|
|
Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
А+Г=Ц+Т, або А+Г/Ц+Т=1
IV. Відношення суми молярних концентрацій ГЦ до суми молярних концентрацій АТ у різних видів значно змінюється: Г+Ц/А+Т названо коефі-
цієнтом специфічності. Для бактерій коефіцієнт специфічності дорівнює 0,45 2,8, для вищих рослин, тварин і людини 0,45 0,94.
1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя Рис. 1.49 Е. Чаргафф (Ervin Chargaff) ( 1 9 0 5 2 0 0 2 ) .
V. Існують види ДНК, в яких АТ > ГЦ (АТ
тип) та ДНК, в яких А+Т<Г+Ц (ГЦ тип. АТ тип ДНК характерний для вищих рослин, тварин і лю- дини. ГЦ тип властивий грибам, бактеріям, вірусам.
Ці правила є основою встановлення хімічної і фізичної природи ДНК, просторової структури мо- лекули, а також механізму генетичного коду.
Видова специфічність ДНК За співвідношен- н ям (АТ) і (ГЦ) представники різних видів різняться між собою, причому у тварин переважає пара АТ, ау мікроорганізмів співвідношення (АТ) і (ГЦ) однакове. Ці явища використовують як один
із генетичних критеріїв визначення виду. У цьому полягає індивідуальна специфічність ДНК. У таб-
лиці 1.9 наведено приклади співвідношення основ ДНК різних видів організмів.
Просторова організація ДНК Молекула ДНК може існувати в різній конфігурації залежно від на- вколишніх умов. Відомо декілька форм ДНК а) В форма має стандартну структуру відповідно до мо- делі молекули Уотсона і Кріка і в нормальних фізіо- логічних умовах є основним структурним типом б) А форма виявлена у зневодненому середовищі, при високому вмісті калію і натрію. Така ДНК має дещо змінену спіралізацію; в) С форма має мен- ше основ на один виток, а значить інші фізичні характеристики г) Z форма на відміну від інших форм, закручена вліво. Деякі форми при зміні фізіо- логічних умов можуть переходити одна в одну, що додатково регулює роботу генів. Знання структури ДНК дозволило зрозуміти суть багатьох молекулярно генетичних процесів.
Отже, в молекулі ДНК можна виділити первин- ну структуру послідовність нуклеотидів у ланцю- гу, вторинну структуру два комплементарні анти паралельні ланцюги, з'єднані водневими зв'язками, і третинну структуру тривимірну спіраль. Зазна- чимо, що: а) геометрія спіралі ДНК залежить від послідовності нуклеотидів; б) значна частина ДНК не кодує білків або РНК в) кожний ген це складна функціонально активна одиниця, призначена для регульованого синтезу РНК.
Рибонуклеїнові кислоти (РНК Спадкова
інформація зберігається в молекулі ДНК. Проте ДНК не бере участі в життєдіяльності клітин. Роль посередників у передачі спадкової інформації від ДНК у цитоплазму відіграють рибонуклеїнові кис- лоти. Взаємовідносини ДНК, РНК і білків можна представити у вигляді схеми ДНК —> РНК —> білок. У цьому випадку один з ланцюгів ДНК є матрицею для молекул РНК, що, зокрема, є матрицями синтезу білків або входять до складу рибосом чи переносять амінокислоти. РНК мають вигляд довгих нерозгалужених полі- мерних молекул, що складаються з одного ланцю- га. Одноланцюгові РНК можуть утворювати под- війні спіралі, якщо різні частини ланцюга мають ан типаралельні комплементарні сегменти, пов'язані один з одним (рис. 1.50). У частини вірусів РНК є носієм спадкової інформації за відсутності ДНК.
Деякі РНК мають каталітичну активність на певні клітинні процеси. РНК полімер рибонуклеотидів, що складаються із фосфорної кислоти, рибози й азо- тистих основ (аденін, гуанін, цитозин, урацил. Рибоза разом із залишками фосфорної кислоти утво- рює скелет молекули, на якому розташовані азотисті основи. Усі різновиди РНК синтезуються на молекулах ДНК за участю ферментів РНК полімераз на основі принципу комплементарності. При цьому в синтезованій молекулі аденін ДНК комплементар
87
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Рис. 1.50
Будова РНК 1 лінійна молекула РНК 2 утворення певної молекули РНК за рахунок комплементарного з'єднання азотистих основ того ж
ланцюга.
