Процесс удаления днк

Процессы репликации и транскрипции

Процесс удаления днк

РепликацияДНК– это процесс удвоения родительскихмолекул ДНК во время воспроизводстваклеток живых организмов. То есть процессрепликации предшествует делению клеток.Репликация, как и транскрипция итрансляция, является матричнымпроцессом.

При репликации цепи молекулы ДНКрасходятся и каждая из них становитсяматрицей, на которой синтезируетсяновая комплементарная цепь. При этомнуклеотиды новых цепей спариваютсякомплементарнос нуклеотидами старых цепей (А с Т, Г сЦ).

В результате образуются две дочерниедвуспиральные молекулы ДНК, не отличимыеот родительской молекулы. Каждая молекулаДНК состоит из одной цепи исходнойродительской молекулы и одной вновьсинтезированной цепи. Такой механизмкопирования называется полуконсервативным.

Каждая вновь синтезированная цепьантипараллельнародительской. Синтез одной цепи(лидирующей) происходит непрерывно, адр. (отстающей) – импульсно. Такоймеханизм называется полунепрерывным.

Строениерепликативной вилки. Лидирующая нить,отстающая нить, фрагменты Оказаки. см.рисунок.

Ключевыеферменты, участвующие в синтезе ДНК.

Общиеструктурные черты ДНК-полимераз.

Работаютпо одному принципу: удлиняют цепь ДНК,добавляя к 3’-концу по 1 нуклеотиду.Выбор диктуется требованиямкомплиментарности матричной ДНК. Черты:

Нескольконезависимых доменов, кот. в совокупностинапоминают правую руку человека. ДНКсвязывается в небольшой выемке,образованной тремя доменами. Основукаталитического центра образуютконсервативные аминокислотные мотивыв составе домена «ладонь». «Пальцы»правильным образом располагают матрицув активном центре.

«Большой палец»связывает ДНК на выходе из фермента иобуславливает высокую процессивность.В активном центре самые важныеконсервативные области всех трех доменовсближены и образуют непрерывнуюповерхность. Экзонуклеазная активностьнаходится в независимом домене ссобственным каталитическим центром.

N-концевой домен внедрен в экзонуклеазный.

Участвуетв репарации поврежденной ДНК, такжеиграет вспомогательную роль в репликацииДНК – удлиняет 3’-конец цепи, спареннойс матричной цепью и позволяет заполнитьпробелы м/д фрагментами отстающих цепей,удлиняет фрагменты Оказаки с 3’-концов,одновременно удаляя рибонуклеозидыРНК-затравки, с кот. начинается каждыйфрагмент Оказаки. ДНК-полимераза Iспособна удлинять 3’-конец одной цепейв месте разрыва в двуцепочечной ДНК иудалять нуклеотиды с 5’-конца того жеразрыва (ник-трансляция) – важная рольв системе репарации.

ДНК-полимера»I доминирует нал всеми другими. Этооценочный полипептид массой 103 кДа,который может быть расщеплен на 2 части:С-концевой фрагмент, 68 кДа, фрагментКленова, облагает полимеразной и 3’->5'экзонуклеазными активностями; N-коицевойфрагмент, 35 кДа, обладает 5’->3'экзонуклеазной актнвностью.

Холофермент, днк-полимераза III, реплисома

Холоферментпредставляет собой комплекс массо1 900кДа,содержащий 10 белков, подразделенных на 4 типа субкомплексов:

  1. α, ξ, θ. Содержит 2 копии каталитической сердцевины. α – ДНК-полимеразная активность, ξ – 3’-экзонуклеазная активность, θ – стимулирует экзонуклеазу.

  2. Содержит 2 субъединицы τ (тау) – служат для скрепления минимального фермента, обладающего каталитической активностью (α).

  3. 2 копии зажима (clamp) – отвечают за удержание минимального фермента на ДНК-матрицах. Каждый состоит из гомодимера субъединиц β. роль – свести к минимуму вероятность отделения фермента от матрицы, прежде чем завершится процесс копирования.

  4. γ – группа из 5 белков, кот. образуют клэмп-лоудер – приспособление для накладывания зажима на ДНК матрицу. Состоит из 2 δ, 1 γ, 1 ψ и 1 χ – субъединиц.

Реплисома- мультиферментный комплекс в бактериальнойрепликативной вилке, осуществляющийпроцесс полуконсервативной репликации;содержит ДНК-полимеразу и ряд др. белков.

ДНК-полимеразыэукариот.

