Свойства ДНК

Свойства ДНК определяются ее строением:

1. Универсальность - принципы построения ДНК для всех организмов одинаковы.

2. Специфичность - определяется соотношением азотистых оснований: А + Т,

Г + Ц

которое специфично для каждого вида. Так у человека оно составляет 1,35, у бактерий – 0,39

Специфичность зависит от:

· количества нуклеотидов

· вида нуклеотидов

· расположение нуклеотидов в цепи ДНК

2. Репликация или самоудвоение ДНК: ДНК↔ДНК. Генетическая программа клеточных организмов записана в нуклеотидной последовательности ДНК. Для сохранения уникальных свойств организма необходимо точное воспроизведение этой последовательности в каждом последующем поколении. Во время деления клетки содержание ДНК должно удвоиться, чтобы каждая дочерняя клетка могла получить полный спектр ДНК, т.е. в любой делящейся соматической клетке человека должно быть скопировано 6,4*10⁹ нуклеотидных пар. Процесс удвоения ДНК получил название репликации. Репликация относится к реакциям матричного синтеза. Во время репликации каждая из двух цепей ДНК служит матрицей для образования комплементарной (дочерней) цепи. Протекает она в S-период интерфазы клеточного цикла. Высокая надежность процесса репликации гарантирует практически безошибочную передачу генетической информации в ряду поколений. Пусковым сигналом для начала синтеза ДНК в S-периоде является так называемый S – фактор (специфические белки). Зная скорость репликации и длину хромосомы эукариот можно рассчитать время репликации, которое теоретически составляет несколько суток, а практически репликация осуществляется за 6 – 12 часов. Из этого следует, что репликация у эукариот одновременно начинается в нескольких местах на одной молекуле ДНК.

Единицей репликации является репликон. Репликон – это участок ДНК, где происходит репликация. Количество репликонов на одну интерфазную хромосому у эукариот может достигать 100 и более. В клетке млекопитающих может быть 20 – 30 тыс. репликонов, у человека – примерно 50 тыс. При фиксированной скорости роста цепи (у эукариот – 100 нуклеотидов в секунду) множественная инициация обеспечивает большую скорость процесса и снижение времени, необходимого для дупликации протяженных участков хромосом, т.е. у эукариот осуществляется полирепликонная репликация. (рис. 21)

Репликон содержит все необходимые гены и регуляторные последовательности, которые обеспечивают репликацию. Каждый репликон в процессе клеточного деления активируется один раз. Репликация контролируется на стадии инициации. Если процесс удвоения начался он будет продолжаться до тех пор, пока весь репликон не будет удвоен.

У прокариот вся ДНК является одним репликоном.

Рис.21. Репликация хромосомной ДНК эукариот. Репликация идет в двух направлениях из разных точек начала репликации (Ori) с образованием пузырьков. «Пузырь» или «глаз» это область реплицированной ДНК внутри нереплицированной. (А. С. Коничев, Г. А. Севастьянова, 2005, с. 213)

Ферменты, участвующие в процессе репликации, объединены в мультиферментативный комплекс. В репликации ДНК у прокариот участвует 15 ферментов, а у эукариот – более 30, т.е. репликация – это архисложный и суперточный многоступенчатый ферментативный процесс. В состав ферментативных комплексов входят следующие ферменты:

1) ДНК – полимеразы (I, III), катализируют комплементарное копирование, т.е. отвечают за рост дочерней цепи. (рис. 22) Прокариоты реплицируются со скоростью 1000 нуклеоти­дов в секунду, а эукариоты - 100 нуклеотидов в секунду. По­ниженная скорость синтеза у эукариот связана с затрудненной диссоциа­цией гистоновых белков, которые необходимо удалить для продвижения ДНК-полимеразы в репликативной вилке вдоль цепи ДНК.

2) ДНК - праймаза. ДНК – полимеразы могут удлинять полинуклеотидную цепь присоединяясь к уже имеющимся нуклеотидам. Поэтому, чтобы ДНК – полимераза смогла начать синтез ДНК, ей необходима затравка или праймер (от. англ. primer – затравка). ДНК – праймаза синтезирует такую затравку, которая затем замещается сегментами ДНК. (рис. 22).

3) ДНК – лигаза, соединяет фрагменты Оказаки друг с другом за счет образования фосфодиэфирной связи.

4) ДНК – хеликаза, расплетает спираль ДНК, разрывает водородные связи между ними. В результате образуются две одиночные разнонаправленные ветви ДНК (рис.22).

5) SSB – белки, связываются с одноцепочечной ДНК и стабилизируют её, т.е. они создают условия для комплементарного спаривания.

Репликация ДНК начинается не в любой случайной точке молекулы, а в специфических местах, называемых областью (точками) начала репликации (Ori). Они имеют определенные последовательности нуклеотидов, что облегчает разделение цепей (рис.21). В результате инициации репликации в точке Ori образуются одна или две репликативные вилки – места разделения материнских цепей ДНК. Процесс копирования продолжается до тех пор, пока ДНК полностью не удвоится или пока репликативные вилки двух соседних точек начала репликации не сольются. Точки начала репликации у эукариот разбросаны по хромосоме на расстоянии равном 20 000 пар нуклеотидов (рис.21).

Рис.22. Репликация ДНК (объяснение в тексте). (Б. Альбертс и др., 1994, т. 2, с. 82)

Фермент – хеликаза – разрывает водородные связи, т.е. расплетает двойную цепь, образуя две разнонаправленные ветви ДНК (рис.22). Одноцепочечные участки связываются специальными SSВ-белками, которые выстраиваются снаружи каждой материнской цепи и оттягивают их друг от друга. Это делает азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами. В месте схождения этих ветвей по направлению репликации ДНК располагается фермент ДНК-полимераза, который катализирует процесс и кон­тролирует точность комплементарного синтеза. Особенностью работы данного фермента является его однонаправленность, т.е. построение дочерней цепи ДНК идет по направ­лению от 5' конца к 3'. На одной материнской цепи синтез дочерней ДНК идет непрерывно (лидирующая цепь). Она растет от 5' к 3' концу в направлении движения репликативной вилки и поэтому нуждается только в одном акте инициации. На другой материнской цепи синтез дочерней цепи идет в виде коротких фрагментов с обычной 5' - 3' полярностью и при помощи ферментов – лигаз происходит их сшивание в одну неперывную отстающую цепь. Поэтому для синтеза отстающей цепи требуется несколько актов (точек) инициации.

Такой способ синтеза назван прерывистой репликацией. Фрагментные участки, син­тезированные на отстающей цепи, в честь первооткрывателя названы фрагментами Оказаки. Они обнаружены у всех реп­лицирующихся ДНК, как у прокариот, так и у эукариот. Их длина соответствует 1000 – 2000 нуклеотидам у прокариот и 100 – 200 у эукариот. Таким образом, в результате репликации образуются 2 идентичные молекулы ДНК, в которых одна цепь материнская, другая вновь синтезированная. Такой способ репликации называют полуконсервативным. Предположение о таком способе репликации было сделано Дж. Уотсоном и Ф. Криком, а доказано в 1958г. М. Мезелсоном и Ф. Сталем. После репликации хроматин представляет собой систему из 2 декомпактизированных молекул ДНК, объединенных цен­тромерой.

В процессе репликации могут возникать ошибки, которые у прокариот и эукариот бывают с одной и той же час­тотой - одна на 10⁸ -10¹⁰ нуклеотидов, т.е. в среднем 3 ошибки на геном. Это доказательство высокой точности и скоординированности процессов репликации.

Ошибки репликации исправляются ДНК-полимеразой III («механизм корректорской правки») или системой репараций.

2. Репарация - это свойство ДНК восстанавливать свою цело­стность, т.е. исправлять повреждения. Передача наследственной информации в неискаженном виде важнейшее условие выживания как отдельного организма, так и вида в целом. Большинство изменений вредны для клетки, они либо приводят к мутациям, либо блокируют репликацию ДНК, либо вызывают гибель клетки. ДНК постоянно подвергается действию спонтанных (ошибки репликации, нарушение структуры нуклеотида и т.д.) и индуцированных (УФ – облучение, ионизирующая радиация, химические и биологические мутагены) факторов среды. В ходе эволюции выработалась система позволяющая исправлять нарушения в ДНК – система репарации ДНК. В результате её активности на 1000 повреждений ДНК только одно приводит к мутациям. Повреждение - любое изменение ДНК, которое вызывает отклонение от обычной двуцепочечной структуры:

1) появление одноцепочечных разрывов;

2) удаление одного из оснований, в результате чего его го­молог остается неспаренным;

3) замещение одного основания в комплементарной паре другим, неправильно спа­ренным с основанием-партнером;

4) появление ковалентных связей между основаниями од­ной цепи ДНК или между основаниями на противоположных цепях.

Репарация может проходить до удвоения ДНК (дорепликативная репарация) и после удвоения ДНК (пострепликативная). В зависимости от характера мутагенов и степени повреждения ДНК в клетке идет световая (фотореактивация), темновая, SOS-репарация и др.

Считают, что фотореактивация идет в клетке, если повреж­дения ДНК вызваны естественными условиями (физиологические особенности организма, обычные факторы среды, в том числе - ультрафиолетовые лучи). Восстановление целостности ДНК при этом, происходит с участием видимого света: репаративный фермент активируется квантами видимо­го света, соединяется с поврежденной ДНК, разъединяет пиримидиновые димеры нарушенного участка и восстанавливает целостность нити ДНК.

Темновая репарация (эксцизионная) наблюдается после действия ионизи­рующей радиации, химических веществ и т.д. Она включает удаление поврежденного участка, восстановление нормальной структуры молекулы ДНК (рис.23). Для этого типа репарации необходима вторая комплементарная цепь ДНК. Темновая репарация многосту­пенчата, в ней участвует комплекс ферментов, а именно:

1)фермент, узнающий поврежденный участок цепи ДНК

2)ДНК – эндонуклеаза, делает разрыв в поврежденной цепи ДНК

3) экзонуклеаза удаляет измененную часть нити ДНК

4) ДНК – полимераза I синтезирует новый участок ДНК взамен удаленного

5)ДНК- лигаза сшивает конец старой нити ДНК с вновь синтезированной, т.е. замыкает два конца ДНК (рис.23). В темновой репарации у человека принимают участие 25 белков-ферментов.

При больших повреждениях ДНК, которые угрожают жизни клеток, включается SOS-репарация. SOS-репарация была открыта в 1974 году. Такой тип репарации отмечают после действия больших доз ионизирующей радиации. Ха­рактерная черта SOS-репарации - неточность восстановления первичной структуры ДНК, в связи с чем она получила назва­ние репарации, склонной к ошибкам. Главная цель SOS-репарации сохранить жизнеспособность клетки.

Нарушение в системе репарации могут приводить к преждевременному старению, развитию онкологических заболеваний, болезням аутоиммунной системы, гибели клетки или организма.

Рис. 23. Репарация поврежденной ДНК путем замены модифицированных нуклеотидных остатков (темновая репарация или эксцизионная). (М. Сингер, П. Берг, 1998, т. 1, с.100)