Сос репарация днк

Репарация ДНК

Сос репарация днк

Репликация обеспечивает самокопирование генетического материала. При этом, благодаря принципу комплементарности, весьма высока точность сопоставления нуклеотидных последовательностей дочерней цепи к матричной ДНК.

Кроме того, ДНК — достаточно химически инертное вещество, что обеспечивает ее большую стабильность по сравнению, например, с РНК. Однако этого мало, так как ДНК все же может повреждаться внешними воздействиями, также могут возникать ошибки на этапе репликации.

Поэтому в клетках должны существовать механизмы исправления повреждений и ошибок синтеза, т. е. выполняться репарация ДНК.

Существует целый ряд репарационных механизмов, выполняющихся на различных этапах синтеза ДНК, а также в зависимости от типа возникающих ошибок.

Все вместе репарационные механизмы существенно снижают частоту ошибок в молекулах ДНК и направлены на поддержание стабильности наследственного материала. Однако, поскольку не все изменения структуры ДНК устраняются, возникают мутации, благодаря которым на Земле возникло разнообразие живых организмов.

Устранение ошибок ДНК-полимеразой

Прежде всего сама ДНК-полимераза при наращивании новой цепи ДНК проверяет, тот ли нуклеотид присоединяется к растущей нити.

Существуют измененные формы азотистых оснований, которые могут комплементарно связываться с нуклеотидами матрицы. Так измененная форма цитозина может связаться с аденином. Полимераза присоединит этот конечный нуклеотид к растущей цепи, но он быстро перейдет в свою обычную форму — станет обычным цитозином.

При этом водородные связи разрушаются (т. к. нарушается комплементарность), и на конце получается неспаренный нуклеотид, однако ковалентно соединенный с синтезируемой цепью. Полимераза не может далее наращивать цепь.

[attention type=yellow]

Сама полимераза или связанный с ней фермент редактирующая эндонуклеаза отщепляют последний «неправильный» нуклеотид.

[/attention]

В результате такого механизма самокоррекции частота ошибок репликации снижается в 10 раз. Если присоединение ошибочного нуклеотида на этапе синтеза ДНК составляет 10-5, то репарационная активность полимеразы снижает их количество до 10-6.

Репарационные механизмы

ДНК-полимераза исправляет часть ошибок репликации, но не все. Кроме того, изменения в последовательности нуклеотидов ДНК возникают и после ее удвоения. Так могут теряться пуриновые основания (аденин и гуанин), дезаминироваться цитозин, превращаясь в урацил.

Эти и другие изменения возникают обычно из-за содержащихся в окружающей хромосомы среде определенные химически активных вещества. Ряд подобных соединений нарушает нормальное спаривание оснований.

Под действием ультрафиолетового излучения два соседних остатка тимина могут образовать связи между собой, возникают тиминовые димеры.

Существует прямая репарация, когда, если это возможно, ферментативно восстанавливается исходная структура нуклеотидов, без их вырезания.

Эксцизионная, или дорепликативная, репарация осуществляется до очередного цикла репликации.

Существует класс ферментов, обнаруживающих измененные последовательности нуклеотидов в одной из комплементарных цепей ДНК. После этого происходит удаление ошибочного участка и его замена вновь синтезированным. При этом матрицей служит участок комплементарной «правильной» нити.

Ферменты репарации обычно обнаруживают ошибки на новой нити ДНК, а не матричной. Между двумя цепями одной молекулы ДНК небольшое различие, заключающееся в степени метилирования азотистых оснований.

[attention type=red]

У дочерней цепи оно отстает от синтеза. Ферменты распознают такую цепь и именно на ней исправляют участки, которые так или иначе не комплементарны участкам старой цепи.

[/attention]

Кроме того, сигналами могут служить разрывы нити, которая у эукариот синтезируется фрагментами.

Фермент эндонуклеаза способна обнаруживать утрату пуриновых оснований. Данный фермент разрывает фосфоэфирную связь в месте повреждения. Далее действует фермент экзонуклеаза, который удаляет участок, содержащий ошибку. После этого дыра застраивается согласно комплементарности матрице.

ДНК-гликозилазы – целый класс ферментов, распознающих повреждения ДНК в результате дезаминирования, алкилирования и других структурных изменений ее оснований. Гликозилазы удаляют именно основания, а не нуклеотиды. После этого участки нити ДНК без оснований репарируются также как при «починке» пуринов.

Следует отметить, что дезаминирование азотистых оснований может привести к невозможности восстановления исходной последовательности нуклеотидов. Происходит замена одних пар оснований другими (например, Ц-Г заменится на Т-А).

Ферменты, удаляющие участки с тиминовыми димерами, распознают не отдельные ошибочные основания, а более протяженные участки измененной ДНК. Здесь также происходит удаление участка и синтез на его месте нового. Кроме того димеры тимина могут устраняться самопроизвольно под действием света — так называемая световая репарация.

Пострепликативная репарация

Если дорепликативная репарация не исправила измененные участки ДНК, то в ходе репликации происходит их фиксация. Одна из дочерних молекул ДНК будет содержать изменения в обоих своих нитях. В ней одни пары комплементарных нуклеотидов заменены на другие, или появляются бреши во вновь синтезированной цепи напротив измененных участков матричной.

Система пострепликативной репарации способна распознавать такие изменения ДНК. На этом этапе устранение повреждений ДНК осуществляется путем обмена фрагментами (т. е. рекомбинацией) между двумя новыми молекулами ДНК, одна из которых содержит повреждение, другая — нет.

Так происходит с димерами тимина, которые не были удалены на предыдущих этапах. Между двумя рядом стоящими тиминами присутствуют ковалентные связи. Из-за этого они не способны связываться водородными связями с ковалентной цепью. В результате, когда на матричной цепи, содержащей тиминовый димер, синтезируется дочерняя цепь, в ней образуется брешь.

[attention type=green]

Этот разрыв распознается ферментами репарации. Понятно, что правильного участка у данной молекулы ДНК нет (одна нить содержит тиминовый димер, другая — дыру). Поэтому единственный выход — это взять участок ДНК со «здоровой» молекулы, который берется с матричной цепи этой молекулы ДНК. Образующаяся здесь дыра заполняется по принципу комплиментарности.

[/attention]

SOS-система

Значительная часть повреждений ДНК устраняется с помощью описанных репарационных механизмов. Однако если ошибок остается слишком много, то обычно включается так называемая SOS-система, состоящая из своей группы ферментов, которые могут заполнять дыры, не обязательно соблюдая принцип комплементарности. Поэтому срабатывание SOS-системы часто служит причиной возникновения мутаций.

Если же изменение ДНК слишком существенное, то репликация блокируется, и клетка не будет делиться.

plustilino © 2019. All Rights Reserved

Источник: https://biology.su/molecular/repair

Сос репарация днк

Сос репарация днк

ЛЕКЦИИ

по курсу “Молекулярная биология”

Доц. каф. микробиологии и вирусологии

Соколова Ирина Евгеньевна

Тема 1. Репликация (синтез ДНК)

План

1. Молекулярные механизмы важнейших процессов клетки.

2. Характеристика процесса репликации.

3. Гипотетические механизмы репликации.

4. Ферменты и белки, принимающие участие в репликации.

5. Стадии репликации: инициация, элонгация, терминация (на примере E.coli).

6. Отличия репликации у эукариот и прокариот.

7. Тип репликации.

8.Проблема репликации линейных концов ДНК. Теломераза.

1. Молекулярные механизмы важнейших процессов клетки.

Помимо изучения структуры и функции ДНК, в задачи молекулярной биологии входит изучение сложнейших механизмов клетки на молекулярном уровне. К таким механизмам относят:

  • репликация– синтез ДНК, обеспечивающий воспроизведение генетической информации;

  • экспрессия генов– перевод информации с ДНК на белок, сначала путем транскрипции, а затем – трансляции на рибосомах;

  • регуляция экспрессии геновс использованием различных механизмов: позитивного и негативного контроля, индукции и репрессии, аутогенного контроля, катаболитной репрессии, аттенуации и др.;

  • процессы изменчивости генов:молекулярные механизмы мутации, рекомбинации, транспозиции;

  • репарация —восстановление повреждений ДНК, приобретенных в результате мутаций, рекомбинаций, транспозиций (прямая репарация, эксцизионная,SOS-индуцированная, пострепликативная и др. виды репарации).

В последние годы одними из важнейших задач молекулярной биологии стали: изучение генома человека и др. организмов, исследование рака, механизмов старения, апоптоза (запрограммированной гибели клетки), СПИДа, наследственных заболеваний, взаимодействия вируса и клетки-хозяина и др.

Репликация– это сложный процесс копирования (удвоения) ДНК, который обеспечивается генами самой ДНК. Репликация играет важную роль в прохождении таких процессов, как репарация, рекомбинация и транспозиция. Даже существование вирусов было бы не возможно без удвоения их нуклеиновых кислот. От слаженности этого процесса в конечном итоге зависит продолжительность жизни всех организмов.

3. Гипотетические механизмы репликации

В 1953г. Уотсон и Крик, сразу после создания модели ДНК, высказали предположение, что удвоение ДНК должно происходить путем разрыва водородных связей между двумя комплементарними цепями, и при этом каждая цепь является матрицей для синтеза новой дочерней цепи.

При делении клетки надвое, в каждую половинку попадает ДНК, состоящая из 1 старой и 1 новой цепи. Такой механизм репликации называется полуконсервативным.

Ученымибыло предложено на рассмотрение еще 2 других гипотетических механизма репликации:консервативный и диспересивный. Встречаются значительно реже.

Консервативный механизмпредполагал следующее: на одной из материнских цепей осуществляется синтез дочерней цепи, а образованная дочерняя цепь служит матрицей для синтеза еще одной дочерней цепи.

Но после деления клетки в одну половинку попадает 2 старых цепи ДНК, а в другую – 2 новых. Этот механизм довольно случаен и почти не встречается в природе, т.к.

невыгоден из-за возможного накопления мутаций в половине клеток популяции.

Дисперсивныймеханизм: подразумевал возможность рекомбинаций. После такой репликации в дочерних клетках должны оказаться ДНК, состоящие из фрагментов старого и нового материала (у эукариот это происходит в результате кроссинговера, но не репликации).

В 1957 г. Мезелсон и Сталь экспериментально доказали наличие у Е.coliполуконсервативного механизма репликации.

4. Ферменты и белки, принимающие участие в репликации

Репликация – это процесс матричного синтеза, так же как транскрипция и трансляция. Он высококоординирован и обслуживается большим количеством ферментов и белков (более 30). Изучены гены, кодирующие эти продукты.

Они обозначаются: dnaA,dnaB,dnaC,dnaD,dnaE,dnaI,dnaL,dnaM,dnaNи т.д.Кроме этих генов есть еще гены со специфическими названиями:lig(ген лигазы),rep(ген хеликазы лидирующей цепи),girA,girB(гены гиразы),top(гены топоизомераз).

Рассмотрим основные белки и ферменты, принимающие важное участие в процессе репликации.

  1. Белок-инициатор– продукт генаdnaA, узнаёт на ДНК точку начала репликации —origincenter (oriC).

    Это участок на хромосоме с достаточно большой протяженностью — несколько сотен нуклеотидов, насыщенный АТ-парами, в котором легко могут расходиться цепи; у Е.

    coliпри двунаправленной репликации он имеет протяженность – 440 нуклеотидов, при однонаправленной репликации – 245 нуклеотидов.

  2. РНКаза-Нобеспечивает избирательность начала репликации. Если по какой-то причине репликация началась не вoriC, то РНКаза-Н гидролизует образующуюся в неправильном месте затравочную цепь.

  3. Топоизомеразы (продукты геновtop)– ферменты, обеспечивающие пространственные превращения ДНК перед началом репликации и в процессе ее, способствует расплетанию и распутыванию ДНК перед репликацией. У Е.coliсуществует две топоизомеразы -top1 иtop2.

Топоизомераза 2 (top 2) или гираза– фермент, который обладает 2-мя функциями: 1-я функция – гираза обеспечивает проверку целостности ДНК путем отрицательного суперскручивания.

Если в ДНК имеется хоть 1 разрыв, то суперскручивание не будет происходить; 2-я функция – прямо противоположная — гираза делает в ДНК двухцепочечный разрыв и, протаскивая часть запутанной ДНК через разрыв, расплетает петли ДНК. Налидиксовая кислота и антибиотики группы фторхинолонов (норфлоксацин, офлоксацин, ципрофлоксацин и др.

) являются ингибиторами гиразы и используются, как лекарственное средство, при бактериальных инфекциях, т.к. блокированиеtop2 полностью прекращает репликацию и деление клетки.

Топоизомераза 1 (top 1)осуществляет одноцепочечный разрыв ДНК, присоединяется к 5/-концу разрыва, а 3`-конец начинает вращаться и раскручиваться относительно интактной цепи (неповрежденной). Т.о. возникает репликативная вилка.

  1. Хеликазы– ферменты, разрывающие водородные связи между азотистыми основаниями комплементарных цепей. На лидирующей цепи работаетхеликаза-rep, которая использует 2 молекулы АТФ на разрыв одной пары нуклеотидов.

    На отстающей цепи работает более сложнаяхеликаза dnaCdnaB, состоящая из 6 белков генаdnaCи 6 белков генаdnaB. Вспомогательную роль играют белкиn, n/, n//, i. Белокn` обладает АТФ-азной активностью, т.е.

    обеспечивает хеликазу энергией.

  2. Праймаза– фермент, обеспечивающий синтез небольших РНК-овых затравок —праймеров, с которых начинается впоследствии синтез ДНК.

Хеликаза dnaBdnaC, белкиn, n/, n//, i, а также праймаза образуют сложную частицу –праймосомуна отстающей цепи.

  1. SSBбелки(от англ.singlestrandbinding) – тетрамеры из 4 одинаковых субъединиц (М.м. каждой – 19 кДа), связываются с разведенными одиночными материнскими цепями ДНК, скользят по ним перед репликативной вилкой, убирая все случайные элементы, т.е. как бы «чистят» матрицы, не дают цепям ДНК ренатурировать (соединяться).

7. ДНК-полимеразы различны у эукариотов и прокариотов.

У прокариот выделяют 3 типа ДНК-полимераз:

1) ДНК-полимераза І – фермент с молекулярной массой — 109 кДа. В процессе ограниченного протеолиза фермент делится на 2 фрагмента: фрагмент Кленова (больший; используется в генной инженерии) и меньший фрагмент.

Фрагмент Кленоваобладает двумя ферментативными активностями —полимеризующей,т. е. ведет синтез ДНК-овой цепи в направлении 5/-3/, а также3/-экзонуклеазнойактивностью, т.е. способен отщеплять нуклеотиды с 3/-конца.

Меньший фрагмент ДНК-полимеразы обладает 5/-экзонуклеазнойактивностью и способен выщеплять неверные нуклеотиды с 5/-конца.

ДНК-полимераза Iпри репликации ДНК на стадии элонгации осуществляет вырезание РНК-овых праймеров и замену их на ДНК-овые последовательности. Этот фермент играет важную роль не только в репликации, но и в репарации.

2) ДНК-полимераза ІІ – фермент с молекулярной массой – 120 кДа, состоит из одной субъединицы, обладает теми же активностями, что и фрагмент Кленова, т.е.

полимеризующей и 3/-экзонуклеазной.В клетке его приблизительно в 4 раза меньше, чем ДНК-полимеразыI(около 100 молекул).

Этот фермент может дублировать функции ДНК-полимеразыIи так же играет роль в репарации.

3) ДНК-полимераза ІІІ – главный фермент репликации. Ведет синтез ДНК на лидирующей цепи непрерывно, на отстающей цепи – в пульсирующем ритме, а именно, в противоположном направлении синтезирует отдельные ДНК-овые фрагменты (фрагменты Оказаки).

Молекулярная масса фермента – 500 кДа. Он состоит из 7 субъединиц: α, β, γ, δ, ε, θ, τ. Действует в виде холорфермента — полного комплекса всех субъединиц. Кофактором ДНК-полимеразыІІІсчитаются ионыMg2+иZn2+.

[attention type=yellow]

Для некоторых субъединиц фермента установлены ферментативные активности, а именно:

[/attention]

α-субъединица – полимеризующая активность;

β-субъединица – АТФ-азная активность;

ε-субъединица – 3/-экзонуклеазная активность.

Фермент работает с высокой точностью (допускается не более 1 ошибки на 109нуклеотидов) и с высокой скоростью (у прокариот – 1000-1600 нуклеотидов в секунду).

8.. ДНК-полимеразы эукариот делят на α-, β-, γ-, δ- полимеразы:

  1. α-полимераза– молекулярная масса – 500 кДа, имеет 4 субъединицы. Обладает полимеризующей активностью и праймазной. Это главный фермент репликации у эукариот.

  2. β-полимераза— молекулярная масса – 40 кДа. Обладает полимеризующей активностью и играет роль в репарации.

  3. γ-полимеразамолекулярная масса – 50 кДа, имеет несколько субъединиц, обладает полимеризующей активностью, осуществляет синтез ДНК митохондрий.

  4. δ-полимеразамолекулярная масса – 120-150 кДа, имеет 2 субъединицы, обладает полимеризующей и 3`-экзонуклеазной активностями (убирает праймеры).

9.. Лигаза– фермент, осуществляющий сшивку фрагментов ДНК путем образования фосфодиэфирной связи между 3/-гидроксильным концом и 5/-фосфатным концом. У прокариот кофактором лигазы является НАД, у эукариот и фагов – АТФ.

Источник: studfile.net

Источник: https://naturalpeople.ru/sos-reparacija-dnk/

Сам себе врач
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: