Размер: px
Започнете импресия от страница:
препис
1 DNA REPAIR 1 Ремонтни системи 1 Директен ремонт. Примери 2 Ремонт на ексцизия. Примери и типове 3 Ремонт на грешки при репликация на ДНК 4 Рекомбинантно (пострепликативно) възстановяване в бактерии 5 SOS възстановяване Системите за възстановяване на ДНК са доста запазени в еволюцията от бактерии към хора и са най-добре проучени при E. coli. Известни са два вида репарация: директна и ексцизионна (от англ. Excision - изрязване). Директен ремонт Директният ремонт е най-простият начин за елиминиране на увреждане в ДНК, което обикновено включва специфични ензими, които могат бързо (обикновено в една стъпка) да елиминират съответното увреждане, възстановявайки оригиналната структура на нуклеотидите. O6-methylguanine-DNA-methyltransferase 1. Ето как действа например O6-methylguanine-DNA-methyltransferase (самоубийствен ензим), който отстранява метиловата група от азотната основа до един от собствените си цистеинови остатъци. coli, до 100 молекули от този протеин. Очевидно играе протеин от висши еукариоти, сходен по функция важна роляза защита срещу рак, причинен от вътрешни и външни алкилиращи фактори. ДНК инсертаза 2. АР местата могат да бъдат възстановени чрез директно вмъкване на пурини с участието на ензими, наречени ДНК инсертази (от англ. insert – insert). фотолиаза 3. Димерите на тимина се „отварят” чрез директна репарация с участието на фотолиази, които извършват съответната фотохимична трансформация. ДНК фотолиазите са група от светлинно активирани ензими с дължина на вълната nm (видима област), за които имат специален светлочувствителен център в структурата си. Те са широко разпространени в природата и се срещат в бактерии, дрожди, насекоми, влечуги, земноводни и хора. Тези ензими изискват различни кофактори (FADH, тетрахидрофолиева киселина и др.), участващи във фотохимичното активиране на ензима. Фотолиаза Е. coli
2 е протеин с молекулно тегло 35 kDa, плътно свързан с олигорибонуклеотид с дължината на нуклеотидите, необходима за ензимната активност. Примери за директно възстановяване 1. Метилираната база O6-mG се диметилира от ензима метилтрансфераза O6-метилгуанин-ДНК метилтрансфераза (самоубийствен ензим), който прехвърля метилова група към един от нейните цистеинови остатъци 2. AP местата могат да бъдат възстановени чрез директно вмъкване на пурини с участието на ензими, наречени ДНК инсертази (от англ. insert-insert). ПРИМЕРНА СХЕМА ЗА ДИРЕКТНО РЕПАРАТИРАНЕ НА УВРЕЖДАНЕ В ДНК метилираната база O6-mG се деметилира от ензима метилтрансфераза, която прехвърля метиловата група към един от нейните аминокиселинни остатъци цистеин.ДНК на фотолиазата се прикрепя към тиминовия димер и видима светлина, този димер е разширен Excision repair (от англ. excision - рязане). ОПРЕДЕЛЕНИЕ Ремонтът с ексцизия включва отстраняване на увредените бази от ДНК и последващо възстановяване на нормалната структура на молекулата.
3 МЕХАНИЗЪМ Няколко ензима обикновено участват в възстановяването на ексцизия, като самият процес засяга не само увредения нуклеотид, но и съседните му нуклеотиди. УСЛОВИЯ Необходима е втора (комплементарна) верига от ДНК за възстановяване на ексцизия. Обща опростена схема на ексцизионно възстановяване е показана на фиг. ЕТАПИ Първата стъпка в ексцизионното възстановяване е изрязването на анормални азотни бази. Катализира се от група ДНК-N-гликозилази - ензими, които разцепват гликозидната връзка между дезоксирибоза и азотна основа. ВАЖНА ЗАБЕЛЕЖКА: 3 При хората ДНК-N-гликозилазите имат висока субстратна специфичност: различни ензими от това семейство разпознават и изрязват различни анормални бази (8-оксогуанин, урацил, метилпурини и др.). При бактериите ДНК-N-гликозилазата няма такава субстратна специфичност.базата разрушава захарно-фосфатния гръбнак на ДНК молекулата в AP мястото последователно отцепва няколко нуклеотида от увредената част на една ДНК верига СПЕЦИФИЧНИ ПОСЛЕДОВАТЕЛНИ СТЪПКИ НА ТОВА: В резултат на действието на ДНК-N-гликозилазите се образува АР място, което се атакува от ензима АР-ендонуклеаза. Той разрушава захарно-фосфатния гръбнак на ДНК молекулата в AP мястото и по този начин създава условия за работата на следващия ензим, екзонуклеаза, която последователно отцепва няколко нуклеотида от увредената част на една верига на ДНК.
4 КАКВО СЕ СЛУЧВА СЛЕДВАЩО: 4 В бактериалните клетки освободеното пространство се запълва със съответните нуклеотиди с участието на ДНК полимераза I, която е насочена към втората (комплементарна) ДНК верига. Тъй като ДНК полимераза I е в състояние да удължи 3'-края на една от веригите при прекъсването на двуверижната ДНК и да отстрани нуклеотидите от 5'-края на същото прекъсване, т.е. извършва ник-транслация, този ензим играе ключова роля в възстановяването на ДНК. Окончателното зашиване на ремонтираните места се извършва от ДНК лигаза. В клетките на еукариотни (бозайници) възстановяването на ДНК ексцизия в клетките на бозайници е придружено от рязък взрив на активност на още един ензим, полиАДФ-рибоза полимераза. В този случай се получава ADP-рибозилиране на хроматиновите протеини (хистони и нехистонови протеини), което води до отслабване на връзката им с ДНК и отваря достъп до ензими за възстановяване. Донорът на ADP-рибоза в тези реакции е NAD+, чиито резерви са силно изчерпани по време на ексцизионно възстановяване на увреждане, причинено от рентгеново облъчване: заряди на тези протеини и отслабване на контакта им с ДНК. КАКВО Е ГРУПА ЕНЗИМИ ДНК гликозилазата разцепва гликозидната връзка между дезоксирибоза и азотна основа
5, което води до ексцизия на анормални азотни бази 5 ДНК гликозилазите, участващи в елиминирането на окислителното увреждане на ДНК в прокариотните и еукариотните клетки, са много разнообразни и се различават по специфичност на субстрата, пространствена структура и методи на взаимодействие с ДНК. Най-изучаваните ДНК гликозилази включват: ендонуклеаза III (EndoIII), амидопиримидин ДНК гликозилаза (Fpg), Mut T и Mut Y на Escherichia coli. Е. coli ендонуклеаза III разпознава и специфично разцепва окислените пиримидинови бази от ДНК. Този ензим е мономерен глобуларен протеин, състоящ се от 211 аминокиселинни остатъка (молекулно тегло 23,4 kDa). Генът, кодиращ Endo III, е секвениран и неговата нуклеотидна последователност е установена. Endo III е желязо-сярен протеин [(4Fe-4S)2+-протеин], който има елемент от над-вторичната гръцка ключова структура (спирала-фиби-спирала), която служи за свързване с ДНК. Ензими с подобна субстратна специфичност и сходни аминокиселинни последователности също са изолирани от говежди и човешки клетки. E. coli образува амидопиридин-днк-гликозилазата "разпознава" и отцепва окислените хетероциклични бази от пуриновите серии от ДНК. СХЕМА ЗА РЕПАРАЦИЯ НА ИЗКРИЖАНЕ ЕТАП 1 ДНК N гликозидаза премахва увредената база AP ендонуклеаза въвежда прекъсване в ДНК СХЕМА ЗА ИЗКРИВАНЕ 1 ДНК N гликозидаза премахва увредената база AP ендонуклеаза въвежда прекъсване на ДНК 2 Екзонуклеаза премахва редица от
6 3 ДНК полимераза запълва вакантното място с комплементарни мононуклеотиди. ДНК лигазата омрежва възстановената ДНК верига 6 Mut T - малък протеин с молекулно тегло 15 kDa, който има нуклеозидна трифосфатазна активност, която за предпочитане хидролизира dgtp до dgtpyrophmpte. Биологичната роля на Mut T е да предотврати образуването на неканонични двойки A:G и A:8-оксо-G по време на репликация. Такива двойки могат да се появят, когато окислената форма на dgtp (8-оксо-dGTP) стане субстрат за ДНК полимераза. Mut T хидролизира 8-oxo-dGTP 10 пъти по-бързо от dgtp. Това прави 8-оксо-dGTP най-предпочитания Mut T субстрат и обяснява неговата функционална роля. Mut Y е специфична аденинова ДНК гликозилаза, която разцепва N-гликозидната връзка между аденин и аденозин дезоксирибоза, която образува неканонична двойка с гуанин. Функционалната роля на този ензим е да предотврати мутацията на T:A-G:A чрез разцепване на непокътнат аденинов остатък от базовата двойка A:8-oxo-G.