ний урацилу РНК, а гуанін цитозину. Якщо вміст ДНК у клітинах постійний, то вміст РНК дуже ко- ливається у залежності від типу клітини, інтенсив- ності метаболізму і синтезу білків.
Молекули РНК мають багато спільного зі структурою ДНК, але відрізняються низкою ознак: а) вуг- леводом РНК є рибоза, б) РНК не містить тиміну, його місце в молекулі займає урацил, в) РНК одноланцю гова молекула, г) правила Чаргаффа не виконуються.
Типи РНК На основі розміру, структури і функції молекул розрізняють три типи РНК, характерних як для прокаріотів, так і для еукаріотів.
Інформаційна РНК (іРНК). її молекули утворю- ються на певних ділянках ДНК, мають назву струк-
турних генів, у вигляді комплементарної копії ділян- ки одного з її ланцюгів. Вони несуть закодовану
інформацію первинної структури білків у цитоплазму, де прикріплюються до рибосом і реалізують цю
інформацію.
Інформаційна РНК є матрицею для синтезу полі- пептидів (білків), тому її називають також матричною Матрична РНК є шаблоном, на якому буду- ються поліпептиди відповідно до закладеної гене- тичної інформації. Звичайно, вона несе інформацію про синтез тільки однієї молекули білка це так звана моноцистронна іРНК. Іноді вона містить де- кілька цистронів, розташованих поряд, для різних білків і відома під назвою поліцистронна іРНК. Інформа- ційна РНК містить інформацію про порядок розта- шування амінокислот у синтезованому білку. Розта- шування амінокислот кодується чіткою послідовніс- тю нуклеотидів у молекулі іРНК (генетичний код.
Кожній амінокислоті відповідає свій триплет" нуклео- тидів (кодон. Молекули іРНК складаються з 300—
3000 нуклеотидів. Вони становлять 0,5 3,0 % маси всіх РНК клітини. Інформаційна РНК утворюється в ядрі у вигляді незрілої про іРНК, яка містить і неінфор мативні послідовності нуклеотидів інтрони. В резуль- таті процесингу (вирізання інтронних ділянок) вона "дозріває" і надходить у цитоплазму, де відразу при-
єднується до рибосом. Проте іноді іРНК може нако- пичуватися у клітинах, зв'язуватися із спеціальними білками, що "консервують" її, з утворенням інфор
мосом. У такому вигляді інформація може тривалий час зберігатися у клітинах. Поштовхом для їх вико- ристання є фізіологічні зміни в клітині, що призводять до активації синтезу білка. Наприклад, в овоциті на- копичується багато інформосом, а їх іРНК починає функціонувати тільки після запліднення.
Транспортна РНК (тРНК). Молекули тРНК утворюються на спеціальних генах. Транспортні РНК короткі, однониткові, мають форму листка ко- нюшини (рис. 1.51) завдяки комплементарному спо- лученню основ на різних ділянках ланцюга, склада- ються з невеликого числа нуклеотидів 75 90. Від загальної маси РНК на тРНК припадає близько 10 15 %. Молекули тРНК переносять до місць синтезу білків тільки відповідні їм амінокислоти з цитоп- лазми. Кожній амінокислоті відповідає своя тРНК внаслідок особливостей нуклеотидної послідовності та просторової структури. Молекули тРНК мають чотири важливі ділянки: а) транспортну; б) антико дон в) ділянку приєднання фермента г) ділянку зв'язування з рибосомою. До транспортної ділянки приєднується специфіч- на амінокислота. Вона утворена двома комплемен- тарними кінцевими ділянками РНК, 3' кінець якої складається з семи пар основ, він довший і формує одноланцюгову ділянку, що закінчується послідов- ністю ЦЦА з вільною ОН групою. До цієї групи при-
єднується амінокислота, що транспортується.
88
1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя Рис. 1.51
Будова молекули тРНК: 1 петля 1;2 петля 2; 3 петля 3; 4 акцепторний кінець; 5 ОН 3 ' кінець; 6 5 ' кінець; 7 антикодон; 8 модифікаційні нуклеотиди. Антикодон складається з пяти нуклеотидів. У центрі три специфічних рибонуклеотиди (триплет. Азотисті основи антикодона мають комплементар- ний триплет на ланцюгу іРНК, цей триплет нази- вається кодоном У період синтезу білка антико- дон знаходить відповідний йому кодон на іРНК і тим- часово приєднується до нього водневими зв'язками.
Ділянка приєднання ферменту це спеціальна час- тина молекули тРНК для специфічного зв'язування з ферментом аміноацил тРНК синтетазою, що ка- талізує приєднання амінокислоти до молекули тРНК.
Ділянка зв'язування з рибосомою особлива частина молекули (певна послідовність нуклеотидів) тРНК, що потрібна для прикріплення до рибосоми. На рис. 1.51 ліворуч наведена схема спарювання основу відповідних ділянках молекули (структура "конюшинового листка, а праворуч тривимірна модель конфігурації молекули. Один кінець моле- кули (акцепторний) призначений для приєднання амі- нокислот, а другий містить антикодон, що складаєть- ся з трьох нуклеотидів. Рибосомальна РНК (рРНК). Рибосомальна РНК утворюється на спеціальних генах ДНК в ядерці. Рибосомальна РНК велика одноланцюго ва розгалужена молекула, що включає 3000 5000 нуклеотидів. Із загальної маси РНК на її частку при- падає до 90 %. У каріоплазмі рРНК і різні білки об'єднуються у співвідношенні 1:1 для утворення малих і великих субодиниць рибосом. Рибосомальна РНК утворює структурний каркас рибосоми, їй належить важлива роль у процесі синтезу білків. Рибосомальна РНК забезпечує зв'я- зування іРНК з рибосомами за допомогою певних послідовностей нуклеотидів. Таким чином встанов- люється початок і рамка зчитування інформації з іРНК. Багато білків рибосом виконують не тільки структурну, але й ферментативну функцію. Таким чином, чотири різновиди нуклеїнових кислот мають багато спільного в будові, але викону- ють різноманітні функції. 1.2.3.3 Реплікація ДНК Унікальна властивість молекули ДНК подвою- ватися перед поділом клітини називається ре-плікацією. Ця властивість зумовлена особливі- стю будови молекули ДНК, що складається з двох комплементарних ланцюгів. Реплікація відбу- вається в ядрі під час S періоду інтерфази. На цей час хромосоми під світловим мікроскопом не виявляються. 89 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Реплікація ДНК найважливіший молекулярний процес, що є в основі всіх різновидів поділу клітин, усіх типів розмноження, а, значить, в основі забез- печення тривалого існування окремих індивідуумів, популяцій і всіх видів живих організмів. Для кожного виду дуже важливо підтримувати сталість свого генотипу та фенотипу, а значить, зберігати незмін- ність нуклеотидної послідовності генетичного коду. Для цього необхідно абсолютно точно відтворювати молекули ДНК перед кожним поділом клітини, тобто основне функціональне значення реплікації забезпе- чення нащадка стабільною генетичною інформацією розвитку, функціонування і поведінки. Напівконсервативний шлях реплікації ДНК. Встановлено (М. Мезельсон, Ф. Сталь, що в про- цесі реплікації дві нитки ДНК розділяються, кожна з них є шаблоном (матрицею) для синтезу вздовж неї нової нитки. Послідовність основ, що повинні бути в нових нитках, можна легко передбачити, тому що вони комплементарні основам, що присутні уста- рих нитках. Таким чином, утворюються дві дочірні молекули, ідентичні материнській. Кожна дочірня молекула складається з однієї старої (материнсь- кої) нитки й однієї нової нитки. Оскільки тільки одна Рис. 1.52 Напівконсервативний механізм реплікацм ДНК / батьківська молекула ДНК 2 нова дочірня молекула ДНК З материнський лан-
цюг; 4 дочірній ланцюг. Рис. 1.53 Процес реплікації ДНК 7 синтезований ланцюг; 2 матриця для синтезу ведучого ланцюга; 3 ДНК полімераза на ведучому ланцюгу;
4 ДНК геліказа; 5 дестабілізуючий білок; 6 ДНК праймаза; 7 прай
мер; 8 матриця для синтезу відстаючого ланцюга; 9 ДНК полімераза на відстаючому ланцюгу.
материнська нитка збережена в кожній дочірній молекулі, такий тип реплікації має назву напівкон
сервативного (рис. 1.52).
Кожен з двох ланцюгів материнської молекули ДНК використовується як матриця для синтезу но- вих комплементарних ланцюгів.
Механізм реплікації ДНК Реплікація ДНК складний, багатоступеневий процес, що вимагає залучення великої кількості спеціальних білків і фер- ментів. Наприклад, ініціаторні білки утворюють ре плікаційну вилку, ДНК топоізомерази розкручують ланцюги, ДНК геліказа і дестабілізуючий білок роз- щеплюють ДНК на два окремих ланцюги, ДНК полі- мераза і ДНК праймаза каталізують полімериза- цію нуклеотидтрифосфатів і утворення нового лан- цюга, ДНК лігази руйнують РНК затравки на відстаючих ланцюгах ДНК та ін. (рис. 1.53). Про- цес відбувається аналогічно яку прокаріотів, так і в еукаріотів, хоча дещо відрізняється за швидкістю, спрямованістю, кількістю точок реплікації тощо.
Швидкість реплікації в еукаріотів дуже велика і скла- дає 50 нуклеотидів за секунду, а в прокаріотів ще вища до 2000 нуклеотидів за секунду.
Точність реплікації забезпечується комплементарною взаємодією азотистих основ матричного ланцюга і ланцюга, що будується. Крім цього, весь процес контролюється ДНК полімеразою, що само корегує та усуває помилки синтезу.
90
1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя Основні етапи реплікації: 1. Ініціація (від лат initialis первинний, по- чатковий). Активація дезоксирибонуклеотидів. Моно- фосфати дезоксирибонуклеотидів (АМФ, ГМФ, ЦМФ, ТМФ) знаходяться у стані "вільного плавання" в ядрі і є "сировиною" для синтезу ДНК. Для включення в ДНК вони активуються в результаті взаємодії з АТФ. Ця реакція називається фосфорилуванням і каталізується ферментом фосфорилазою. При цьо- му утворюються трифосфати дезоксирибонуклео- тидів, такі як АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ. У такому ви- гляді вони енергезовані та здатні до полімеризації. Розпізнавання точки ініціації. Розкручування ДНК починається з певної точки. Така особлива точка називається точкою ініціації реплікації (спеціаль- на послідовність нуклеотидів). Для визначення точки ініціації необхідні специфічні білки ініціатори. У вірусів і прокаріотів є тільки одна точка ініціації. В еукаріотів, що мають великі молекули ДНК, може бути багато точок ініціації реплікації, що, зрештою, зливаються одна з одною при повному роз'єднанні ланцюгів ДНК. Реплікація обох ланцюгів ДНК відбувається од- ночасно і безупинно. Розкручування молекули ДНК Подвійна спіраль ДНК розкручується і розгортається на окремі нитки ДНК шляхом розриву слабких водневих зв'язків між комплементарними нуклеотидами. Цей процес забез- печують ферменти гелікази. Оголені основи АТ, Г і Ц обох ланцюгів проектуються в каріоплазму.
Ферменти, що названі топоізомеразами, розрива- ють і заново зшивають окремі нитки ДНК, допомага- ють розкручуванню спіралі. Завдяки роз'єднанню лан- цюгів ДНК виникають реплікаційні вилки. Нові нитки ДНК утворюються накожному із звільнених ланцюгів,
їх ріст відбувається в протилежних напрямках.
2. Елонгація. Вільні трифосфати дезоксирибо- нуклеотидів своїми азотистими основами приєдну- ються водневими зв'язками до азотистих основ обох ланцюгів ДНК, відповідно до правила комплемен тарності, тобто АТ, Ц Г (рис. 1.54). Елонгація це додавання дезоксирибонуклеоти ду до З' кінця ланцюга, що росте. Процес каталі- зується ДНК полімеразою. Трифосфати дезоксирибонуклеотидів (тринуклео тиди), приєднуючись до кожного ланцюга ДНК, розривають свої внутрішні високоенергетичні зв'яз- кий утворюють монофосфати дезоксирибонуклео- тидів (мононуклеотиди), що є звичайними компо Рис. 1.54 Елонгація основна реакція при синтезі нових молекул ДНК 1 НО- ВИЙ синтезований ланцюг; 2 матричний ланцюг ДНК 3 рибонуклеотидтрифосфат, що надходить; 4 основа. нентами ДНК. При цьому в нуклеоплазму надхо- дять пірофосфатні молекули, що звільнилися (РР). Утворення нових ланцюгів ДНК У подальшо- му приєднані сусідні нуклеотиди зв'язуються між собою фосфорними залишками та утворюють новий ланцюг ДНК. Процес каталізується ферментом ДНК полімеразою. При цьому необхідна присутність
іонів металів Мп
2+
або Mg
2+
. ДНК полімераза може полімеризувати дезоксирибонуклеотиди в напрямку
5 3', тобто від вуглецевого 5' кінця до вуглецевого З' кінця молекул ДНК. Оскільки дві нитки ДНК є антипаралельними, нові нитки повинні утворюватися на старих (материнських) нитках у протилежних на- прямках. Одна нова нитка утворюється в напрямку
5' 3'. Ця нитка називається провідною. На другій материнській нитці утворюються короткі сегменти ДНК у напрямку 3' 5'. Згодом вони з'єднуються разом, утворюючи довгу відстаючу нитку (рис. 1.55). Утворення праймерів. На відстаючій нитці спо- чатку утворюється короткий ланцюг РНК за шаблоном ДНК. Вона називається РНК праймером і містить послідовність із 10 60 нуклеотидів. Фермент праймаза каталізує полімеризацію блоків РНК АУ, ГЦ) у праймері. РНК праймер утворюється тому, що ДНК полімераза не може ініціювати син 91 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Рис. 1.55
Утворення праймерів другого ланцюга ДНК і синтез відстаючо-
го дочірнього ланцюга: 1 праймер; 2 синтез відстаючого ланцюга; З синтез провідного ланцюга; 4 фрагмент Окадзакі; 5 синтезовані
ланцюги ДНК. тез нової нитки ДНК у відстаючому ланцюгу в на- прямку 3' 5', вона тільки може каталізувати її ріст.
Праймери пізніше віддаляються, а порожнини, які утворилися, заповнюються дезоксирибонуклеотида ми ДНК у напрямку 5' 3', що завершує побудову другого ланцюга. На місці праймерів утворюються фрагменти нового ланцюга ДНК, які називаються фрагментами Окадзакі і складаються із 100 200 нуклеотидів. Ці фрагменти легуються (зшива- ються) полінуклеотидлігазами, в результаті чого ут- ворюється другий повноцінний ланцюг. Цей процес називається дозріванням.
Редагування. Чітка комплементарність пар основ забезпечує точну реплікацію ДНК. Однак іноді виникають помилки в приєднанні основ. Вони вида- ляються ДНК полімеразою, яка для цього знову зв'язується з молекулами ДНК (репарація).
3. Термінація (від лат terminalis — кінцевий).
Після завершення процесу реплікації молекули, що утворилися, розділяються, і кожна дочірня нитка ДНК скручується разом з материнською в подвійну спіраль. Так утворюються дві молекули ДНК, іден- тичні материнській. Вони формуються окремими фрагментами по довжині хромосоми. Такий окре- мий фрагмент ДНК, що подвоюється на одній хро- мосомі, називається репліконом. Виникає відразу декілька репліконів, причому асинхронной у різних
її ділянках. Процес реплікації стосується всієї хромо- соми та перебігає практично одночасно, з однако- вою швидкістю. Після завершення реплікації в реплі
конах вони зшиваються ферментами в одну молекулу ДНК. У клітині людини, що ділиться, утворюєть- ся більше 50000 репліконів одночасно. Довжина кожного з них 30 мкм. Завдяки великій кількості реплі- конів швидкість реплікації збільшується в тисячі разів.
Тривалість процесу подвоєння генетичного матеріа- лу складає приблизно 10 год. Ділянки хромосом, де починається реплікація, називаються точками ініціації.
Вважають, що це, ймовірно, місця прикріплення інтер фазних хромосом до білків ламели ядерної оболон- ки. Процес включається цитоплазматичним фактором невідомої природи, що надходить в ядро..Реплі- кація перебігає в строго визначеному порядку, тобто спочатку починають реплікуватись одні ділянки хромосома пізніше інші. У синтетичному періоді інтер фази подвоюється також і кількість гістонових білків, що асоціюються із синтезованими ДНК і утворю- ють класичну структуру хроматину. Порушення точ- ності реплікації призводить до порушення синтезу білків і розвитку патологічних змін клітин і органів.
Значення реплікації: а) процес є важливим моле- кулярним механізмом, що лежить в основі всіх різно- видів поділу клітин про й еукаріотів; б) забезпечує всі типи розмноження як одноклітинних, так і багатоклі- тинних організмів; в) підтримує сталість клітинного складу органів, тканин і організму внаслідок фізіоло- гічної регенерації; г) забезпечує тривале існування окремих індивідуумів; д) забезпечує тривале існу- вання видів організмів; є) процес сприяє точному по- двоєнню інформації; ж) у процесі реплікації можливі помилки (мутації), що може призводити до порушень синтезу білків з розвитком патологічних змін.
|
|
|
Скачать 14.51 Mb.