6. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

6.1. ГЕНОМ

Генетическая информация записана в виде пар нуклеотидов на двойной спирали ДНК. Блок информации, соответствующий какому-либо свойству или признаку, обозначают как ген. Полный набор генов называется геномом. Геном бактерий включает несколько тысяч генов, расположенных линейно на макромолекуле ДНК, называемой хромосомой. У прокариот имеется одна кольцевая хромосома на клетку (за исключением организмов, у которых не произошло деление и образовались, например, нитчатые формы), не отделенная от цитоплазмы мембраной и видимая на ультратонких срезах в виде клубка нитей в светлом пространстве (нуклеоида). У эукариот нити ДНК представляют сложные образования, так же называемые хромосомами, которых может быть много на клетку. Хромосомы эукариот отделены от цитоплазмы ядерной мембраной, образуя ядро. Цитологическое различие в строении генетического аппарата является основным в разграничении прокариот и эукариот, остальные признаки служат либо дополнительными, либо коррелирующими. Помимо хромосомы, у прокариот могут присутствовать небольшие кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами, которые не являются обязательными для генома данного вида. Плазмиды варьируют по величине и по численности в клетке от одной до многих десятков. Крупные плазмиды могут содержать сотни генов. Плазмиды относятся к экстрахромосомным носителям генетической информации.

Нуклеиновые кислоты представляют простые молекулы в виде нити из пентоз (дезоксирибоз для ДНК и рибоз для РНК), соединенных фосфодиэфирной связью. К остаткам пентоз присоединены азотистые основания - пурины, аденин (А) и гуанин (Г), и пиримидины, цитозин (Ц) и тимин (Т). Нить может оканчиваться либо фосфатом (5' конец), либо пентозой (3' конец).

Согласно правилу Чаргаффа, отношение между основаниями в ДНК строго стехиометрическое, но число пар Г + Ц или А + Т может варьировать. По числу преобладания тех или иных пар различают организмы с высоким или низким молярным содержанием ГЦ (ГЦ, моль %), величина которого обычно приводится

58

для вида. Молекула ДНК представляет двойную нить, в которой пары оснований располагаются строго друг против друга (А:Т, Г:Ц) и связаны водородными связями, приводящими к строению молекулы в виде "двойной спирали Уотсона-Крика". Генетическая информация определяется линейным порядком расположения оснований, их последовательностью. Техническая операция установления последовательности называется секвенированием и представляет сейчас важнейший технический метод молекулярной биологии. Геном содержит исчерпывающую характеристику организма и для бактерий имеет величину n·106 пар оснований (п. о.), в типичном случае около 5 млн п. о. Общая длина хромосомы составляет примерно 1 мм и, чтобы упаковать ее в нуклеоид размерами 0,1-0,5 мкм двойная нить сворачивается определенным образом.

Репликация ДНК представляет полуконсервативный процесс, в котором дочерние клетки получают по одной нити материнской и одной нити вновь синтезированной ДНК. Репликация хромосомы начинается в участке, называемом оriС (от англ, origin), присоединением белковых факторов инициации. Это сопровождается расплетением двойной спирали ДНК с образованием двух репликативных вилок, на каждой из которых начинается встречный синтез второй нити. Для синтеза существует сложный ферментный аппарат, обеспечивающий расплетение нитей (ДНК-гираза или топоизомераза), хеликаза, праймаза с праймером РНК, ДНК-полимераза I и ДНК-полимераза III. Их комплекс получил название реплисомы (рис. 20, 21). Для ее функционирования необходимо поступление предшественников в виде праймеров РНК, в свою очередь образуемых из пентоз, оснований, АТФ - из цитоплазмы и ферментов - из рибосомального аппарата.

Следующий этап представляет коррекция считывания, заключающаяся в удалении ошибочно вставленных оснований и замене их на правильные, а также модификация ряда оснований. Материнская нить ДНК имеет метилированные основания, а вновь синтезированная - нет. Коррекцию осуществляют ДНК-полимеразы I и III. Точность репликации ДНК очень высока и ошибки составляют менее 10-9. Для устранения повреждений в результате внешних воздействий, например радиационных, существуют системы репарации.

59

Рис.20. Реплисома (по J. Perry, J. Staley, 1997)
Рис.20. Реплисома (по J. Perry, J. Staley, 1997)
Образование на двойной нити кольцевой хромосомы прокариот двойной вилки включает следующие этапы: 1) - удаление тетрамеров белка Dna В с дуплекса ДНК у конца места начала репликации Ori С; 2) в месте вилки симметрично присоединяется праймаза с несколькими белками (Pri A, Pri В, Рп С, Dna Т); 3, 4) праймер РНК синтезируется праймазой для каждой нити ДНК; 5) - присоединяется димерная ДНК-полимераза III.

60

Рис.21. Действие реплисомы (по J. Perry, J. Staley, 1997)
Рис.21. Действие реплисомы (по J. Perry, J. Staley, 1997)
Дуплекс ДНК расплетается ДНК гиразой и хеликазой. Однонитевые участки покрываются дестабилизирующими SSB-белками. В промежуток добавляются праймеры РНК. Димерная ДНК полимераза III связана с нитью скользящим затвором и добавляет нуклеотиды к 3' концу ведущей нити. К ведомой нити добавляется фрагмент Оказаки. ДНК полимераза I и ДНК-лигаза удаляют праймеры, заменяя из соответствующими нуклеотидами.

Наиболее общим механизмом исправления ошибок служит вырезание поврежденного участка и репарация пробела комплементарно сохранившейся нити. Эндонуклеаза гидролизует фосфатные связи на несущей мутацию нити, а затем ДНК-полимераза I восстанавливает пробел. Распознавание поврежденных участков осуществляет SOS-система, вступающая в действие, когда вилка репликации попадает на поврежденное место.

Для ряда бактерий, преимущественно патогенных, составлены полные кольцевые карты ДНК с указанием расположения на них генов. Наиболее подробно изучена Escherichia coli, с которой сравнивают обычно все остальные бактерии. Важно отметить, что последовательности нуклеотидов дают точную характеристику вида организма для его идентификации, сравнимую с номером паспорта, но содержащую также и всю функциональную информацию, которую, однако, нужно уметь прочитать.

61

Одной из важнейших функций клетки служит защита от инородной информации. Для этого клетка обладает мощной и очень активной ДНКазой, гидролизующей инородную ДНК, не находящуюся в клетке в виде кольцевых молекул. Обмен генетической информацией предполагает обходные пути для преодоления этого барьера.

62

Rambler's Top100
Lib4all.Ru © 2010.