7 Възстановяване на нуклеотидната ексцизия (АТФ-зависим механизъм за отстраняване на увреждане от ДНК) B последните временапри ексцизионен ремонт Специално вниманиедават АТФ-зависим механизъм за отстраняване на увреждане от ДНК. Този тип ексцизионно възстановяване се нарича нуклеотидна ексцизионна репарация (NER). Включва ДВА ЕТАПА: 1. отстраняване на олигонуклеотидни фрагменти, съдържащи увреждане от ДНК и ексцинуклеаза, ензим, който премахва ДНК фрагменти 2. последваща реконструкция на ДНК веригата с участието на комплекс от ензими (нуклеази, ДНК полимераза, ДНК лигаза и др. .). Отстраняването на ДНК фрагмент става от двете страни на увредения нуклеотид. Дължината на отстранените олигонуклеотидни фрагменти се различава между прокариотите и еукариотите. Отстраняване на ДНК фрагмент в прокариоти Така че в E. coli, B. subtilus, Micrococcus luteus се изрязва фрагмент с нуклеотидна дължина, Отстраняване на ДНК фрагмент в еукариоти, а при дрожди, земноводни и хора - фрагмент, състоящ се от нуклеотиди. Ензим ексцинуклеаза, който премахва ДНК фрагменти Разцепването на ДНК фрагмент се извършва от ензима ексцинуклеаза (ексинуклеаза). В E. coli този ензим се състои от 3 различни протомера uvra uvr B uvr C, всеки от които изпълнява специфична функция по време на ексцизионното разцепване на ДНК фрагмент. Тези протеини са кръстени на първите букви на думите "ultra violet repair". Uvr A протомерът има АТФазна активност, свързва се с ДНК под формата на димер, осъществявайки първично разпознаване на увреждане и свързване uvr B Протомерът uvr B има: 1. Латентна АТФазна и латентна хеликазна активност, необходими за промяна на конформациите и развиване на двойното ДНК спирала; 7
8 2. Ендонуклеазна активност, разцепваща междунуклеотидната (фосфодиестерна) връзка от 3' края на разцепения фрагмент. По този начин протомерите uvr A, uvr B, uvr C взаимодействат с ДНК в определена последователност, извършвайки АТФ-зависимата реакция на отцепване на олигонуклеотидния фрагмент от ДНК веригата, която се ремонтира. Получената празнина в ДНК молекулата се възстановява с участието на ДНК полимераза I и ДНК лигаза. Моделът на ексцизионно възстановяване с участието на горните ензими е показан на фиг. Ексцизионни ремонти при хора Ексцизионните ремонти при хора също са АТФ-зависими и включват три основни етапа: разпознаване на увреждане, двойно срязване на ДНК веригата, репаративен синтез и лигиране на ремонтираната нишка. Въпреки това, 25 различни полипептида участват в възстановяването на човешка ДНК ексцизия, 16 от които участват в разцепването на олигонуклеотидния фрагмент, като са ексинуклеазни протомери, а останалите 9 извършват синтеза на репарираната област на молекулата. В системата за възстановяване на човешката ДНК транскрипционните протеини РНК полимераза II и TFPN, един от шестте основни еукариотни транскрипционни фактора, играят много важна роля. Трябва да се отбележи, че ексцизионното възстановяване при прокариотите, както и при еукариотите, зависи от функционалното състояние на ДНК: транскрибираната ДНК се възстановява по-бързо, отколкото транскрипционно неактивната. Това явление се обяснява със следните фактори: структура на хроматина, хомология на веригата на транскрибирани ДНК региони, ефект на увреждане на веригата и ефекта му върху РНК полимеразата. ВАЖНА ЗАБЕЛЕЖКА: КОДИРАЩА ВЕРИГА НА ДНК (верига за съхранение на информация) ВЕРИГА НА ДНА МАТРИЦА (информацията се отписва от нея) 8
9 Известно е, че големи увреждания като образуването на тимин димер блокират транскрипцията както при бактериите, така и при хората, ако се появят върху веригата на ДНК шаблон (повредите на кодиращата верига не засягат транскрипционния комплекс). РНК полимеразата спира на мястото на увреждане на ДНК и блокира работата на транскрипционния комплекс. 9 Фактор на свързване на транскрипция-поправка (TRCF). При E. coli засилването на репарацията на транскрипцията се медиира от един специален протеин, факторът на свързване на транскрипция-поправка (TRCF). Този протеин насърчава: 1. отделяне на РНК полимераза от ДНК 2. едновременно стимулира образуването на комплекс от протеини, които възстановяват увредената зона. В края на поправката РНК полимеразата си идва на мястото и транскрипцията продължава (виж Фиг.). Така че общата схема на ексцизионна репарация 1. ДНК-N-гликозилазата премахва увредената база 2. АР ендонуклеазата въвежда прекъсване в ДНК веригата 3. Екзонуклеазата премахва редица нуклеотиди 4. ДНК полимераза запълва свободното място с комплементарни нуклеотиди 5. ДНК лигаза омрежва възстановената ДНК верига. Грешка при възстановяване на ДНК репликация чрез метилиране. Грешки в сдвояването на азотни бази по време на репликацията на ДНК се срещат доста често (в бактериите веднъж на 10 хиляди нуклеотида), в резултат на което нуклеотиди, които не са комплементарни на нуклеотидите на майчината верига са включени в дъщерната ДНК верига - несъответствия (на английски mismatch не съвпада). Въпреки факта, че прокариотната ДНК полимераза I има способността да се самокоригира, усилията й да елиминира погрешно свързани нуклеотиди понякога са недостатъчни и тогава някои неправилни (некомплементарни) двойки остават в ДНК. В този случай възстановяването се извършва с помощта на специфична система, свързана с метилиране на ДНК. Действието на тази система за възстановяване се основава на факта, че след репликация, след определено време (няколко минути), ДНК претърпява метилиране. В E. coli аденинът се метилира главно за образуване на N6-метил-аденин (N6-mA).
10 До този момент новосинтезираната (дъщерна) верига остава неметилирана. Ако има несдвоени нуклеотиди в такава верига, тогава тя претърпява възстановяване: по този начин метилирането маркира ДНК и включва системата за коригиране на грешки при репликация. В тази система за ремонт се разпознават специални структури: последователността G-N6-mA-T-C и последващата деформация в двойната спирала на мястото на липса на комплементарност (фиг. по-долу). Доста сложен комплекс от възстановителни ензими участва в елиминирането на несдвоени нуклеотиди в хемиметилирана ДНК молекула, която сканира повърхността на ДНК молекулата, изрязва част от дъщерната верига, която прибягва до несъответствия и след това създава условия за нейното изграждане до необходимите (комплементарни) нуклеотиди. Различните компоненти на този комплекс имат различни нуклеазни, хеликазни и АТФазни активности, които са необходими за въвеждане на прекъсвания в ДНК и разцепване на нуклеотидите, развиване на двойната спирала на ДНК и осигуряване на енергия за движение на комплекса по протежение на ремонтираната част на молекулата . Комплекс от възстановителни ензими, сходни по структура и функции, е открит и при хората. Рекомбинантно (пострепликативно) възстановяване 10 В случаите, когато по една или друга причина горепосочените системи за възстановяване са нарушени, в ДНК вериги могат да се образуват празнини (недоремонтирани области), понякога с много значителни размери, което е изпълнено с нарушение на репликационна система и може да доведе до клетъчна смърт. В този случай клетката е в състояние да използва за възстановяване на една ДНК молекула друга ДНК молекула, получена след репликация, т.е. да включи механизма на рекомбинация за тази цел. В бактериите В бактериите протеинът Rec A участва в рекомбинантното възстановяване.Той се свързва с едноверижна ДНК област и я включва в рекомбинация с хомоложни области на непокътнати вериги на друга ДНК молекула. В резултат на това както счупените (съдържащи пропуски), така и непокътнатите вериги на възстановяваната ДНК молекула се оказват сдвоени с непокътнати вериги.
11 комплементарни ДНК области, което отваря възможността за възстановяване от гореописаните системи. В този случай може да бъде изрязан определен фрагмент и с него да се запълни празнина в дефектната верига. Получените пропуски и прекъсвания в ДНК веригите се запълват с участието на ДНК полимераза I и ДНК лигаза. SOS-репарация Съществуването на тази система е постулирано за първи път от М. Радман през 1974 г. Той също така дава името на този механизъм, включително международния сигнал за бедствие "SOS" (спаси нашите души). Всъщност тази система се включва, когато има толкова много повреди в ДНК, че застрашават живота на клетката. В този случай, активността на разнообразна група от гени, участващи в различни клетъчни процесисвързани с възстановяването на ДНК. Включването на определени гени, определени от размера на увреждането в ДНК, води до клетъчни отговори с различно значение (започвайки със стандартното възстановяване на увредените нуклеотиди и завършвайки с потискането на клетъчното делене). Най-изследваното SOS-репарация в E. coli, чийто основни участници са протеините, кодирани от гените Rec A и Lex A. coli, а вторият (протеинът Lex A) е транскрипционен репресор на голяма група от гени, предназначени за възстановяване на бактериална ДНК. Когато е инхибиран или разрешен, репарацията се активира. Свързването на Rec A с Lex A води до разцепване на последния и съответно до активиране на ремонтните гени. От своя страна, индукцията на бактериалната SOS система служи като сигнал за опасност за ламбда фага и води до факта, че профагът преминава от пасивния към активния (литичен) път на съществуване, като по този начин причинява смъртта на клетката гостоприемник. Системата за възстановяване на SOS е открита не само при бактерии, но и при животни и хора. единадесет
12 12 Гени, участващи в SOS възстановяване на увреждане на ДНК Гени uvr A, B, C, D Rec A lex A rec N, ruv ssb umu C, D sul A Последици от активирането на гена Възстановяване на увреждане на вторичната структура на ДНК Пострепликативно ремонт, индукция на SOS системата Изключване на SOS системата Ремонт на двойноверижни прекъсвания Осигуряване възстановяване на рекомбинация Мутагенеза, причинена от промени в свойствата на ДНК полимеразата Потискане на клетъчното делене Заключение Възстановяването на увреждане на ДНК е тясно свързано с други фундаментални молекулярно-генетични процеси: репликация, транскрипция и рекомбинация. Всички тези процеси са преплетени в обща системавзаимодействия, обслужвани от голям брой разнообразни протеини, много от които са полифункционални молекули, участващи в контрола на прилагането на генетична информация в про- и еукариотните клетки. В същото време е очевидно, че природата "не пести" от контролните елементи, създавайки най-сложните системи за коригиране на онези увреждания в ДНК, които са опасни за организма и особено за неговото потомство. От друга страна, в случаите, когато репаративният капацитет не е достатъчен за поддържане на генетичния статус на организма, има нужда от програмирана апоптоза на клетъчна смърт. Молекулярна биология M. AKADEMA C.
13 СХЕМА ЗА РЕМОНТ НА НУКЛЕОТИДНА ЕКЦИЗИЯ В E.COLI С УЧАСТИЕ НА EXINUCLEASE 1. ТРАНСКРИПЦИОННО НЕЗАВИСИМ МЕХАНИЗЪМ 13
14 2. ЗАВИСИМ ОТ ТРАНСКРИПЦИЯ МЕХАНИЗЪМ 14
15 3. ОБЩ ЕТАП НА РЕМОНТ 15 ЛЕГЕНДА A - uvr протеин A B - uvr протеин C C - uvr протеин C малък черен триъгълен знак указва местоположението на повредата
16 СХЕМА ЗА РЕМОНТ, СВЪРЗАНА С МЕТИЛИРАНЕ НА ДНК 16
Ремонт на ДНК Видове мутации на генно ниво Видове промени в гените Замествания (включително поради модификация на нуклеотиди) Делеции Инсерции Транслокации Дублации Инверсии Според последствията точковите мутации са:
DNA Repair DNA Repair Първичната структура на ДНК е динамична и претърпява постоянни промени. Промените в молекулярната структура на генетичния материал са увреждане на ДНК. Щета
Молекулярно-генетичното ниво характеризира: репликация на ДНК, възстановяване на ДНК, мутации на ДНК, рекомбинация на ДНК молекули, транскрипция на ДНК, транскрипция на РНК, съставляват елементарните генетични процеси, които осигуряват
СЪДЪРЖАНИЕ НА УЧЕБНИЯ МАТЕРИАЛ 1. ВЪВЕДЕНИЕ Предметът и задачите на молекулярната биология. История на неговото развитие и основни постижения. 2. СТРУКТУРА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИ СВОЙСТВА НА НУКЛЕИНОВИТЕ КИСЕЛИНИ Химичен състав
Глава 7 Репликация на ДНК 1. CS репликацията е процес, присъщ: а) само на еукариотите; б) само за прокариоти; в) само вируси; г) всички живи системи; д) всички отговори са грешни. 2. CS репликацията е процес:
Въпроси за изпита (теста) Лекции по молекулярна биология от С.В. Разин Билет 1. 1. Кръгови ДНК молекули и концепцията за супернавиване на ДНК. Параметри на свръхнавита ДНК и конформационни преходи
7 РЕПЛИКАЦИЯ И РЕПЛИКАЦИЯ НА ДНК Репликацията на ДНК е молекулярният процес на точно копиране на ДНК молекулите (нейната нуклеотидна последователност). Чрез механизма на репликация, точният трансфер на генетични
Лекция 7 Нуклеинови киселини Структура на ДНК Синтез на ДНК Мутации Структура на РНК Нуклеинови киселини ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) РНК (рибонуклеинова киселина) линейни полимери, мономерите на които
Лекция по биохимия 3 ДНК Дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) е макромолекула, която осигурява съхранение, предаване от поколение на поколение и изпълнение на генетичната програма за развитието и функционирането на живите
Генетичната рекомбинация е преразпределение на генетичен материал (ДНК), което води до появата на нови комбинации от гени. Рекомбинация може да се случи чрез обмяна на клетъчни ядра, цели
РЕКОМБИНАЦИЯ Генетичната рекомбинация е преразпределение на генетичен материал (ДНК), което води до появата на нови комбинации от гени. Начини на рекомбинация: - обмен на клетъчни ядра - обмен на цяло
Обучение по основни генетични механизми на тема „Използване на методологията Xpert MTB/RIF“, Душанбе, 29 юли 2 август 2013 г. Презентация, подготвена като част от проекта на USAID за укрепване на контрола на туберкулозата
МОЛЕКУЛНА ГЕНЕТИКА МОЛЕКУЛНА ГЕНЕТИКА. РЕПЛИКАЦИЯ мулти-ензимен комплекс (ДНК-репликазна система), който включва около 20 основни ензима и протеинови фактори, единица на процеса на репликация
Глава I. Основи на цитологията Начало: 12 Тема: „Нуклеинови киселини. ДНК” Задачи: Да се характеризират нуклеиновите киселини: видове NA, локализацията им в клетката, структура, функции. Модифицирана, допълнена Нуклеинова
МОЛЕКУЛНА ГЕНЕТИКА МОЛЕКУЛНА ГЕНЕТИКА. РЕПЛИКАЦИЯ НА ЕУКАРИОТНА ДНК Организъм Брой репликони Среден размер на репликона, kbp Скорост на движение на вилицата за репликация, bp/sec. 1 4200 50000 500 40
ОБРАБОТКА НА ДНК И РНК По време на живота на един организъм непрекъснато протичат процесите на обновяване на тъкани, клетки и др., които неизбежно включват процесите на копиране и пренос на информация, съхранявана в генома. Упътвания
МОЛЕКУЛНА ГЕНЕТИКА МОЛЕКУЛНА ГЕНЕТИКА. ОБРАБОТКА НА РИБОЗОМНА И ТРАНСПОРТНА РНК. синтез на РНК молекули, образуване на първичен транскрипт (пред-РНК) (пост-транскрипционни модификации) модификация
МОЛЕКУЛНА ГЕНЕТИКА МОЛЕКУЛНА ГЕНЕТИКА. ПРОКАРИОТНА РНК ТРАНСКРИПЦИЯ ДНК сегмент, който е единица от РНК транскрипционен транскрипция на прокариотни организми в широк смисъл, структурен и функционален
НУКЛЕИНОВА КИСЕЛИНА. БИОСИНТЕЗА ЛЕКЦИЯ 3 План на лекцията 1. РЕПЛИКАЦИЯ 2. РЕПЛИКАЦИЯ НА ТРАНСКРИПЦИЯ Лекция 3. БИОСИНТЕЗА НА НУКЛЕИНОВИ КИСЕЛИНИ Речник Реплизомен мултиензимен комплекс (система за репликаза на ДНК),
1.2. Генетичен информационен поток в прокариоти Прокариотна генна организация Транскрипция в прокариоти Транслация в прокариоти +/- ДНК и РНК възстановяване на ДНК Генетичен информационен поток в прокариотите Ранно
Учител по биология GBOU средно училище 277 на район Киров Буянов A.V. Името "нуклеинови киселини" идва от латинската дума "ядро", т.е. ядро. За първи път те са открити и изолирани от клетъчните ядра. Това
Организация на наследствения материал (I) Въпроси: 1. Структура и функции на нуклеиновите киселини. 2. Репликация на ДНК. 3. Генетичен коди неговите свойства. 4. Реализация на генетична информация в клетка. Биосинтеза
рРНК Рибозомната РНК е част от рибозоми, сложни супрамолекулни структури, които се състоят от четири вида рРНК и няколко десетки протеини. Рибозомната РНК съставлява голяма част (до 80%)
Урок 6. Тема: ORNISIA НАСЛЕДСТВЕН МАТЕРИАЛ (урок I) " " 200 g обект на урока: да се изследва молекулярната природа на гена, неговите свойства; научете се да решавате проблеми, които разкриват структурата на ДНК и РНК молекули, чрез репликация,
Задачи за извънкласна работа на студенти от специалност медицинска биохимия 1 курс. Резюме - обобщениеинформация за всеки изучаван материал. Необходимо е да се посочи темата, разгледана в 5-7
Репликация на ДНК Биосинтеза на протеини Репликационно дублиране на молекулата на ДНК възниква в S (синтетичния) период на митотичния цикъл Получените дъщерни молекули са точни копия на родителската. Принципи на репликация Допълняемост
Молекулярна биология Лекция 12. Регулация. Скоблов Михаил Юриевич Част 1. Регулиране на генната активност в прокариотите Парадоксът на количеството и сложността: Еволюционното качество се постига не чрез броя на гените,
ФЕДЕРАЛНА АГЕНЦИЯ НА НАУЧНИТЕ ОРГАНИЗАЦИИ РУСКА АКАДЕМИЯ НА НАУКИТЕ ФЕДЕРАЛНА ДЪРЖАВНА БЮДЖЕТНА ИНСТИТУЦИЯ ПО НАУКА ИНСТИТУТ ПО ЦИТОЛОГИЯ НА РУСКАТА АКАДЕМИЯ НА НАУКИТЕ Билети за следдипломни приемни изпити
Нуклеопротеините (DNP и RNP) са сложни протеини, чиито непротеинови компоненти са нуклеинови киселини (РНК и ДНК). Нуклеиновите киселини (от лат. Nucleus nucleus) са полинуклеотиди, неразклонени и неправилни,
Генетично ниво на организация на наследствения материал. Генът е единица от наследствена информация: заема определена позиция в хромозомата, контролира изпълнението на определена функция, определя
МОЛЕКУЛНА ГЕНЕТИКА МОЛЕКУЛНА ГЕНЕТИКА. РЕПЛИКАЦИЯ периодът от живота на клетката от едно делене до друго или от делене до смърт Y-образна структура, която се движи по дължината на родителската ДНК спирала и се характеризира с
Урок 4. ДНК ТРАНСКРИПЦИЯ Целта на урока: да се запознае с процесите на ДНК транскрипция при про- и еукариотите и особеностите на организацията на техните гени. 1. Транскрипция на прокариоти 2. Транскрипция на еукариоти 3. Без шаблон
Глава 11 Методи за генен анализ 1. CS рестрикционни ензими: а) се използват в PCR; б) разпознават едноверижна ДНК; в) разпознават и изрязват специфични двуверижни ДНК последователности; г) среща в
Рестрикционните ензими са група от бактериални нуклеази. Рестрикционните ензими са ензими с ендонуклеазна активност, които хидролизират специфично двуверижни ДНК молекули в присъствието на определени
Характеристики на ДНК и РНК ДНК изпълнява следните функции: 1. Участва в копирането на генетичен материал (репликация) и пренасянето му в дъщерните клетки по време на тяхното делене. 2. Осигурява - изразяване
Синтез на ДНК Реализация на наследствена информация Ръководител на катедрата по биология, професор Колесников O.L. Характеристики на ДНК полимеразата Синтезът на нова верига върви в посока от 5-ия към 3-ия край на веригата Ензимът може
Учител по биология Зозуля Е.В.. ноември 2014 г. Решаване на задачи по молекулярна биология. Молекулярната биология изучава механизмите за съхранение и предаване на наследствена информация. Проблеми в молекулярната биология
КЛЕТЪЧЕН ЖИВОТ: БИОСИНТЕЗА НА ПРОТЕИНОВ КЛЕТЪЧЕН ЦИКЪЛ РЕМОНТ Интерфаза Клетъчен цикъл = ИНТЕРФАЗА + М-фаза предсинтетичен период G1 (синтез на РНК, рибозоми, нуклеотиди, протеини, АТФ синтез, делене на MX и хлоропласти,
Решаване на биологични задачи на тема „Генетичен код. Белтъчна биосинтеза” Видове задачи 1. Определяне на последователността на аминокиселините във фрагмент от белтъчна молекула въз основа на последователността на ДНК нуклеотидите
ПРЕПОДАВАТЕЛСТВО ПО ОБЩИ ЗАДАЧИ И МЕДИЦИНСКА ГЕНЕТИКА Под редакцията на проф. М.М. Азов МОН Р Препоръчано от Координационния съвет в областта на образованието „Здравеопазване
Глава 9 РНК транскрипция и обработка 1. CS Pro-mRNA тапирането осигурява: а) репликация на ДНК; б) възстановяване на ДНК; в) стабилност на РНК молекулите; г) денатурация на ДНК; д) снаждане. 2. CS, участващ в транскрипцията:
Урок 3. РЕПЛИКАЦИЯ НА ДНК Целта на урока: да се запознае с процесите на репликация на ДНК. 1 Матрични процеси за синтез на биополимери. Протеини и ензими, участващи в репликацията на ДНК. основни характеристикирепликация
ëóùâapple Ç.ç., 997 РЕПАРАЦИЯ НА ГЕНЕТИЧНО УВРЕЖДАНЕ V. N. SOYFER Описани са следните механизми на възстановяване: директен ремонт, изрязване на повреди, базирани на гликозилази, нуклеотиди" ексцизия, възстановяване на несъответстващи
Нуклеинови киселини Нуклеиновите киселини и тяхната роля в клетъчната активност Нуклеиновите киселини са открити през втората половина на 19 век от швейцарския биохимик Фридрих Мишер Фридрих Мишер Нуклеинови киселини
Тема 1. Химичният състав на клетката Задачи на част А Изберете един отговор, който е най-правилен 1. Назовете органичните съединения, които се съдържат в клетката в най-голямо количество (в %
P Радикално аминокиселинно заместване е мутационно заместване, което води до значителни промени в структурата и функцията на протеина. Рамката за четене е един от трите възможни начина за четене на нуклеотидна последователност
ЗАПОРИЧЕСКИ ДЪРЖАВЕН МЕДИЦИНСКИ УНИВЕРСИТЕТ КАТЕДРА ПО БИОЛОГИЧНА ХИМИЯ
Молекулярна биология Лекция 7. Репликация и ремонт. Скоблов Михаил Юриевич Част 1. Репликация на ДНК Експеримент на Meselson и Stahl 1958 ДНК полимераза През 1956 Корнберг изолира бактерии от клетки
Предложената книга е първото най-пълно и авторитетно ръководство за бързо развиващата се област на науката молекулярна генетика, което няма аналози в световната научна литература. Издание
Конспект на лекцията 1. Видове увреждане на ДНК 1. Видове увреждане на ДНК 2. Репарация на ДНК, видове и механизми: 2. Репарация на ДНК, видове и механизми: Директна директна ексцизионна ексцизионна пострепликативна пострепликативна SOS възстановяване SOS възстановяване 3. Репарация и наследствени заболявания 3. Ремонтни и наследствени заболявания
Процесът на възстановяване на оригиналната нативна ДНК структура се нарича възстановяване на ДНК, или генетично възстановяване, а системите, участващи в него, се наричат системи за възстановяване. Процесът на възстановяване на оригиналната нативна ДНК структура се нарича възстановяване на ДНК, или генетично възстановяване, а системите, участващи в него, се наричат системи за възстановяване. Понастоящем са известни няколко механизма на генетично възстановяване. Някои от тях са по-прости и се „включват“ веднага след увреждане на ДНК, други изискват индукция на голям брой ензими, а действието им се удължава с времето. Понастоящем са известни няколко механизма на генетично възстановяване. Някои от тях са по-прости и се „включват“ веднага след увреждане на ДНК, други изискват индукция на голям брой ензими, а действието им се удължава с времето.
От гледна точка на молекулярния механизъм, първичното увреждане в ДНК молекулите може да бъде елиминирано по три начина: От гледна точка на молекулярния механизъм първичното увреждане в ДНК молекулите може да бъде елиминирано по три начина: 1. директно връщане в първоначалното състояние; 1.Директно връщане в първоначалното състояние; 2. изрязване на повредения участък и подмяната му с нормален; 2. изрязване на повредения участък и подмяната му с нормален; 3. рекомбинационно възстановяване, заобикаляйки увредената зона. 3. рекомбинационно възстановяване, заобикаляйки увредената зона.
Спонтанно увреждане на ДНК Грешки при репликация (поява на некомплементарни базови двойки) Грешки при репликация (поява на некомплементарни базови двойки) Апуринизация (отцепване на азотни бази от нуклеотид) Апуринизация (отцепване на азотни бази от нуклеаминация) аминогрупа) Дезаминиране (разцепване на аминогрупа)
Индуцирано увреждане на ДНК Димеризация (омрежване на съседни пиримидинови бази за образуване на димер) Димеризация (свързване на съседни пиримидинови бази за образуване на димер) Разкъсвания на ДНК: едноверижни и двойни разкъсвания на ДНК: единични и двойни вериги Кръстосани връзки между ДНК вериги Кръстосани връзки между ДНК вериги
DIRECT DNA REPAIR Този тип ремонт осигурява директно възстановяване на оригиналната структура на ДНК или отстраняване на повредата. Този вид ремонт осигурява директно възстановяване на оригиналната ДНК структура или отстраняване на повредата. Широко разпространена система за възстановяване от този вид е фотореактивирането на пиримидинови димери. Широко разпространена система за възстановяване от този вид е фотореактивирането на пиримидинови димери. Това засега е единствената известна ензимна реакция, при която факторът на активиране не е химическа енергия, а енергията на видимата светлина. Това засега е единствената известна ензимна реакция, при която факторът на активиране не е химическа енергия, а енергията на видимата светлина. Това активира ензима фотолиаза, който разделя димерите. Това активира ензима фотолиаза, който разделя димерите.
Photorepair Схематично светлинното възстановяване изглежда така: 1. Нормална ДНК молекула Облъчване с UV светлина 2. Мутантна ДНК молекула - образуване на пиримидинови димери. Действие на видимата светлина 3. Синтез на ензим фотолиаза 4. Разцепване на димери на пиримидинови бази 5. Възстановяване на нормална структура на ДНК
Установено е, че повечето полимерази, в допълнение към 5"-3"-полимеразната активност, имат 3"-5"- екзонуклеазна активност, поради което се осигурява корекция възможни грешки. Установено е, че освен 5'-3'-полимеразната активност, повечето полимерази имат 3'-5'-екзонуклеазна активност, която осигурява коригиране на възможни грешки. Тази корекция се извършва на два етапа: първо, всеки нуклеотид се проверява за съответствие с шаблона, преди да бъде включен в растящата верига, а след това преди следващият нуклеотид да бъде включен във веригата. Тази корекция се извършва на два етапа: първо, всеки нуклеотид се проверява за съответствие с шаблона, преди да бъде включен в растящата верига, а след това преди следващият нуклеотид да бъде включен във веригата. РЕПАРАЦИЯ НА ДНК ПОРАДИ ЕКЗОНУКЛАЗНАТА АКТИВНОСТ НА ДНК ПОЛИМЕРАЗИТЕ
Когато се вмъкне грешен нуклеотид, двойната спирала се деформира. Това позволява на ДНК-P да разпознае в повечето случаи дефект в растящата верига. Ако погрешно вмъкнатият нуклеотид не е в състояние да образува водородна връзка с комплементарната база, ДНК-II ще спре процеса на репликация, докато правилният нуклеотид не бъде заменен. При еукариотите ДНК-P няма 3-5 екзонуклеазна активност. Когато се вмъкне грешен нуклеотид, двойната спирала се деформира. Това позволява на ДНК-P да разпознае в повечето случаи дефект в растящата верига. Ако погрешно вмъкнатият нуклеотид не е в състояние да образува водородна връзка с комплементарната база, ДНК-II ще спре процеса на репликация, докато правилният нуклеотид не бъде заменен. При еукариотите ДНК-P няма 3-5 екзонуклеазна активност.
Възстановяване на повреда от алкилиране. Генетичните увреждания, причинени от добавянето на алкилови или метилови групи, могат да бъдат поправени чрез отстраняване на тези групи от специфични ензими. Специфичният ензим О 6 метилгуанин трансфераза разпознава О 6 метилгуанин в ДНК и премахва метиловата група и връща основата в първоначалната й форма. Генетичните увреждания, причинени от добавянето на алкилови или метилови групи, могат да бъдат поправени чрез отстраняване на тези групи чрез специфични ензими. Специфичният ензим О 6 метилгуанин трансфераза разпознава О 6 метилгуанин в ДНК и премахва метиловата група и връща основата в първоначалната й форма.
Действието на полинуклеотидната лигаза Например, едноверижни разкъсвания на ДНК могат да възникнат под въздействието на йонизиращо лъчение. Ензимът полинуклеотидна лигаза свързва отново счупените краища на ДНК. Например, под въздействието на йонизиращо лъчение могат да възникнат едноверижни прекъсвания на ДНК. Ензимът полинуклеотидна лигаза свързва отново счупените краища на ДНК.
Етапи на възстановяване на ексцизия 1. Разпознаване на увреждане на ДНК от ендонуклеаза 1. Разпознаване на увреждане на ДНК чрез ендонуклеаза 2. Разрязване (разрязване) на ДНК веригата от ензима от двете страни на увреждането 2. Разрязване (нарязване) на ДНК веригата от ензимът от двете страни на увреждането 3. Изрязване (изрязване и отстраняване) увреждане с хеликаза 3. Изрязване (изрязване и отстраняване) на увреждане с хеликаза 4. Ресинтез: ДНК-P запълва празнината и лигазата свързва краищата на ДНК 4. Ресинтеза: ДНК-P запълва празнината и лигазата се присъединява към краищата на ДНК
Поправка на несъответствие По време на репликацията на ДНК, грешките при чифтосване възникват, когато вместо комплементарни пара A-T, образуват се Г-Ц некомплементарни двойки. Несъответствието засяга само детската нишка. Системата за възстановяване на несъответствието трябва да намери дъщерната верига и да замени некомплементарните нуклеотиди. По време на репликацията на ДНК възникват грешки при чифтосване, когато се образуват некомплементарни двойки вместо комплементарни двойки A-T, G-C. Несъответствието засяга само детската нишка. Системата за възстановяване на несъответствието трябва да намери дъщерната верига и да замени некомплементарните нуклеотиди.
Поправка на несъответствие Как да различим детска нишка от родителска нишка? Как да различим дъщерна верига от родителска верига? Оказва се, че специални метилазни ензими прикрепват метилови групи към аденините в GATC последователността на родителската верига и тя става метилирана, за разлика от неметилираната дъщеря. В E. coli продуктите на 4 гена реагират на възстановяване на несъответствие: mut S, mut L, mut H, mut U. Оказва се, че специални метилазни ензими прикрепват метилови групи към аденините в GATC последователността на майчината верига и тя става метилиран, за разлика от неметилираното дете. В E. coli продуктите на 4 гена съответстват на ремонт на несъответствие: mut S, mut L, mut H, mut U.
ПОСТРЕПЛИКАТИВНА РЕПЛИКАЦИЯ НА ДНК Пострепликативната поправка на ДНК възниква, когато увреждането оцелява във фазата на репликация (твърде много щети или повредата е настъпила непосредствено преди репликацията) или е от естество, което прави невъзможно възстановяването му с ексцизионно възстановяване (напр. , кръстосано свързване на ДНК вериги). Тази система играе особено важна роля при еукариотите, осигурявайки възможност за копиране дори от повредена матрица (макар и с увеличен брой грешки). Една от разновидностите на този тип възстановяване на ДНК е рекомбинационната поправка.
SOS ремонт Открит през 1974 г. от М. Радман. Той даде името, като включи международен сигнал за бедствие. Включва се, когато има толкова много повреди в ДНК, че застрашават живота на клетката. Индуцира се синтеза на протеини, които се прикрепят към комплекса DNA-II и изграждат дъщерна ДНК верига срещу дефектната матрица. В резултат на това ДНК се удвоява при грешка и може да настъпи делене на клетките. Но ако жизнените функции са били засегнати, клетката ще умре. Открит през 1974 г. от М. Радман. Той даде името, като включи международен сигнал за бедствие. Включва се, когато има толкова много повреди в ДНК, че застрашават живота на клетката. Индуцира се синтеза на протеини, които се прикрепят към комплекса DNA-II и изграждат дъщерна ДНК верига срещу дефектната матрица. В резултат на това ДНК се удвоява при грешка и може да настъпи делене на клетките. Но ако жизнените функции са били засегнати, клетката ще умре.
ВЪЗСТАНОВЯВАНЕ НА ДНК И БОЛЕСТИ НА НАСЛЕДСТВОТО НА ЧОВЕКА Нарушаването на системата за възстановяване при хората е причина за: Преждевременно стареене Онкологични заболявания (80-90% от всички видове рак) Автоимунни заболявания (ревматоиден артрит, СЛЕ, болест на Алцхаймер)
Болести, свързани с нарушено възстановяване Xeroderma pigmentosa Xeroderma pigmentosum Атаксия-телеангиектазия или синдром на Луис-Бар Атаксия-телеангиектазия или синдром на Луис-Бар Синдром на Блум Синдром на Bloom Хътчинсън-Гилфорд) Прогерия при деца (синдром на Хътчинсън-Гилфорд) Прогерия при възрастни (синдром на Вернер) Прогерия при възрастни (синдром на Вернер)
Атаксия-телеангиектазия или синдром на Луи-Бар: A-P, церебеларна атаксия, нарушена координация на движенията, телеангиектазии - локално прекомерно разширение на малките съдове, имунодефицит, предразположение към рак. Синдром на Блум: A-P, висока чувствителност към UV лъчи, хиперпигментация, зачервяване на лицето под формата на пеперуда.
Трихотиодистрофия: A-P, липса на сяра в космените клетки, чупливост, наподобяваща тигрова опашка, аномалии на кожата, зъбите, дефекти в половото развитие. Синдром на Кокейн: A-P, джуджество с нормални хормони на растежа, глухота, оптична атрофия, ускорено стареене, чувствителност към слънчева светлина. Анемия на Фанкони: намаляване на броя на всички клетъчни елементи на кръвта, нарушения на скелета, микроцефалия, глухота. Причина - Нарушениеексцизия на пиримидинови димери и нарушена репарация на междуверижни ДНК кръстосани връзки.
Литература: 1. Генетика. Изд. Иванова V.I. М., Жимулев И.Ф. Обща и молекулярна генетика. Новосибирск, Муминов Т.А., Куандиков Е.У. Основи на молекулярната биология (лекционен курс). Алмати, Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярна биология. М., 2003г.
РЕПАРАЦИЯ НА ДНК
Репарационни системи
2 Ексцизионен ремонт. Примери и видове
3 Поправяне на грешки в репликацията на ДНК
4 Рекомбинантно (пост-репликативно) възстановяване в бактерии
5 SOS репарация
Системите за възстановяване на ДНК са доста консервативни в еволюцията от бактерии към хора и са най-добре проучени при E. coli.
Има два вида репарация:права и ексцизионна
Директна репарация
Директното възстановяване е най-простият начин за елиминиране на увреждане в ДНК, което обикновено включва специфични ензими, които могат бързо (обикновено на един етап) да елиминират съответното увреждане, възстановявайки оригиналната структура на нуклеотидите.
1. Това работи, напр.О6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза
(самоубийствен ензим), който премахва метилова група от азотна основа до един от собствените си цистеинови остатъци
В E. coli за 1 минута могат да се синтезират до 100 молекули от този протеин. Протеинът на висшите еукариоти, сходен по функция, очевидно играе важна роля в защитата срещу рак, причинен от вътрешни и външни алкилиращи фактори.
ДНК инсертаза
2. ДНК инсертази
фотолиаза
3. Димерите на тимина са "бродирани" от директна репарацияВ ролитефотолиаза, които извършват съответната фотохимична трансформация. ДНК фотолиазите са група светлинно-активирани ензими с дължина на вълната 300 - 600 nm (видима област), за които имат специален светлочувствителен център в структурата си.
Те са широко разпространени в природата и се срещат в бактерии, дрожди, насекоми, влечуги, земноводни и хора. Тези ензими изискват различни кофактори (FADH, тетрахидрофолиева киселина и др.), участващи във фотохимичното активиране на ензима. Е. coli фотолиазата е 35 kDa протеин, плътно свързан с олигорибонуклеотид с дължина 10-15 нуклеотиданеобходими за ензимната активност.
Примери за директна репарация
1. Метилирана основа O 6-mG диметилиран от ензима метилтрансферазаО6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза (суициден ензим), който прехвърля метилова група към един от нейните остатъци
цистеин
2. AP местата могат да бъдат възстановени чрез директно вмъкване на пурини с помощта на ензими, наречениДНК инсертази(от англ. insert- insert).
СХЕМА ЗА ПРИМЕР ЗА ДИРЕКТНО ВЪЗСТАНОВЯВАНЕ НА ПОВРЕДИ В ДНК - Метилирана база О6- mgдеметилиран от ензима метилтрансфераза, който прехвърля метилова група към един от неговите цистеинови аминокиселинни остатъци.
3. Фотолиазата се прикрепя към димера на тимина и след облъчване на този комплекс с видима светлина (300-600 nm), димерът се разширява
ПРИМЕРНА СХЕМА ЗА ДИРЕКТНО РЕПАРАТИРАНЕ НА УВРЕЖДАНЕ В ДНК – Фотолиаза
се прикрепя към димера на тимина и след облъчване с видима светлина този димер се разширява
Ремонт на ексцизия
(от английски excision - рязане).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Ексцизионният ремонт включва отстраняванеувредени азотни бази от ДНК и последващо възстановяваненормална молекулярна структура.
МЕХАНИЗЪМ
Няколко ензима обикновено участват в възстановяването на ексцизия и самият процес засяга
не само повредени ,
но и съседни нуклеотиди .
УСЛОВИЯ
За възстановяване на ексцизия е необходима втора (комплементарна) верига от ДНК. Общата опростена схема на ексцизионния ремонт е показана на фиг. 171.
ЕТАПИ
Първата стъпка в ремонта на ексцизия е изрязване на анормалните азотни бази. Това е катализирано от групаДНК-н-гликозилаза- ензими, които разцепват гликозидната връзка между дезоксирибоза и азотна основа.
ВАЖНА ЗАБЕЛЕЖКА:
ВчовекДНК-н-гликозилазаимат висока субстратна специфичност: различни ензими от това семейство разпознават и изрязват различни аномални бази(8-оксогуанин, урацил, метилпурини и др.).
ВбактерииДНК-н-гликозилазаняма такава субстратна специфичност.
ЕНЗИМИ ЗА ОБЩО ИЗКРИВАНЕ
| ЗАГЛАВИЕ | ФУНКЦИЯ | МЕХАНИЗЪМ |
| ДНК-н-гликозилаза | ексцизия на анормални азотни бази | разцепва гликозидната връзка между дезоксирибоза и азотна основа |
| AP ендонуклеаза | създава условия за работата на следващия ензим - екзонуклеази | разрушава захарно-фосфатния гръбнак на ДНК молекулата в АР мястото |
| екзонуклеаза | разцепва няколко нуклеотида | последователно разцепва няколко нуклеотида от увредената част на една ДНК верига |
СПЕЦИФИЧНИ ПОСЛЕДОВАТЕЛНИ СТЪПКИ НА ТОЗИ МЕХАНИЗМ:
В резултат на действие ДНК- н-гликозилазаобразува се АР място, което се атакува от ензима AR-ендонуклеаза. Той разрушава захарно-фосфатния гръбнак на ДНК молекулата в AP мястото и по този начин създава условия за работата на следващия ензим - екзонуклеази, който последователно отцепва няколко нуклеотида от увредената част на една ДНК верига.
В бактериални клетки освободеното място се запълва със съответните нуклеотиди с участието ДНК полимераза Iориентирани към втората (комплементарна) верига на ДНК.
Тъй като ДНК полимераза I е в състояние да удължи 3' края на една от веригите при прекъсване на двуверижната ДНК и да премахне нуклеотидите от 5' края на същото прекъсване,
тези. осъзнай „излъчване на ник“ , този ензим играе ключова роля в възстановяването на ДНК. Извършва се окончателното зашиване на ремонтираните зони ДНК лигаза.
В еукариотни (бозайници) клетки
Възстановяването на ДНК ексцизия в клетките на бозайници е придружено от рязък скок в активността на друг ензим,поли АдР-рибозна полимераза . В същото време се случва ADP-рибозилиране на хроматинови протеини(хистони и нехистонови протеини), което води до отслабване на връзката им с ДНК и отваря достъп до ензими за възстановяване.
Донор ADP-рибозав тези реакцииNAD+, чиито резерви са силно изчерпани по време на ексцизионно възстановяване на щети, причинени от рентгеново облъчване:
Отрицателно заредени остатъци ADP-рибозаот вътрешния състав на молекулата NAD+присъединете се чрез радикалглутаминкиселини или фосфосериндо хроматиновите протеини, което води до неутрализиране на положителните заряди на тези протеини и отслабване на контакта им с ДНК.
КАКВО Е ГРУПА ЕНЗИМИ
ДНК - гликозилази
разцепва гликозидната връзка между дезоксирибозата и азотната основа
което води до ексцизия на анормални азотни бази
ДНК - гликозилази , участващи в елиминирането на окислителното увреждане на ДНК в клетките прокариоти и еукариоти, са много разнообразни и се различават по субстратна специфичност, пространствена структура и начини на взаимодействие с ДНК.
Най-изучаваните ДНК гликозилази включват:
ендонуклеаза III(EndoIII),
образува амидопиримидин-ДНК-гликозилаза (fpg)
Мут Ти
Мут Йcoli.
Ендонуклеаза IIIE. coli разпознава и специфично се отцепва от ДНК окислени пиримидинови основи.
Този ензим е мономерен глобуларен протеин, състоящ се от 211 аминокиселиниостатъци (мол. тегло 23,4 kDa). Генът, кодиращ Endo III, е секвениран и неговата нуклеотидна последователност е установена. Ендо III е желязо-сярен протеин [(4 Fe-4S )2+-протеин], който има елемента надвторична структуратип "гръцки ключ" (спирала - фиби - спирала), служещи за свързване с ДНК. От тях също са изолирани ензими с подобна субстратна специфичност и подобни аминокиселинни последователности говежди и човешки клетки.
Образува амидопиридин-ДНК-гликозилаза E. coli "разпознава" и разцепва окислен хетероцикличен основи от пуриновата серия .
СХЕМА ЗА ЕКЦИЗИОНЕН РЕМОНТ ЕТАП 1
ДНКн
ЕКЦИЗИОННА РЕМОНТНА СХЕМА
1 ДНКнгликозидаза премахва увредената основа
AR ендонуклеазата разрушава ДНК
2 Екзонуклеазата премахва редица нуклеотиди
3 ДНК полимераза запълва свободното място с комплементарни
Мононуклеотиди
ДНК лигазата омрежва възстановената ДНК верига
Мут Т- малък протеин с молекулно тегло 15 kDa, който има нуклеозидна трифосфатазна активност, която е предимно хидролизира dGTP до dGMP и пирофосфат.
Биологична роля на Mut T е да се предотврати образуването на неканонични двойки по време на репликацияA: Gи A: 8-оксо-G.
Такива двойки могат да се появят, когато окислена форма
dGTP (8-оксо-dGTP)става субстратДНК полимераза.
Мут Тхидролизира 8-оксо-dGTP10 пъти по-бързо от dGTP.
Това е така 8-оксо-dGTPнай-предпочитан субстратMutти обяснява функционалната му роля.
Мут Йе специфична аденин-ДНК гликозилаза, която разцепва N-гликозидната връзка между аденин и дезоксирибоза аденозин,образуване на неканонична двойка с гуанин.
Функционалната роля на този ензим е да предотвратява мутация
T:A - G:A от разцепване на непокътнат остатък аденинот основна двойка А: 8-оксо-G.
Ремонт с ексцизия на нуклеотиди
(ATP-зависим механизъм за отстраняване на увреждане на ДНК)
Напоследък при възстановяването на ексцизия се отделя специално внимание на АТФ-зависимия механизъм за отстраняване на увреждане от ДНК. Този тип ексцизионно възстановяване се нарича нуклеотидна ексцизионна репарация (NER).
Включва ДВА ЕТАПА :
1. отстраняване от ДНКолигонуклеотидни фрагменти съдържащи щети и
Ексцинуклеаза
2. последваща реконструкция на ДНК веригата с участието на комплекс от ензими (нуклеази, ДНК полимерази, ДНК лигази и др.).
Настъпва отстраняването на ДНК фрагмент от двете страни на повредениянуклеотид. Дължината на отстранените олигонуклеотидни фрагменти се различава между прокариотите и еукариотите.
Отстраняване на ДНК фрагмент от прокариоти
И така, в E. coli, B. subtilus, Micrococcus luteus, фрагмент с дължина 12-13 нуклеотиди
Отстраняване на ДНК фрагмент от еукариоти
и при дрожди, земноводни и хора, фрагмент, състоящ се от 24-32 нуклеотиди.
Ексцинуклеаза- ензим, който премахва ДНК фрагменти
ДНК фрагмент се разцепва от ензимексцинуклеаза(ексинуклеаза). В E. coli този ензим се състои от 3 различни протомера -
uvra
uvr B
uvr C
всеки от които изпълнява специфична функция по време на ексцизионно разцепване на ДНК фрагмент. Името на тези протеини се дава от първите букви на думите"ултравиолетов ремонт".
Протомер uvr Aима АТФазна активност, свързва се с ДНК под формата на димер, осъществявайки
първично разпознаване на щетите и
обвързванеuvr B
Протомер uvr Bима:
един . Латентен АТФазна и латентна хеликазна активност, необходима за промяна на конформациите и развиване на двойната спирала на ДНК;
2. Ендонуклеаза активност, разцепване на интернуклеотидната (фосфодиестерна) връзка отстраниZ"-крайотцепен фрагмент.
Protomer uvr Cдейства като ендонуклеаза, въвеждайки прекъсване на възстановената ДНК верига с5"-крайизрязан фрагмент.
Така че протомеритеuvr A, uvr B, uvr Cвзаимодействат с ДНК в определена последователност, осъществявайки АТФ-зависима реакцияразцепване на олигонуклеотидния фрагмент от ДНК веригата, която се ремонтира.
Получената празнина в ДНК молекулата се възстановява с участието на ДНК полимераза I и ДНК лигаза. Моделът на ексцизионно възстановяване с участието на горните ензими е показан на фиг. 172.
Ексцизионни ремонти при хора
Ремонтите при човешка ексцизия също са зависими от АТФ и включваттри основни етапа :
разпознаване на щети,
двойно разрязване на ДНК веригата,
редукционен синтез и
лигиране на ремонтираната нишка.
Въпреки това, възстановяването на човешка ДНК ексцизия включва
25 различни полипептида ,
16 от които участват в разцепването на олигонуклеотидния фрагмент, като са протомериексцинуклеази,
и останалото 9 извършват синтеза на ремонтираната част от молекулата.
В системата за възстановяване на ДНК при хората много важна роля играят транскрипционните протеини -
РНК полимераза II и
TF Понедин от шестте основни транскрипционни фактора еукариот.
Трябва да се отбележи, че възстановяването на ексцизия при прокариотите, както и при еукариотите, зависи от функционалното състояние на ДНК:
транскрибираната ДНК се възстановява по-бързо
отколкото транскрипционно неактивен.
Това явление се обяснява със следните фактори:
структура на хроматина,
хомология на вериги от транскрибирани ДНК региони,
ефект на увреждане на веригата и неговия ефект върху РНК полимеразата.
ВАЖНА ЗАБЕЛЕЖКА:
КОДИРАЩА ВЕРИГА ДНК (верига за съхранение на информация)
МАТРИЦА ВЕРИГА от ДНК (информацията се отписва от нея)
Известно е, че такива големи щети като образуване на тимин димер, блокират транскрипцията както при бактерии, така и при хора, ако се появят на матрична веригаДНК (увреждане на кодираневериги не влияяткъм транскрипционния комплекс). РНК полимеразата спира на мястото на увреждане на ДНК и блокира работата на транскрипционния комплекс.
Фактор на свързване на транскрипция-поправка (TRCF) .
При E. coli засилването на репарацията на транскрипцията се медиира от един специален протеин -транскрипционно-поправящ фактор на връзката (TRCF) .
Този протеин допринася :
1. отделяне на РНК полимераза от ДНК
2. едновременно стимулира образуването на протеинов комплекс,
Извършване на ремонт на повредената зона.
В края на поправката РНК полимеразата си идва на мястото и транскрипцията продължава (виж Фиг.).
Така че общата схема на ексцизионния ремонт
1. ДНК-N -гликозилазата премахва увредената основа
2. AR-ендонуклеазата въвежда прекъсване във веригата на ДНК
3. Екзонуклеазата премахва редица нуклеотиди
4. ДНК полимераза запълва освободената площ
Комплементарни нуклеотиди
5. ДНК лигазата кръстосано свързва възстановената ДНК верига
Поправяне на грешки при репликация на ДНК
чрез метилиране
Грешки в сдвояването на азотни бази по време на репликация на ДНК възникват доста често (при бактериите веднъж на 10 хиляди нуклеотида), в резултат на коетов дъщерната верига на ДНК са включени нуклеотиди, които не са комплементарни на нуклеотидите на майчината верига -несъответствия(Несъответствие на английски език n e мач).
Въпреки факта, чеДНК полимераза Iпрокариотът има способността да се самокоригира, усилията му да елиминира погрешно свързани нуклеотиди понякога не е достатъчно, а след това някои грешни (некомплементарни) двойки остават в ДНК.
В този случай възстановяването се извършва с помощта на специфична система, свързана сДНК метилиране . Действието на тази система за възстановяване се основава на факта, че след репликация, след определено време (няколко минути), ДНК претърпява метилиране.
Е. coli метилиранпреди всичко аденин с образование
N6-метил-аденин (N6-mA).
До този момент новосинтезираните(дъщерно дружество)веригата остава неметилирана.
Ако в такава верига има несдвоени нуклеотиди, тогава тя претърпява възстановяване: Такаметилиране марки ДНК и
включва система за корекция на грешки репликация.
В тази репарационна система се разпознават специални структури:
подпоследователностG-N6-mA-T-Cи следващиязад него деформация
в двойната спирала на мястото на липса на комплементарност (Фигура по-долу).
при елиминирането на несдвоени нуклеотиди в полуметилиранв молекулата на ДНК участва доста сложен комплекс от възстановителни ензими, който сканира повърхността на ДНК молекулата,изрязва част от дъщерната верига прибягвайки до несъответствие, а след това създава условия за надграждане
неговите желани (комплементарни) нуклеотиди.
Различните компоненти на този комплекс имат различни дейности.нуклеаза,
хеликаза,
ATPaznoy,
необходими за въвеждане на прекъсвания в ДНК и разцепване на нуклеотиди, развиване на двойната спирала на ДНК и осигуряване на енергия за движението на комплекса по протежение на ремонтираната част на молекулата.
Комплекс от възстановителни ензими, сходни по структура и функции, е открит и при хората.
Рекомбинантно (пострепликативно) възстановяване
В случаите, когато по една или друга причина горепосочените системи за възстановяване са нарушени, могат да се образуват празнини (недоремонтирани зони) в ДНК вериги, които имат понякога доста значими, което е изпълнено с нарушаване на системата за репликация и може да доведе до клетъчна смърт.
В този случай клетката е в състояние да използва за възстановяване на една ДНК молекула друга ДНК молекула, получена след репликация, т.е. да включи за тази цел механизмарекомбинация.
В бактерии
При бактериите участва рекомбинантно възстановяванеRec A протеин. Той се свързва с едноверижна ДНК област и я включва в рекомбинация схомоложни области на непокътнати вериги на друга ДНК молекула .
В резултат на това както счупените (съдържащи пропуски), така и непокътнатите вериги на възстановяваната ДНК молекула се оказват сдвоенис непокътнати комплементарни ДНК региони, което отваря възможността за възстановяване от гореописаните системи.
В същото време може да има изрязванеспецифичен фрагмент и
пълненес негова помощ пропуски в дефектната верига.
Получените пропуски и прекъсвания във веригите на ДНК се запълват с участието наДНК полимераза I и ДНК лигаза .
SOS репарация
Съществуването на тази система за първи път е постулирано от М. Радман през 1974 г. Той също така дава името на този механизъм, като включва в него международния сигнал за бедствие "SOS" (спаси нашите души).
Всъщност тази система се включва, когато увреждането на ДНК става толкова голямо, че заплашва живота на клетката. В този случай се индуцира активността на разнообразна група гени, участващи в различни клетъчни процеси, свързани с възстановяването на ДНК.
Включването на определени гени, определени от размера на увреждането в ДНК, води до клетъчни отговори с различно значение (започвайки от стандартните репарация на повреденитенуклеотиди и край потисканеклетъчно делене).
Най-изучаванSOS репарацияв E. coli, чиито основни участници са кодирани протеини гени Рек АиЛекс А.
Първият е многофункционаленRec A протеинучастващи
в ДНК рекомбинация, както и
в регулиране на генната транскрипция фаг ламбдакойто заразява E. coli,
и второ (протеин Lex A)е репресортранскрипция на голяма група гени, предназначени за възстановяване на ДНКбактерии. Когато е инхибиран или разрешен ремонтът е активиран.
Обвързване Rec A с Lex Aводи до разцепването на последнотои съответно на активиране на ремонтни гени.
От своя страна индукцията на бактериалната SOS система служи зафаг ламбда сигнал за опасности кара профага да се превключи от пасивен към активен (литичен) пътсъществуване, като по този начин причинява смърт на клетката гостоприемник.
Системата за възстановяване на SOS е открита не само при бактерии, но и при животни и хора.
Гени, участващи в възстановяването на SOS ДНК щети
| гени | Последици от активиране на ген |
| uvr A, B, C, D | Възстановяване на увреждане на вторичната структура на ДНК |
| Рек А | Пострепликативен ремонт, индукции на SOS система |
| лекс А | Изключване на SOS системата |
| rec N, ruv | Ремонт на двойни счупвания |
| Осигуряване на рекомбинационен ремонт |
|
| ум C, D | Мутагенеза, причинена от промени в свойствата на ДНК полимеразата |
| сул А | Потискане на клетъчното делене |
Заключение
Възстановяването на увреждане на ДНК е тясно свързано с други фундаментални молекулярно-генетични процеси: репликация, транскрипция и рекомбинация.Всички тези процеси са преплетенив обща система от взаимодействия, обслужвани от голям брой различни протеини, много от които са полифункционални молекули, участващи в контрол върху прилагането на генетична информацияв про- и еукариотни клетки. В същото време е ясно, че природата "не пести"върху контролните елементи, създавайки най-сложните системи за коригиране на тези повреди в ДНК, които са опасниза организма и особено за неговото потомство. От друга страна, в случаите, когато репаративният капацитет не е достатъчен за поддържане на генетичния статус на организма, има нужда от програмирана клетъчна смърт -апоптоза..
