1 курс / Химия / Биохимия для чайников

Новая

нить

Материнская нить

Рис. 15.2. Упрощение представление

процесса репликации

Из-за специфичности водородных связей новая нить содержит нуклеотиды

в последовательности, которая комплементарна последовательности в старой нити. Таким образом, создается точный дубликат оригинальной ДНК.

Такое описание репликации сильно упрощенное. Оно затрагивает всего лишь малую часть этого сложного процесса, но предоставляет достаточно све-

дений для изучения дальнейшего материала.

Первым шагом в понимании принципов репликации ДНК стало открытие

ДНК-полимеразы кишечной палочки, больше известной под названием Е. coli.

Ряд последовательных исследований показал, что для выполнения своих функ-

ций этому ферменту нужен образец ДНК и все четыре дезоксирибозидтрифос- фата — дАТФ, дЦТФ, дГТФ и дТТФ, а также короткий участок РНК, назы-

ваемый праймером. Фермент отдает предпочтение одинарной нити ДНК, как шаблону, для того, чтобы произвести комплементарную нить.

Во время репликации происходит одновременное удвоение двух нитей ДНК (рис. 15.3). Из-за того, что нити ДНК не параллельны, режим синтеза разный

у каждой нити, но в целом процесс синхронный при продвижении от одного конца к другому. Для одной нити синтез происходит в направлении от 5 — 3. На другой нити он продвигается в направлении 3 — 5, но в действительности>

происходит в таком же направлении 5 — > 3. Построение> нити для направления

3 — 5 сопряжено с определенными сложностями, которые будут рассмотрены

несколько позже.

Репликация инициируется в определенном месте, после чего вдоль ка- ждой из нитей выстраиваются последовательности, составленные из корот- ких фрагментов ДНК. Такие отдельные фрагменты, называемые фрагмен-

тами Оказаки, включают от 1000 до 2000 нуклеотидов. Синтез фрагментов

ГЛАВА 15 Копирование ДНК 291

всегда выполняется в направлении 5 —> 3. Детально процесс проиллюстриро-

ван рис. 15.4.

5 3

Рис. 15.3.Упрощенная схема репликации ДНК

5 3

\

Присоединенные

фрагменты

Рис. 15.4.Детальная схема репликации ДНК

Исследователи неожиданно обнаружили, что репликацию ДНК предваряет синтез РНК. Изначально праймер РНК, обычно длиной 20-30 нуклеотидов,

образует одну нить ДНК. После этого дезоксирибонуклеотиды добавляются

292 ЧАСТЬ 5 Генетика: почему мы такие, какие есть

к третьему концу. Позже праймер РНК удаляется, а для образования полной ДНК к нити прикрепляются соответствующие фрагменты ДНК.

Как минимум часть двойной нити ДНК должна быть отделена перед на- чалом репликации, чтобы послужить в качестве шаблона. За такое отделение отвечают специальные ферменты, называемые геликазами. На сегодня не до конца понятен и исследован механизм такого отделения — изучить его все еще

предстоит. По всей видимости геликаза связывается с одной из нитей более

прочно, что позволяет ферменту оттолкнуть другую нить. Энергия для продви-

жения фермента вдоль одной из нитей обеспечивается в результате гидролиза АТФ. Процесс понуклеотидного продвижения фермента приводит к открытию ДНК подобно молнии, как упоминалось раньше.

ДНК-полимеразы

ДНК-полимеразы — это ферменты, отвечающие за присоединение фраг-

ментов нуклеотида-трифосфата, выступающих основными строительными

блоками нити ДНК. Этот процесс возможен исключительно в присутствии ша-

блона ДНК (родительская ДНК). Перед тем, как фермент сможет соединиться

снуклеотидом, этот нуклеотид должен связаться с соответствующим местом

вшаблоне.

Вклетке должно присутствовать больше одной полимеразы. Например, у Е. coli задачу по присоединению фрагментов нуклеотида-трифосфата выпол-

няют три разных фермента. Эти ферменты могут также действовать как экзо-

нуклеазы, которые функционально противоположны полимеразам — они уда-

ляют нуклеотиды из нити ДНК.

Добавляются нуклеотиды всегда к третьему концу полинуклеотидной цепи.

ДНК-полимераза не может начать построение нуклеотида с нуля — клеотид должен находиться рядом. Напротив, РНК-полимераза строит нить

с нуля. РНК-полимераза создает РНК-праймер, используя рибонуклеотиды в

начале репликации. Затем настает черед ДНК-полимеразы, которая добавляет дезоксинуклеотиды к праймеру РНК. Для полимеризации необходимо присут-

ствие двух ионов металла, чтобы сделать возможным присоединение нуклео-

тида к полинуклеотиду.

Репликация ДНК должна осуществляться безошибочно, чтобы обеспечить

точную передачу генетической информации. Как оказалось, ДНК-полимеразы выполняют свои функции с очень высокой точностью. Фермент прочно связы- вается с матрицей и поступающим нуклеотидом. Этот нуклеотид изначально соединяется с шаблоном с помощью водородной связи. Если встраивается не- правильный нуклеотид, то последующее связывание с помощью полимеразы оказывается неэффективным, и такой нуклеотид “ отвергается” . Помимо этой

проверки ДНК-полимераза также проверяет предыдущий нуклеотид, чтобы

ГЛАВА 15 Копирование ДНК 293

убедиться в его правильности. Если встроенный нуклеотид не подходит долж- ным образом к соответствующему месту, то он будет удален из полинуклеоти- да, чтобы позволить правильному нуклеотиду занять его место. Эту функцию выполняет экзонуклеазная часть полимеразы. Полимераза проверяет полину-

клеотидную цепь по мере протекания процесса полимеризации. Проверка про-

водится в обратном направлении (3 — » 5). Нуклеотид должен быть встроен,

прежде чем полимераза сможет проверить результат. (Хочется верить, что вы

поняли хотя бы общий принцип происходящего.)

Общепринятая модель репликации

Исследования in vitro на Е. coli показали, что репликация начинается тогда,

когда белок связывается с областью ДНК, в которой содержится четыре специ-

альных места для связывания. Это точка начала репликации {инициации). По- сле инициации белок связывается, а фермент геликаза атакует ДНК и начинает раскручивать ее, разделяя две нити. Затем в действие вступает третий белок, удерживающий нити ДНК открытыми, чтобы сделать возможным продолже-

ние репликации. Он называется SSB-белком или белком, связывающимся с

одноцепочечной ДНК. Частично открытая ДНК и соответствующие белки на-

зываются предзатравочным комплексом (рис. 15.5).

Предзатравочный комплекс

Геликаза

Белок, связывающийся с одноцепочечной ДНК

Рис. 75.5. Упрощенное представление предзатравочного комплекса

294 ЧАСТЬ 5 Генетика: почему мы такие, какие есть

Таким образом заполняются шаблоны ДНК. На нити ДНК может быть боль- ше одного места для начала репликации; что позволяет ей возникать одновре- менно сразу в нескольких местах. Синхронная репликация обеспечивает обра- зование всей нити за очень короткое время.

Репликация не может продолжаться пока открытый шаблон не будет запол-

нен. Специальный вид РНК-полимеразы, называемый праймазой, связывается

с предзатравочным комплексом в участке, известном как праймосома. Прайма- за синтезирует короткий сегмент РНК примерно из пяти нуклеотидов. Прайма- за выполняет эту задачу очень быстро, поскольку не снабжена инструментами корректировки нити, присутствующими в ДНК-полимеразе, и сам нуклеотид проверке не подвергается. Поскольку праймер состоит из рибонуклеотидов, а

не из дезоксирибонуклеотидов, он является временным — по завершению про-

цесса непременно определяется и удаляется. После его удаления в освободив-

шееся место встраивается соответствующий дезоксирибонуклеотид, завершая формирование нити ДНК (рис. 15.6).

Репликационная вилка

Праймосома

Белок, связывающийся

с одноцепочечной ДНК

РНК

Рис. 15.6.Образование праймера РНК

Хотя в качестве шаблона выступают обе нити ДНК, процесс репликации

для каждой нити различный. Точка, в которой нити расходятся и возникает

репликация, называется репликационной вилкой для репликационного глазка.

Из-за того, что две нити не параллельны, а ДНК-полимераза работает исклю-

чительно в направлении 5 — > 3, прямая репликация работает только на одной

нити, которая называется опережающей нитью. Другая нить называется отс-

тающей.(Похоже на выгул моих собак: лабрадор впереди, а шнауцер отстает.)

По мере отделения нитей появляется достаточное пространство для мо-

лекулярного механизма, чтобы начать синтез в обратном направлении на

ГЛАВА 15 Копирование ДНК 295

кодируется триплет, а может и нет. Например, изменение ГТТ (ко- дирование для лейцина) на ГТГ (тоже кодирование для лейцина) ре- зультат не изменит. Однако если изменения вызывают кодирование других аминокислот, то это приводит к получению белков с разными функциями. Если новый белок получает функциональные улучше-

ния, то это приносит пользу организму. Если же новый белок обла- дает нарушенной функцией, то изменения, скорее всего, принесут организму только вред. Болезни, вызванные нарушениями функций белков, считаются наследственными. В табл. 15.1 перечисляются не-

которые из них.

Рис. 15.10. Пиримидины

Таблица 15.1. Некоторые наследственные болезни человека

Акаталазия Каталаза

300 ЧАСТЬ 5 Генетика: почему мы такие, какие есть