Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
 Скачать 14.51 Mb.
|
|
1.2.3.4 Підтримування генетичної стабільності клітин • самокорекція ДНК • репарація ДНК Для забезпечення основних характеристик клітин і організмів даної популяції необхідне точне збері- гання структури і стабільності функцій генетичного 92 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя матеріалу впродовж тисяч і мільйонів років, незва- жаючи на дію різних мутагенних факторів. Для підтримання стабільної функції ДНК існує кілька ме- ханізмів. По перше, це висока хімічна стабільність самої молекули ДНК, а подруге, наявність спеці- альних механізмів самокорекції і репарації виника- ючих змін. Генетична інформація може надійно збе- рігатися в нуклеотидних послідовностях ДНК лише тому, що широкий набір різних реплікаційних фер- ментів здійснює безупинний "огляд" ДНК і видаляє з неї ушкоджені нуклеотиди. Під дією фізичних і хімічних агентів, а також при нормальному біосинтезі ДНК у ній можуть виника- ти ушкодження. Виявилося, що клітини мають ме- ханізми виправлення пошкоджень у нитках ДНК. Здатність клітин до виправлення пошкоджень у молекулах ДНК одержала назву репарації (від. лат. reparatio відновлення). Процес репарації ДНК полягає в тому, що гене- тична інформація подана в ДНК двома копіями по одній в кожному з двох ланцюгів подвійної спіралі ДНК. Завдяки цьому випадкове пошкодження водному з ланцюгів може бути видалено реплікаційним ферментом і ушкоджена ділянка ланцюга ресинте зована у своєму нормальному вигляді за рахунок інформації, що міститься в неушкодженому ланцюгу. За часом здійснення у клітинному циклі розріз- няють дореплікативну, реплікативну і постреп лікативну репарацію. Дореплікативна репарація. Це процес віднов- лення пошкодженої ДНК до її подвоєння. У найпрос- тіших випадках розриви можуть бути відновлені ферментом лігазою. В інших випадках використо- вується повна ферментативна система репарації (наведена нижче). Реплікативна репарація. Це сукупність про- цесів відновлення ДНК у ході реплікації. При цьому ушкоджена ділянка видаляється впродовж реплікації у зоні росту ланцюга. У забезпеченні високої точ- ності реплікації значна роль належить механізму самокорекції, який здійснюється ДНК полімеразою або тісно зв'язаним з нею ферментом ендонуклеа зою. Цей процес пов'язаний із визначенням помил- ково включеного в ланцюг нуклеотиду, відщеплен- ням його і заміною на відповідний. В результаті цього частота помилок знижується в 10 разів (з 10 5 10" 6 ). Постреплікативна репарація. її механізм точно не вивчений. При постреплікативній репарації відбувається вирізання пошкодженої ділянки і зши- вання кінців. При цьому клітина може зберігати життєздатність і передавати дефектну ДНК дочір- нім клітинам. Припускають можливість різних варіан- тів синтезу ДНК на пошкодженій матриці. За механізмами розвитку репарації розрізняють:' ексцизійну, неексцизійну, рекомбінативну репарацію. Ексцизійна репарація (вирізаюча). При екс цизійній репарації усуваються пошкодження, які з'я- вилися під впливом іонізуючої радіації, хімічних ре- човин та інших чинників. Це основний тип репарації, виявлений яку прокаріотів, так і у клітинах еукаріотів. Ексцизійна репарація ДНК відрізняється тим, що не тільки розрізаються димери (як при світловій), але й вирізаються великі ділянки молекули ДНК (до кількох сотень нуклеотидів). Очевидно, можуть видалятися цілі гени, після чого відбувається репа ративний комплементарний матричний синтез за до- помогою ферменту ДНК полімерази. На основі однієї з запропонованих моделей вста- новлено пять послідовних етапів ексцизійної репа- рації: 1) "розпізнавання" пошкодження ДНК ендо нуклеазою 2) розрізування ендонуклеазою одного з ланцюгів молекули ДНК поблизу пошкодження; 3) "вирізання" пошкодженої ділянки та її розширен- ня екзонуклеазою; 4) матричний синтез нового лан- цюга ДНК полімеразою (репаративна реплікація); 5) з'єднання новоутвореної ділянки з ниткою ДНК під впливом фермента ДНК лігази. Неексцизійна репарація. Фоторепарація. Здат- ність до репарації була виявлена у бактерій, які зазнавали впливу ультрафіолетових променів. В ре- зультаті опромінення цілісність молекул ДНК пору- шується, тому що в них виникають димери, тобто зчеплені між собою сусідні піримідинові основи. Димери можуть формуватися між двома тиміна ми, тиміном і цитозином, двома цитозинами, тимі ном і урацилом, двома урацилами. Однак опромі- нені клітини на світлі виживають набагато краще, ніж у темряві. Після ретельного аналізу причин цьо- го явища встановлено, що в пошкоджених кліти- нах на світлі відбувається репарація ДНК (фото- репарація). Вона здійснюється спеціальним ферментом ДНК фотолігазою, яка активується квантами видимого світла. Фермент з'єднується з по- шкодженою ДНК, роз'єднує зв'язки в димерах і відновлює цілісність нитки ДНК. Фермент ДНК Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини фотолігаза, що фотореактивує, не є видоспецифіч ним, тобто діє на різні види ДНК. У ньому є ціано кобаламін (вітамін В, що поглинає кванти видимого світла та передає енергію молекулі ферменту. На ранніх стадіях еволюції живих організмів, коли був відсутній озоновий екран, який затримує велику частину потоку згубних для організмів со- нячних ультрафіолетових променів, фоторепарація відігравала особливо важливу роль. Рекомбінатиена репарація. Якщо, наприклад, димери тиміну не усунуті до рекомбінації, то це призводить до зміни структури дочірніх ДНК. Такі порушення можуть'усуватися безпосередньо в процесі кросинговеру.. Але при цьому не відбу- вається усунення димеру, він видаляється вже після реплікації. Наслідки порушення процесу репарації. Виявлено кілька мутацій, які викликають тяжкі природжені захворювання внаслідок порушення про- цесу репарації. Прикладом може бути пігментна ксе- родерма рецесивна аутосомна мутація, що зустрі- чається досить рідко. Діти, гомозиготні за геном цієї мутації, при народженні виглядають нормально, але вже в ранньому віці під впливом ультрафіолето- вих променів сонячного світла у них з'являються зміни шкіри: ластовиння, розширення капілярів, оро- говіння шкіри, ураження очей, що повязано з по- шкодженням ДНК. У фібробластах, взятих із шкіри хворих на пігментну ксеродерму, процес репарації після ультрафіолетового опромінювання затягуєть- ся до ЗО году клітинах здорових людей 6 год) і не досягає рівня нормального. Тривалий вплив уль- трафіолету призводить, зрештою, до виникнення раку шкіри і летального кінця. У таких дітей відсутній один із ферментів репарації ДНК. Здатність клітин здійснювати ефективну репа- рацію генетичного матеріалу може мати значення також у клітинних механізмах старіння. Існують спо- стереження, що лінії мишей довгожителів відрізня- ються більш стабільними хромосомами, а в мишей із нетривалим терміном життя хромосоми харак- теризуються більшим пошкодженням, виникненням структурних аберацій, які є наслідком порушення процесів репарації. Існують спостереження, які свідчать про зниження інтенсивності процесів репа- рації ДНК з віком. Але важко сказати, чи ці зміни причина старіння організму, чи його наслідок. Генетичний код, його основні принципи і властивості • універсальність • триплетність • специфічність • виродженість • колінеарність • односпрямованість • неперекривність Генетичний код ДНК Унікальність кожної кліти- ни полягає в унікальності її білків. Клітини, що вико- нують різні функції, здатні синтезувати свої власні білки, використовуючи інформацію, що записана в молекулі ДНК. Ця інформація існує у вигляді особ- ливої послідовності азотистих основу ДНК і нази- вається генетичним кодом М. Гамов ще в 1954 р. припустив, що кодування інформації в ДНК може здійснюватися сполученням декількох нуклеотидів. Порядок азотистих основу іРНК, що побудована відповідно до матриці ДНК, визначає порядок зв'я- зування амінокислот у синтезованому поліпептиді. Встановлено, що кожна амінокислота кодується по- слідовністю трьох азотистих основ (триплетом, або кодоном. Одне з визначних досягнень біології XX сто- ліття розшифрування триплетного генетичного коду. Генетичний код є послідовністю триплетів у молекулі ДНК, що контролює порядок розташуван- ня амінокислот у молекулі білка. Послідовність нуклеотидів у молекулі ДНК кодує певну послідовність нуклеотидів в іРНК. Кожний триплет нуклеотидів кодує одну конкретну амінокис- лоту. Внаслідок трансляції, на основі генетичного коду на рибосомах синтезується необхідний білок. Чотири азотистих основи в комбінаціях по 3, тоб- то 4 3 , можуть утворити 64 різних кодони. У моле- кулі ДНК кожна основа входить до складу лише одного кодону. Тому код ДНК не перекривається. Кодони розташовуються один за одним безперерв- но. Оскільки можливих варіантів кодонів 64, аміно- кислот 20, то певні амінокислоти можуть кодува- тися різними триплетами (кодонами синонімами). Внаслідок цього генетичний код називають виро- дженим або надмірним. Дублюючі триплети від 94 1. 2. 3. 5 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя різняються лише за третім нуклеотидом. Є декілька амінокислот, які кодуються 3 4 різними кодонами (наприклад, амінокислота аланін кодується триплетами ЦГА, ЦГГ, ЦГТ, ГЦГ). Поряд з ними є аміно- кислоти, які кодуються двома триплетами, і тільки дві амінокислоти одним. Однак кожний триплет кодує тільки одну певну амінокислоту, що свідчить про його специфічність. Крім того, деякі триплети (АТТ, АЦТ, АТЦ) не кодують амінокислоти, а є своє- рідними "точками" термінації процесу зчитування інформації. Якщо процес синтезу доходить до такої точки" в молекулі ДНК, синтез даної РНК припи- няється. Встановлено кодони для всіх 20 аміно- кислот. Послідовність триплетів у ДНК визначає порядок розташування амінокислот у молекулі білка, тобто має місце колінеарність. Це означає, що положення кожної амінокислоти в поліпептид ному ланцюгу залежить від положення триплету в ДНК. Численними дослідженнями встановленаунг версальність генетичного коду. Він однаковий для всіх живих організмів, від бактерій до рослин і ссавців. Тобто у всіх живих організмів той самий триплет кодує ту ж амінокислоту. Це один знай- більш переконливих доказів спільності походжен- ня живої природи. Таким чином, генетичний код ДНК має такі фун- даментальні характеристики 1) триплетність (три сусідні азотисті основи називаються кодоном і ко- дують одну амінокислоту); 2) специфічність (кож- ний окремий триплет кодує тільки одну певну амі- нокислоту); 3) неперекривність (жодна азотиста основа одного кодону ніколи не входить до складу іншого кодону 4) відсутність розділових знаків (ге- нетичний код не має "пунктуаційних позначок" між кодуючими триплетами у структурних генах 5) уні- версальність (даний кодону ДНК або іРНК визна- чає ту саму амінокислоту в білкових системах всіх організмів від бактерій до людини); 6) надмірність одна амінокислота часто має більш ніж один кодо- вий триплет 7) колінеарність (ДНК є лінійним полі нуклеотидним ланцюгом, а білок лінійним поліпеп тидним. Послідовність амінокислот у білку відпові- дає послідовності триплетів у його гені. Тому ген і поліпептид, який він кодує, називають колінеарними); 8) відповідність гени поліпептиди (клітина може мати стільки поліпептидів, скільки має генів). ТАБЛИЦЯ 1.10. ГЕНЕТИЧНИЙ КОД ІРНК Положення азотистої основи в кодоні 1 е У 2 е У УУУ УУЦ УУА УУГ Фен Лей Ц УЦУ УЦЦ УЦА УЦГ Сер А УАУ УАЦ УАА УАГ Тир Стоп" ГУГУ УГЦ ЦГА УГГ Цис Стоп" Тре 3 є У Ц А ГЦ ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ Лей ЦЦУ ццц ЦЦА ЦЦГ Про ЦАУ ЦАЦ ЦАА ЦАГ Гіс Глі ЦГУ цгц ЦГА ЦГГ г У Ц АГА АУУ АУЦ АУА АУГ Ідей Мет; "Початок" АЦУ АЦЦ АЦА АЦГ Тре ААУ ААЦ AAA ААГ Асп Ліз АГУ АГЦ АГА АГГ Сер г У Ц А Г Г ГУУ ГУЦ ГУА ГУГ Вал ГЦУ ГЦЦ ГЦА ГЦГ Ала ГАУ ГАЦ ГАА ГАГ Асп Глу ГГУ Г Щ ГГА ГГГ Глі У Ц А Г 95 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Генетичний код іРНК. При транскрипції зако- дована інформація з матричного ланцюга ДНК пе- реписується на комплементарну молекулу ДНК. При цьому генетичний код ДНК перекладається в гене- тичний код іРНК. Код іРНК комплементарний коду ДНК. Наприклад, якщо в матричному ланцюгу ДНК розташовані ААГЦТАТГЦЦААА, тов молекулі іРНК знаходиться УУЦГАУАЦГГУУУ. Таким чином, ті ж самі амінокислоти кодуються на молекулі іРНК комплементарними триплетами (табл. 1.10). Характеристики коду ІРНК такі ж, як і для ДНК. Крім цього, іРНК має старт кодон АУЦ, який вми- кає початок синтезу, а стоп кодони УАА, УАГ, УГА зупиняють процес трансляції. Процес зчитування інформації відбувається водному напрямку. Так, якщо в молекулі ІРНК азо- тисті основи будуть розташовуватися в такому порядку ЦЦЦ УГУ УЦУ.., це означає, що по- слідовно закодовані такі амінокислоти: лізин, пролін, цистеїн, серин. Саме в цій послідовності вони по- винні знаходитися в поліпептидному ланцюгу при синтезі білка. Якщо в першому триплеті ІРНК буде втрачений один аденін, то порядок основ набуде такого вигляду: АА ЦЦЦ УГУ УЦУ... В результаті склад всіх триплетів зміниться. Перший триплет стане не AAA, а ААЦ. Подібний триплет кодує ас- парагінову амінокислоту, а не лізин, як раніше. Дру- гий триплет стане вже не ЦЦЦ, а ЦЦУ і т. д. Те ж відбувається при вставці нових основ. Таким чином, зникнення або вставка лише однієї основи може порушити синтез певної молекули білка. Рис. 1.56 Утворення ІРНК: 1 синтезована ІРНК; 2 РНК полімераза; 3 по- двійна спіраль ДНК 4 ДНК геліказа; 5 другий ланцюг, не матричний; 6 дестабілізувальний білок. матриці ДНК називається транскрипцією (від лат. transcriptio переписування). Цей процес відбу- вається, в основному, під час інтерфази. На генах матриці ДНК утворюються всі три типи РНК інформаційна, транспортна і рибосомальна. Зчитування спадкової інформації з генів регу- люється спеціальними білками. Зокрема, гістони не тільки забезпечують структурну організацію хроматину, але є репресорами, тому що перешкоджа- ють зчитуванню генетичної інформації. Початок зчитування генетичної інформації пов'язаний зі звільненням певної ділянки ланцюга ДНК (гена) від гістонів, після чого ген активується і з нього почи- нається зчитування спадкової інформації. Негісто нові білки мають здатність розпізнавати гени, і цим забезпечується синтез необхідних білків. Основні етапи транскрипції: 1. Ініціація. За сигналом з цитоплазми певна ділянка подвійної спіралі ДНК розкручується і роз- діляється на два ланцюги. Це відбувається за до- помогою ферменту гелікази, що зв'язується з ДНК рис. 1.56). Ферменти РНК полімерази забезпечу- ють утворення РНК, що зростають у довжину по мірі просування ферменту уздовж нитки ДНК. РНК полімераза починає синтезувати новий лан- цюг біля спеціального старт сигналу ДНК, що на- зивається промотором, і закінчує його біля стоп сигналу (сигнал термінації), після чого полімераза та синтезований готовий ланцюг РНК відокремлюють- ся один від одного. Ділянка ДНК між промотором і термінатором, яка транскрибується, називається 96 1.2.3.6 Транскрипція, процесинг, с пл айсинг Молекули ДНК кожної клітини містять інформа- цію для синтезу всіх необхідних їй білків. Молекули ДНК містяться в ядрі, а синтез білків відбувається в цитоплазмі. ДНК не може переміщуватися до місця синтезу білків у цитоплазму. Вона передає інформацію про структуру білків за участю специ- фічних молекул іРНК, що утворюються на ДНК і переносяться з ядра в цитоплазму до місця синтезу білків. У синтезі білків беруть участь також інші РНК (тРНК і рРНК). Утворення молекул РНК на 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя одиницею транскрипції. Молекула РНК, яка при цьому утворюється, називається первинним тран скриптом або про іРНК. Швидкість полімеризації при 37 С складає при- близно ЗО нуклеотидів засек, тому синтез ланцюга РНК довжиною 5000 нуклеотидів триває близько 3 хв. Один з двох ланцюгів ДНК, на якому йде транс- крипція, називається кодуючим ланцюгом. Другий ланцюг ДНК називається ланцюгом, що не кодує. Для різних білків кодувати можуть як один, так і другий ланцюги ДНК. 2. Елонгація процес нарощування полінуклео тидного ланцюга. Відповідні рибонуклеотиди при- єднуються до матричного ланцюга, згодом об'єдну- ються один з одним залишком фосфорної кислоти, створюючи ланцюг РНК. Процес каталізується РНК полімеразою і вимагає присутності іонів Mg 24 або М. Утворення іРНК відбувається на основі принципу комплементарності ланцюгів ДНК і РНК та антипаралельно відносно матричного ланцюга ДНК. Таким чином, сформований ланцюг РНК містить азотисті основи, комплементарні основам ланцюга ДНК, уздовж якого вони утворилися. Різні типи РНК в еукаріотів: інформаційна РНК (іРНК), рибосомальна РНК (рРНК). і транспортна РНК (тРНК) транскрибуються на різних ділянках генах) молекул ДНК. 3. Термінація. РНК полімераза рухається вздовж ланцюга ДНК і поступово переписує інфор- мацію на РНК. Цей процес завершується за досяг- нення ферментом специфічної нуклеотидної по- слідовності, що сигналізує про завершення транс- крипції (термінатори транскрипції АТТ, АЦТ і АТЦ). Ділянка молекули ДНК, що містить промотор, послідовність, яка транскрибується, та термі натор, називають гпранскриптоном (рис. 1.57). Ланцюг про іРНК відокремлюється від матричного ланцюга ДНК, зазнає процесингу і переноситься в цитоплазму крізь пори в ядерній оболонці. Вільна від іРНК ділянка молекули ДНК знову зв'язується водневими зв'язками з комплементарною ділянкою другого ланцюга. ДНК скручується в спіраль і набу- ває початкової форми. Окрема молекула ДНК може бути матрицею для синтезу багатьох копій різних молекул РНК, що утворюються одна за другою. Процесинг. Молекулярні механізми, пов'язані з "дозріванням" різних типів РНК, називаються Рис. 1.57 Структурно функціональна організація гена (транскриптон): 1 промотор 2 місце ініціації транскрипції: 3 кодуюча ділянка гена 4 термінатор транскрипції; 5 регуляторна ділянка. процесингом. Вони здійснюються в ядрі перед ви- ходом РНК із ядра в цитоплазму. Існувала думка, що іРНК комплементарна бу- дові ДНК, яка є матрицею. З'ясувалося, що комплементарною ДНК є тільки молекула попередниця інформаційної РНК (про іРНК). Молекули про іРНК набагато більші, ніж зрілі іРНК. Послідовність азо- тистих основу молекулі про іРНК, що утворилася, точно відтворює порядок чергування основу ДНК. Під час "дозрівання" інформаційної РНК у бактерій відбувається тільки відщеплення кінців молекула в еукаріотів і деяких вірусів цей процес набагато складніший. Молекула про іРНК містить у собі ряд інертних ділянок (інтронів), що не мають генів. У процесі "дозрівання" ІРНК спеціальні фермен- ти вирізають інтрони і зшивають активні ділянки, що залишилися (екзони) (рис. 1.58). Цей процес називається сплайсингом. Тому послідовність нук- леотидів у дозрілої іРНК не є цілком комплементарною нуклеотидам ДНК. В іРНК поруч можуть стояти такі нуклеотиди, комплементарні яким нук леотиди в ДНК знаходяться один від одного на значній відстані. Сплайсинг дуже точний процес. Його пору- шення змінює рамку зчитування при трансляції, що призводить до синтезу іншого пептиду. Точність ви- різання інтронів забезпечується розпізнаванням фер- ментів певних сигнальних послідовностей нуклео- тидів у молекулі про іРНК. У процесингу бере участь цілий ряд ферментів. Наприклад, за допомогою ферментів рестриктаз вирізаються інтронні ділянки, а екзонні ділянки, що залишаються, зшиваються за допомогою ферментів лігаз. Отже, молекули ІРНК або тРНК, що утворю- ються, мають менші розміри, ніж їх структурні гени. Наприклад, молекули про іРНК мають молекуляр |