Биологический каталог




Биологическая химия

Автор Д.Г.Кнорре, С.Д.Мызина

е-мых участков ДНК. Некоторые наиболее четко установленные сведения об этих областях приведены в § 5.5 при рассмотрении процессов транскрипции- и при описании регуляции транскрипции (см. § 10.3).

Каждая программа, записанная на ДНК, может быть многократно транскрибирована, а каждая молекула мРНК, полученная при транскрипции определенного гена, может многократно участвовать в программировании трансляции. Поэтому в принципе клетке достаточно иметь по одной программе для каждого белка, каждой из рибосомных и транспортных РНК. Практически же некоторые, наиболее широко используемые программы, особенно у эукариот, имеются в виде нескольких или даже многих копий. Например, хромосомы эукариот содержат много десятков программ для рибосомных РНК и десятки — для каждой из всего набора транспортных РНК.

Даже эта достаточно сложная картина информационного содержания ДНК не является исчерпывающей. Полное представление о всем богатстве информации, заложенной в этих гигантских молекулах, еще подлежит выявлению. По-видимому, оно начнет постепенно вырисовываться по мере появления данных о полной структуре генома эукариот и в том числе генома человека, на установление которой направлены в настоящее время усилия огромной армии ученых всего мира.

Способность ДНК к точному самоудвоению при произвольной последовательности нуклеотидов в ее цепях заложена в самом принципе построения ДНК в виде двунитевой структуры со взаимно комплементарными последовательностями. Это означает, что каждая из цепей содержит полную информацию о строении противоположной цепи. Поэтому при расхождении цепей у каждой сохраняется информация, необходимая для воссоздания из мономеров новой цепи, идентичной ушедшей.

Рассмотренный принцип построения новых цепей ДНК на разошедшихся цепях исходной двунитевой ДНК (репликация ДНК) реализуется с помощью ферментов ДНК-полимераз. Биохимические процессы, лежащие в основе репликации ДНК, рассмотрены в § 5.4. Согласно изложенному принципу удвоение происходит так, что в составе новой двунитевой структуры содержится одна полностью сохранившаяся материнская цепь и одна вновь синтезированная дочерняя. Такую схему синтеза ДНК называют полуконсервативной.

Впервые полуконсервативный принцип репликации был экспериментально подтвержден в изящных экспериментах Мезельсона и Сталя. Бактерии E.coli были выращены на среде, содержащей в качестве единственного источника азота соли Естественно, что ДНК таких бактерий была построена из тяжелого

изотопа азота. Полученные клетки были перенесены на среду с легким изотопом азота HN, а ДНК, выделенная из клеток, прошедших один или два цикла деле-ний на этой среде, была подвергнута ультрацентрифугированию в градиенте плотности хлорида цезия (см. § 7.3). В такой системе разделение молекул полимеров проходит по их плавучей плотности, которая в случае молекул идентично-го химического строения однозначно определяется их изотопным составом. Схема и результаты эксперимента приведены на рис. 43. В полном соответствии с полу-консервативной схемой репликации ДНК из бактерий, прошедших один цикл

Дно Мениск

Рис. 43. Схема эксперимента Мезельсона и Стиля (слева) и профиль оптической плотногти при 260 нм (D2fi0) вдоль центрифужной ячейки при равновесном центрифугировании в градиенте концентрации CsCl ДНК из бактерий, выращенных в среде с ?5??^ (?), и ДНК

из первой (6) и из второй (в) генерации, полученных при последующем выращивании ни среде с ???^ (справа). Цифры 0, 1, 2 обозначают соответственно исходные цепи ДНК и

цепи, синтезированные в первом и втором циклах репликации

размножения на среде с 14?, была представлена одной полосой, соответствовавшей 50%-ному содержанию каждого из изотопов. ДНК, прошедшая два цикла репликации, представлена двумя полосами: одной, соответствовавшей 50%-ному содержанию каждого из изотопов, и второй, соответствовавшей 100%-ному содержанию изотопа l4N. Первый результат свидетельствовал, что при делении нити тяжелой ДНК разошлись и попали по одной в каждую из дочерних клеток. Второй результат показал сохранение исходных нитей, построенных из 15?, в половине клеток второй генерации.

Молекулы ДНК живых организмов неизбежно подвергаются действию различных повреждающих факторов: химических реагентов, ультрафиолетового облучения и более жесткой радиации. Двунитевая структура ДНК существенно уменьшает опасность необратимого повреждения наследственной информации. Если повреждение происходит на каком-то участке в пределах одной цепи, а вторая цепь на этом же участке оказывается незатронутой, то сохранившаяся в ней информация дает принципиальную возможность исправить повреждение. В клетках имеется большая группа ферментов, осуществляющих репарацию ДНК, т. е. занятых исправлением нарушений, возникших в наследственной программе на одной из цепей ДНК. Детальное рассмотрение системы репарации выходит за рамки данного курса. Общую, наиболее распространенную стратегию репарации можно рассмотреть на примере репарации повреждений, возникающих при действии азотистой кислоты, которая образуется в природе в результате грозовых разрядов в атмосфере и приносится на землю сопутствующими ливневыми дождями*-

*В настоящее время система репарации генетических повреждений, возникающих под действием азотистой кислоты, приобретает особое значение в связи с широким использованием нитритов в качестве удобрений, консервантов в пищевой промышленности и поступлением в атмосферу значительных количеств ?02 вместе с выхлопными газами. Ififi

— x-x-x-x-fc^ ?-?-?—

— x-x-x-x-^gJ-x-x-x —

— ?-?-х-х-и-х-х-х—(0)

— ?-х- х- x- g- х-х-х— (0)

— ? —X — ? — X—JdRib]- ?— ?— X— — х-х—X — X-j~— х-х-х-X-4_G^j-х-х-х— — х-х-X-X-|gJ-х-х-х —(0) |ву . — х-х-х-х-[и"}-х-х-х — (0)

—* X— —X-X-X-X-[aJ-X— ?— X — (1)

— х-х-х - х—[g]— х-х-х — hf)

+ ? — ?— X — JdRibl-X-X — X-X-X-????-?-?- ? —(0)

? 1---J _ _ _ _ I I _ _ _

— X-X-X-X-JC7-X-X-X- —?-?-?-?-??"}-?-?-? —(2)

— х- х-X- XHGj-X- X- ?- —X-X-X-X-jjkJ-Х-Х-? — ?)

Рис. 44. Схема альтернативных биохимических превращений ДНК в точке превращения цитозина в урацил (X и X — произвольные пары комплементарных нуклеотидов; символ d всюду опущен;- dRib - фрагмент дезоксирибозы, лишенный гетероцикла):

левая часть схемы - репарация: А - действие урацил-ДНК-гликозидазы; В - действиеэндонуклеа-зы; С - действие репарирующей ДНК-папимеразы. Правая часть - возникновение мутации: I и II — циклы репликации. Во втором цикле показан только результат репликации измененной ДНК. Цифры (0), (1), (2) обозначают соответственно исходную цепь после химического превращения, цепи, синтезированные в первом и втором циклах репликации

Азотистая кислота осуществляет дезаминирование экзоциклических аминогрупп гетероциклов, например приводит к превращению остатков цитозина в остатки Урацила по реакции

'VW ¦¦«v°VlV,H

c/v о* ''о-

В результате такого превращения в ходе последующей репликации на измененной нити на фрагменте, содержащем остаток урацила, произойдет отбор аденилового нуклеотида, т. е. возникнет дочерняя цепь, в которой вместо гуанина на одном звене окажется аденин. Таким образом, изменится информационное содержание молекул ДНК в одной из дочерних клеток. Во избежание таких повреждений в системе ферментов репарации существует специальный фермент, Урацил-ДНК-гликозидаза. катализирующий гидролиз гликозидной связи между

урацилом и остатком дезоксирибозы в молекулах ДНК. В результате такого гидролиза в ДНК появляется фрагмент дезоксирибозы, не содержащей гетероцикла. Такие фрагменты получили название, в зависимости от их происхождения, апиримидиновых или апуриновых фрагментов. Участки, в состав которых входят такие фрагменты, подвергаются действию специальной эндонуклеазы, которая гидролитически выщепляет из поврежденной цепи олигонуклеотид, содержащий апуриновый / апиримидино-вый фрагмент ^апурино/ апиримидинооая эндодезоксирибонуклеаза). На месте модифицированного участка полинуклеотид-ной цепи возникает брешь, которая застраивается с помощью работающей в системе ферментов репарации ДНК-по-лимеразы по информации, сохранившейся в неповрежденной нити, в результате чего полностью восстанавливается исходная структура участка (рис. 44).

Система репарации не является абсолютно совершенной, и с некоторой частотой возникают наследуемые изменения в структуре ДНК, подобно описанным при рассмотрении действия азотистой кислоты. Такие изменения получили название мутаций. Вещества, способствующие возникновению мутаций, называют мутагенами. В качестве еще одного примера мутагена можно привести 5-бромдезокси-уридин (рис. 45), который, будучи добавлен в среду для выращивания микроорганизмов или эукариотических клеток или при введении в живые организмы, может превращаться под действием ферментов в соответствующий нуклеотид и участвовать в процессе репликации. У бромдезоксиуридина по сравнению с ури-дином и тимином таутомерное равновесие между кето- и гидроксиформами в значительно большей мере смещено в сторону последней, хотя кетоформа остается доминирующей. Как видно из рис. 45, кетоформа сохраняет сродство к адени-ну, поэтому фрагменты бромдезоксиуридина преимущественно включаются в участки, на которых должен находиться дезокситимидин. Однако получающиеся матрицы из-за повышенного содержания гидрокситаутомера при участии в построении комплементарной цепи могут способствовать отбору в точке нахождения "фрагмента бромдезоксиуридина не аденилового, а гуанилового нуклеотида. На месте исходной пары А-Т образуется пара GBr5U. При последующем цикле репликации цепь, содержащая фрагмент дезоксигуанозина, будет способствовать отбору цитидилового нуклеотида, в результате чего образуется пара G-C. Схема возникновения такой пары на месте ранее существовавшей пары А-Т представлена на рис. 46. На схеме также показано, что с определенной вероятностью остаток дезоксигуанозина может отобрать не цитидиловый, а бромдезоксиуридиловый нуклеотид.

Наряду с описанными так называемыми точечными мутациями, приводящими

б

Рис. 45

страница 40
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109

Скачать книгу "Биологическая химия" (8.81Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.10.2017)