ДНК-полимеразаα – инициирует синтез новой цепи иотстающей. Ассоциирована с β-субъединицейи двумя небольшими белками с праймазнойактивностью, поэтому может синтезироватьцепи заново. 2 функции: затравка иудлинение = α-праймаза.

ДНК-полимеразаδ – элонгирует ведущую цепь

ДНК-полимеразаξ – участвует в синтезе отстающей цепи

ДНК-лигазы.

Необходимыдля соединения цепей ДНК при репликации,репарации, рекомбинаци. ДНК-лигазыE.coliи фага Т4 – одиночные пептиды, способныесоединять концы двух разных дуплексныхфрагментов или разорванные концы цепейлинейной или кольцевой ДНК. Т.о., с помощьюДНК-лигаз могут образовываться и линейныеи кольцевые дуплексные молекулы ДНК.

ДНК-хеликазы.

Осуществляетрасплетание цепей, используя энергиюгидролиза АТФ. Функционирует в составекомплекса, осуществляющего перемещениерепликативной вилки и репликациюрасплетенных цепей. Для увеличенияскорости несколько зеликаз могутдействовать совместно.

SSB-белки.

Однонитевыесвязывающие белки, дестабилизируютспираль, связываются с одноцепочечнымучастком, тем самым ее стабилизируют,т.е. фиксируют участок одноцепочечнойДНК.

ДНК-топоизомеразыIи II,гираза.

Прирасплетении ДНК происходит вращениемолекулы – изменение вторичной и третичнойструктур. Эти процессы катализируетгруппа ферментов, называемыхтопоизомеразами. Они вносят одно идвуцепочечные разрывы в ДНК, что позволяетмолекуле нуклеиновой кислоты вращатьсяи становиться матрицей. По механизмудействия различают топоизомеразыпервого (I) и второго (II) типов.

Топоизомеразытипа I (у Е. coli – свивелаза) – вносятодноцепочечный разрыв в молекулу ДНК,топоизомеразы типа II (у Е. coli – гираза) -осуществляют двухцепочечный разрывДНК и перенос нитей ДНК через разрыв споследующим их сшиванием. При этом,осуществляя свои функции, топизомеразыостаются связанными с молекулой ДНК.

Вэтих процессах топоизомеразамииспользуется остаток тирозина, которыйосуществляет нуклеофильную атакуфосфатной группы ДНК с образованиемфосфотирозина. В результате ферментыоказываются ковалентно связанными с5’- или 3’- концами ДНК в месте разрыва.

Образование такой ковалентной связиисключает необходимость затраты энергиипри восстановлении фосфодиэфирнойсвязи в одноцепочечном разрыве назаключительных стадиях реакции.

УДНК-топоизомераз типа I имеется одинкаталитический остаток тирозина намолекулу мономерного белка, тогда какдимеры ДНК- топоизомераз II содержат поодному каталитическому остатку накаждую субъединицу, что обеспечиваетсоздание ступенчатого двухцепочечногоразрыва в молекуле ДНК.

Топоизомеразывыполняют функции шарниров, однако ихдействия противоположны. ТопоизомеразыI, разрывая одну из цепей кольцевойсуперспирализованной ДНК, раскручиваютцепи и уменьшают число супервитков.Топоизомеразы II превращают расслабленнуюнесверхспирализованную замкнутуюкольцевую ДНК в суперспираль.

Стадиирепликации: инициация, элонгация,терминация. Инициация образования новыхцепей ДНК. Праймаза. Праймосома. Терминациярепликации ДНК и расхождение дочернихспиралей у прокариот.

Терминациярепликации в линейных геномах. Проблемарепликации линейного незамкнутогофрагмента ДНК. Теломеры и теломерныеповторы, теломерная петля. Теломераза.Механизм работы теломеразы. Особенностирепликации ДНК эукариот. Репликоныэукариот.

Каки в случае биосинтеза других макромолекулклетки, процесс репликации условноразделяют на триосновных этапа:инициацию, элонгацию и терминацию.

Репликацияпрокариот

Инициация

Хромосомапрокариот чаще всего представленаединичнойсуперскрученной кольцевой молекулойс одним или двумя сайтами началарепликации.

Для того чтобы каждая из двух цепей ДНКстала матрицей, для синтеза новой цепи,необходимо, чтобы нити ДНК расправилисьи отошли друг от друга.

Установлено, чтоцепи ДНК раскручиваются не по всейдлине, а на коротком участке. Здесьобразуется вилка репликации – местоудвоения ДНК.

Прирасплетении ДНК происходит вращениемолекулы – изменение вторичной и третичнойструктур. Эти процессы катализируетгруппа ферментов, называемыхтопоизомеразами.Они вносят одно и двуцепочечные разрывыв ДНК, что позволяет молекуле нуклеиновойкислоты вращаться и становиться матрицей.По механизму действия различаюттопоизомеразы первого (I) и второго (II)типов.

Нарасплетенный участок родительскоймолекулы ДНК, с которого начинаетсярепликация и который называется точкойначала репликации (или ориджином, oriС)«садятся» инициаторные белки. Инициациярепликации в oriC начинается с формированиякомплекса, в который входят шесть белковDnaA, DnaB, DnaC, HU, гираза и SSB.

Сначалас девятинуклеотидной последовательностьюсвязываются белки DnaA,которые формируют большой агрегат. ДНКориджина опоясывает его, и цепи ДНКразъединяются в области трех 13-членныхпоследовательностей.

На следующем этапеприсоединяются белки DnaB (хеликаза) иDnaC, формируя агрегат размером 480 кДа, срадиусом 6 нм.

Хеликаза/DnaBобеспечивает разрыв водородных связеймежду азотистыми основаниями в двойнойцепи ДНК, приводя к ее денатурации, т.е.расхождению нитей.

Врезультате выпрямления и денатурациидвойной спирали ДНК формируется вилкарепликации, имеющая Y-образную форму(рис). Именно в этой репликационной вилкеДНК-полимеразы синтезируют дочерниемолекулы ДНК. Такой участок ДНК выглядиткак пузырек или «глазок» в нереплицированнойДНК.

Репликационные «глазки» образуютсяв тех местах, где находятся точки началарепликации. Когда цепи ДНК разъединены,молекула становится довольно подвижной.

Все возможные нарушения в структуреодиночных цепей исключаются благодарядействию белковSSВ(single-strand DNA-binding proteins или helix-destabilizingproteins), которые, связываясь с, одиночнымицепями ДНК, препятствуют их слипанию.

Источник: https://studfile.net/preview/5826785/

Репарация ДНК

Процесс удаления днк

Репликация обеспечивает самокопирование генетического материала. При этом, благодаря принципу комплементарности, весьма высока точность сопоставления нуклеотидных последовательностей дочерней цепи к матричной ДНК.

Кроме того, ДНК — достаточно химически инертное вещество, что обеспечивает ее большую стабильность по сравнению, например, с РНК. Однако этого мало, так как ДНК все же может повреждаться внешними воздействиями, также могут возникать ошибки на этапе репликации.

Поэтому в клетках должны существовать механизмы исправления повреждений и ошибок синтеза, т. е. выполняться репарация ДНК.

Существует целый ряд репарационных механизмов, выполняющихся на различных этапах синтеза ДНК, а также в зависимости от типа возникающих ошибок.

Все вместе репарационные механизмы существенно снижают частоту ошибок в молекулах ДНК и направлены на поддержание стабильности наследственного материала. Однако, поскольку не все изменения структуры ДНК устраняются, возникают мутации, благодаря которым на Земле возникло разнообразие живых организмов.

Устранение ошибок ДНК-полимеразой

Прежде всего сама ДНК-полимераза при наращивании новой цепи ДНК проверяет, тот ли нуклеотид присоединяется к растущей нити.

Существуют измененные формы азотистых оснований, которые могут комплементарно связываться с нуклеотидами матрицы. Так измененная форма цитозина может связаться с аденином. Полимераза присоединит этот конечный нуклеотид к растущей цепи, но он быстро перейдет в свою обычную форму — станет обычным цитозином.

При этом водородные связи разрушаются (т. к. нарушается комплементарность), и на конце получается неспаренный нуклеотид, однако ковалентно соединенный с синтезируемой цепью. Полимераза не может далее наращивать цепь.

Сама полимераза или связанный с ней фермент редактирующая эндонуклеаза отщепляют последний «неправильный» нуклеотид.

В результате такого механизма самокоррекции частота ошибок репликации снижается в 10 раз. Если присоединение ошибочного нуклеотида на этапе синтеза ДНК составляет 10-5, то репарационная активность полимеразы снижает их количество до 10-6.

Репарационные механизмы

ДНК-полимераза исправляет часть ошибок репликации, но не все. Кроме того, изменения в последовательности нуклеотидов ДНК возникают и после ее удвоения. Так могут теряться пуриновые основания (аденин и гуанин), дезаминироваться цитозин, превращаясь в урацил.

Эти и другие изменения возникают обычно из-за содержащихся в окружающей хромосомы среде определенные химически активных вещества. Ряд подобных соединений нарушает нормальное спаривание оснований.

Под действием ультрафиолетового излучения два соседних остатка тимина могут образовать связи между собой, возникают тиминовые димеры.

Существует прямая репарация, когда, если это возможно, ферментативно восстанавливается исходная структура нуклеотидов, без их вырезания.

Эксцизионная, или дорепликативная, репарация осуществляется до очередного цикла репликации.

Существует класс ферментов, обнаруживающих измененные последовательности нуклеотидов в одной из комплементарных цепей ДНК. После этого происходит удаление ошибочного участка и его замена вновь синтезированным. При этом матрицей служит участок комплементарной «правильной» нити.

Ферменты репарации обычно обнаруживают ошибки на новой нити ДНК, а не матричной. Между двумя цепями одной молекулы ДНК небольшое различие, заключающееся в степени метилирования азотистых оснований.

У дочерней цепи оно отстает от синтеза. Ферменты распознают такую цепь и именно на ней исправляют участки, которые так или иначе не комплементарны участкам старой цепи.

Кроме того, сигналами могут служить разрывы нити, которая у эукариот синтезируется фрагментами.

Фермент эндонуклеаза способна обнаруживать утрату пуриновых оснований. Данный фермент разрывает фосфоэфирную связь в месте повреждения. Далее действует фермент экзонуклеаза, который удаляет участок, содержащий ошибку. После этого дыра застраивается согласно комплементарности матрице.

ДНК-гликозилазы – целый класс ферментов, распознающих повреждения ДНК в результате дезаминирования, алкилирования и других структурных изменений ее оснований. Гликозилазы удаляют именно основания, а не нуклеотиды. После этого участки нити ДНК без оснований репарируются также как при «починке» пуринов.

Следует отметить, что дезаминирование азотистых оснований может привести к невозможности восстановления исходной последовательности нуклеотидов. Происходит замена одних пар оснований другими (например, Ц-Г заменится на Т-А).

Ферменты, удаляющие участки с тиминовыми димерами, распознают не отдельные ошибочные основания, а более протяженные участки измененной ДНК. Здесь также происходит удаление участка и синтез на его месте нового. Кроме того димеры тимина могут устраняться самопроизвольно под действием света — так называемая световая репарация.

Пострепликативная репарация

Если дорепликативная репарация не исправила измененные участки ДНК, то в ходе репликации происходит их фиксация. Одна из дочерних молекул ДНК будет содержать изменения в обоих своих нитях. В ней одни пары комплементарных нуклеотидов заменены на другие, или появляются бреши во вновь синтезированной цепи напротив измененных участков матричной.

Система пострепликативной репарации способна распознавать такие изменения ДНК. На этом этапе устранение повреждений ДНК осуществляется путем обмена фрагментами (т. е. рекомбинацией) между двумя новыми молекулами ДНК, одна из которых содержит повреждение, другая — нет.

Так происходит с димерами тимина, которые не были удалены на предыдущих этапах. Между двумя рядом стоящими тиминами присутствуют ковалентные связи. Из-за этого они не способны связываться водородными связями с ковалентной цепью. В результате, когда на матричной цепи, содержащей тиминовый димер, синтезируется дочерняя цепь, в ней образуется брешь.

Этот разрыв распознается ферментами репарации. Понятно, что правильного участка у данной молекулы ДНК нет (одна нить содержит тиминовый димер, другая — дыру). Поэтому единственный выход — это взять участок ДНК со «здоровой» молекулы, который берется с матричной цепи этой молекулы ДНК. Образующаяся здесь дыра заполняется по принципу комплиментарности.

SOS-система

Значительная часть повреждений ДНК устраняется с помощью описанных репарационных механизмов. Однако если ошибок остается слишком много, то обычно включается так называемая SOS-система, состоящая из своей группы ферментов, которые могут заполнять дыры, не обязательно соблюдая принцип комплементарности. Поэтому срабатывание SOS-системы часто служит причиной возникновения мутаций.

Если же изменение ДНК слишком существенное, то репликация блокируется, и клетка не будет делиться.

plustilino © 2019. All Rights Reserved

Источник: https://biology.su/molecular/repair

Вылечим любую болезнь
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: