БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984

ТОМ 3

Часть IV ИНФОРМАЦИЯ

ГЛАВА 24 ДНК: ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РОЛЬ, СТРУКТУРА И РЕПЛИКАЦИЯ

Заключение

ДНК - молекула наследственности у всех прокариотических и эукариотических организмов. У вирусов роль генетического материала выполняет либо ДНК, либо РНК. Любая клеточная ДНК представляет собой две очень длинные спиральные полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси. Две цепи двойной спирали ориентированы в противоположном направлении (антипараллельны). Сахарофосфатный остов каждой цепи лежит снаружи двойной спирали, а пуриновые и пиримидиновые основания - внутри. Две цепи удерживаются вместе водородными связями между парами оснований. Аденин (А) всегда спаривается с тимином (Т), а гуанин (G) - c цитозином (С). Таким образом, цепи двойной спирали взаимно комплементарны. Генетическая информация закодирована в последовательности оснований вдоль цепи. Большинство молекул ДНК имеет кольцевую форму. Ось двойной спирали кольцевой ДНК может сама закручиваться и образовывать суперспираль. Суперспирализованная ДНК имеет более компактную форму, чем релаксированная ДНК.

При репликации ДНК две цепи двойной спирали расплетаются и расходятся по мере того, как синтезируются новые цепи. Каждая родительская цепь служит матрицей для образования новой комплементарной цепи. Таким образом, репликация ДНК полуконсервативна - каждая дочерняя молекула получает одну цепь родительской молекулы ДНК. Репликация ДНК - сложный процесс, в осуществлении которого участвует много белков, в том числе ДНК-полимеразы трех типов и ДНК-лигаза. Активированные предшественники синтеза ДНК - четыре дезокси- рибонуклеозид-5'-трифосфаты. Новая цепь синтезируется в направлении 5' → 3'. Этот синтез осуществляется путем нуклеофильной атаки внутреннего атома фосфора очередного дезоксинуклеозидтрифосфата 3'-гидроксильным концом цепи затравки. Самое важное состоит в том, что ДНК-полимераза катализирует образование фосфодиэфирной связи только в том случае, если основание очередного нуклеотида комплементарно основанию матричной цепи. Другими словами, ДНК-полимеразы — ферменты, направляемые матрицами. ДНК-полимеразы I, II и III обладают также 3' → 5'-экзонуклеазной активностью, которая увеличивает надежность репликации путем удаления некомплементарных остатков. ДНК-полимеразам I и III присуща, кроме того, 5' → 3'-нуклеазная активность, играющая важную роль в механизмах репликации и репарации ДНК.

Репликация ДНК в клетках E. coli начинается в строго определенном месте (в точке начала репликации) и идет в обоих направлениях. В области репликационной вилки (там, где из двух цепей ДНК получаются четыре) обе цепи родительской ДНК используются в качестве матриц для синтеза новой ДНК. Белок rep расплетает родительскую ДНК за счет энергии гидролиза АТР. Расплетанию способствует также ДНК-гираза, которая играет роль молекулярного шарнира и вводит отрицательные супервитки в родительскую ДНК. Одна цепь ДНК (ведущая) синтезируется непрерывно, тогда как другая (отстающая) синтезируется в виде фрагментов длиной 1kb. Поскольку образование отстающей цепи происходит путем сборки из отдельных фрагментов, полимеризация в направлении 5' → 3' на атомном уровне приводит к общему росту этой цепи в направлении 3' → 5'. Синтезу новой ДНК предшествует синтез РНК, которая используется затем в качестве затравки. Впоследствии РНК, входящая в состав новообразованной РНК-ДНК-цепи, гидролизуется и замещается ДНК. Затем ДНК-лигаза соединяет новообразованные фрагменты ДНК, которые спарены с одной и той же матричной цепью. В этой реакции участвует в качестве источника энергии NAD⁺.

Повреждения в ДНК, вызванные ионизирующей радиацией, ультрафиолетовым светом и различными химическими соединениями, постоянно репарируются. Например, пиримидиновые димеры, индуцированные ультрафиолетовым светом, вырезаются специфической эндонуклеазой. Урацил, который образуется при спонтанном дезаминировании цитозина в ДНК, удаляется гликозидазой, которая дифференцирует урацил и тимин.

Ферменты рестрикции узнают специфические последовательности, обладающие симметрией второго порядка, и гидролизуют одну фосфодиэфирную связь в каждой цепи ДНК в этой области. Эти эндонуклеазы можно использовать для расщепления молекул ДНК на специфические фрагменты, удобные для дальнейшего изучения. Разработка методов, позволяющих быстро определять последовательность нуклеотидов в ДНК на основе специфического расщепления и электрофоретического разделения продуктов, революционизировала изучение структуры ДНК.