры. Чаще всего димер Т-Т, т.е. вместо водородных связей между Т и А двух нуклеотидных цепей образуются связи Т-Т внутри одной цепи (рис.8).
Фоторепарация происходит при воздействии видимого света. При этом фермент ДНК-фотолигаза разделяет димер на мономеры и опять восстанавливает водородные связи Т-А межу комплементарными цепями
Эксцизионная и пострепликативная репарация не зависят от света, и поэтому её называют темновой репарацией.
Эксцизионная репарация заключается в узнавании повреждения ДНК, вырезании (эксцизии) поврежденного участка в синтезе и вставке нового фрагмента.
Она протекает в 4 стадии:
Эндонуклеаза узнает поврежденный участок и рядом с ним разрывает нить ДНК.
Экзонуклеаза «вырезает» поврежденный участок
ДНК-полимераза на основе неповрежденной цепи, которая служит матрицей, за принципом комплементарности синтезирует новый фрагмент.
Лигаза соединяет свободные концы старой части цепи с концами вновь синтезированного фрагмента.
Рис 7.8. Репаративные процессы. А. Эксцизионная репарация (на примере Escherichiaсoli). Б. Пострепликативная репарация. В представленном при¬мере разрыв в одной молекуле ДНК закрывается путем SOS-репарации, при¬чем возникает мутация (М.). Во второй молекуле ДНК разрыв может быть ; тоже заполнен путем SOS-репарации или закрыт путем рекомбинации с по-следующимропаративным синтезом, при котором матрицей служит интактная цепь ДНК. (По Böhme, Adler, с изменениями.)
Пострепликативная репарация включается в тех случаях, когда повреждения в ДНК, возникшие до её репликации, не устраняются.
Если димеры не будут устранены, то соответствующие основания не смогут выполнять роль матрицы и в этих местах во вновь синтезированной ДНК окажутся пропуски (разрывы). Путем обмена фрагментами (рекомбинации) между двумя двойными цепями ДНК-продуктами репликации – возможно образование одной нормальной двойной цепи (пострепликативная репарация).
Если повреждения на ДНК так тесно лежат друг возле друга, что пропуски перекрываются, тогда для заполнения пропусков включается другая «ремонтная» система – SOS репарация, способная синтезировать новую цепь ДНК на дефективной матрице. При этой системе репликации часто бывают ошибки и возникают мутации.
Рипаративные системы клетки играют важную роль в сохранении генетического гомеостаза, структурной и функциональной стабильности живых систем.