СХЕМА НА НУКЛЕОТИДНА ЕКЦИЗИОННА РЕМОНТ В Е. КОЛИС УЧАСТИЕТО НА EXINUCLEASE
1. ТРАНСКРИПЦИОННО НЕЗАВИСИМ МЕХАНИЗЪМ
2. ЗАВИСИМ ОТ ТРАНСКРИПЦИЯ МЕХАНИЗЪМ
3. ОБЩ ЕТАП НА РЕМОНТ
СИМВОЛИ
А - протеинувр НО
B - протеинувр AT
C - протеинувр С
малък черен триъгълник - знакът показва местоположението на повредата
СХЕМА ЗА РЕМОНТ, СВЪРЗАНА С МЕТИЛИРАНЕ НА ДНК
Синтезът на ДНК се осъществява по полуконсервативен механизъм: всяка верига от ДНК се копира. Синтезът се извършва в секции. Има система, която елиминира грешките при репликацията на ДНК (фоторепарация, предрепродуктивен и пострепродуктивен ремонт). Процесът на ремонт е много дълъг: до 20 часа и сложен. Ензими – рестрикционните ензими изрязват неподходяща част от ДНК и я завършват отново. Ремонтите никога не протичат със 100% ефективност, ако беше така, еволюционната променливост нямаше да съществува. Механизмът за възстановяване се основава на наличието на две комплементарни вериги в молекулата на ДНК. Изкривяването на нуклеотидната последователност в един от тях се открива от специфични ензими. След това съответното място се отстранява и се заменя с ново, синтезирано върху втората комплементарна ДНК верига. Тази репарация се нарича ексцизия,тези. с изрязване. Извършва се преди следващия цикъл на репликация, така че се нарича още предрепликативни.В случай, когато системата за възстановяване на ексцизия не коригира промяна, възникнала в една ДНК верига, по време на репликацията тази промяна се фиксира и става собственост на двете ДНК вериги. Това води до замяна на една двойка комплементарни нуклеотиди с друга или до поява на прекъсвания в новосинтезираната верига срещу променените места. Възстановяването на нормалната структура на ДНК може да се случи и след репликация. Репарация след отговорсе осъществява чрез рекомбинация между две новообразувани двойни вериги на ДНК. По време на предрепликативно и пострепликативно възстановяване по-голямата част от увредената ДНК структура се възстановява. Ако в клетката, въпреки текущия ремонт, количеството на увреждането остане голямо, процесите на репликация на ДНК в нея се блокират. Такава клетка не се дели.
19. Ген, неговите свойства. Генетичен код, неговите свойства. Структура и видове РНК. Обработка, снаждане. Ролята на РНК в процеса на реализация на наследствена информация.
ген - участък от ДНК молекула, който носи информация за структурата на полипептидна верига или макромолекула. Гените на една хромозома са подредени линейно, образувайки група за свързване. ДНК в хромозомата изпълнява различни функции. Има различни последователности от гени, има последователности от гени, които контролират генната експресия, репликация и т.н. Има гени, които съдържат информация за структурата на полипептидната верига, в крайна сметка структурни протеини. Такива последователности от нуклеотиди с дължина един ген се наричат структурни гени. Гените, които определят мястото, времето, продължителността на включването на структурните гени са регулаторни гени.
Гените са малки по размер, въпреки че се състоят от хиляди базови двойки. Наличието на ген се установява от проявата на признака на гена (краен продукт). Общата схема на структурата на генетичния апарат и неговата работа е предложена през 1961 г. от Джейкъб, Монод. Те предполагат, че има участък от молекулата на ДНК с група структурни гени. В съседство с тази група е 200 bp място, промоторът (мястото на свързване на ДНК-зависима РНК полимераза). Генът на оператора граничи с този сайт. Името на цялата система е оперон. Регулирането се осъществява от регулаторен ген. В резултат на това репресорният протеин взаимодейства с операторския ген и оперонът започва да работи. Субстратът взаимодейства с генните регулатори, оперонът е блокиран. Принцип на обратна връзка. Изразът на оперона е включен като цяло.
При еукариотите генната експресия не е изследвана. Причината са сериозни пречки:
Организация на генетичен материал под формата на хромозоми
При многоклетъчните организми клетките са специализирани и поради това някои от гените са изключени.
Наличието на хистонови протеини, докато прокариотите имат "гола" ДНК.
ДНК е макромолекула; тя не може да влезе в цитоплазмата от ядрото и да предаде информация. Синтезът на протеин е възможен благодарение на иРНК. В еукариотна клетка транскрипцията се извършва с огромна скорост. Първо се появява pro-i-RNA или pre-i-RNA. Това се обяснява с факта, че при еукариотите иРНК се образува в резултат на обработка (узряване). Генът има прекъсната структура. Кодиращите области са екзони, а некодиращите области са интрони. Генът в еукариотните организми има екзон-интронна структура. Интронът е по-дълъг от екзона. В процеса на обработка интроните се "изрязват" - снаждане. След образуването на зряла иРНК, след взаимодействие със специален протеин, тя преминава в система - информозомата, която носи информация към цитоплазмата. Сега екзон-интронните системи са добре проучени (например онкоген - P-53). Понякога интроните на един ген са екзони на друг, тогава сплайсингът не е възможен. Обработката и сплайсингът са в състояние да комбинират структури, които са отдалечени една от друга, в един ген, така че те са от голямо еволюционно значение. Такива процеси опростяват видообразуването. Протеините имат блокова структура. Например, ензимът е ДНК полимераза. Това е непрекъсната полипептидна верига. Състои се от собствена ДНК полимераза и ендонуклеаза, която разцепва ДНК молекулата от края. Ензимът се състои от 2 домена, които образуват 2 независими компактни частици, свързани с полипептиден мост. Има интрон на границата между два ензимни гена. Някога домейните бяха отделни гени и след това се сближиха. Нарушенията на такава генна структура водят до генни заболявания. Нарушаването на структурата на интрона е фенотипно незабележимо, нарушението в екзонната последователност води до мутация (мутация на глобинови гени).
10-15% от РНК в клетката е трансферна РНК. Има допълващи се региони. Има специален триплет - антикодон, триплет, който няма комплементарни нуклеотиди - GHC. Взаимодействието на 2 субединици на рибозомата и иРНК води до иницииране. Има 2 места - пектидил и аминоацил. Те отговарят на аминокиселини. Синтезът на полипептида става стъпка по стъпка. Удължаване – процесът на изграждане на полипептидна верига продължава, докато достигне до безсмислен кодон, след което настъпва терминация. Синтезът на полипептида завършва, който след това навлиза в ER каналите. Подединиците се отделят. В клетката се синтезират различни количества протеин.
възстановяване на ДНК- това е неговата поправка, тоест коригиране на грешки, които възникват в структурата на молекулата. Думата "ремонт" идва от английското "ремонт", преведено като "ремонт", "ремонт" и т.н.
Грешките в структурата на ДНК, които могат да бъдат поправени, най-често се разбират като нарушение на последователността на нуклеотидите – структурните единици, които изграждат всяка верига на ДНК. Молекулата на ДНК се състои от две вериги, които се допълват една с друга. Това означава, че ако възникне повреда в една от веригите, тогава втората неповредена може да възстанови повредената част на първата. В допълнение, в еукариотните клетки всяка хромозома е хомоложна, тоест съдържа същия набор от гени (но не алели). В краен случай, когато място на двете вериги на молекулата е повредено, то може да бъде копирано от хомоложната хромозома. Също така след S-фазата на клетъчния цикъл, когато е настъпила репликация (самокопиране), всяка хромозома се състои от две двойноверижни хроматиди, идентични една на друга, т.е. всъщност от две идентични ДНК молекули. Това може да се използва и за възстановяване на оригиналната структура на увредена молекула.
В процеса на еволюция са се появили много различни клетъчни молекулярни механизми, отговорни за възстановяването на ДНК. По принцип това са различни ензими и техните комплекси. Някои от тях също участват в репликацията. Особено опасно е увреждането на гените, които кодират такива ензими. Това води до загуба на един или друг механизъм за репарация. В този случай в клетките настъпва по-бързо натрупване на увреждане и мутации. Често това е причината за неконтролируемо делене на клетките, т.е. появата на тумори.
От друга страна, ако увреждането на ДНК е особено силно, тогава в клетките се активира механизмът на самоунищожение ( апоптоза). По този начин на такива клетки не е позволено да се делят, което означава, че следващото поколение няма да съдържа значително увреждане на ДНК.
Грешки в структурата на ДНК могат да възникнат на различни етапи от нейното съществуване (по време на синтез, в пред- и следсинтетични периоди), по различни причини (случайно, под въздействието на хим. активни вещества, радиация и др.). Освен това промените са различни (загуба химическа групануклеотид или добавяне на допълнителен, замяна на нуклеотид с друг, установяване на химическа връзкамежду два съседни нуклеотида, прекъсване на веригата, загуба на място и т.н.). Поради това разнообразие е трудно да се класифицират механизмите за репарация. Често те се разделят на тези, които възникват по време на репликация, непосредствено след нея и по време на почивката. жизнен цикълклетки. Най-изучаваните причини за промени в структурата на ДНК и методи за възстановяване са изброени по-долу.
Трябва да се има предвид, че не всички грешки се коригират, относително незначителни и некритични могат да бъдат предадени на следващото поколение клетки и организми. Те не могат да се нарекат увреждане, по-скоро - мутации. Повечето мутации са вредни, но тези, които са неутрални или полезни при дадени условия заобикаляща среда, служат като материал за еволюцията. Така несъвършенството на механизмите за възстановяване на ДНК осигури разнообразието на живота на нашата планета.
Корекция на нуклеотидната последователност по време на репликация
ДНК полимеразите изпълняват основната работа по репликацията на ДНК чрез добавяне на нуклеотид по нуклеотид към нова верига. В допълнение към основната функция, много полимерази са в състояние да отстранят последния нуклеотид, който е неправилно прикрепен, т.е. не е комплементарен към нуклеотида на веригата на матрицата.
Химическата структура на нуклеотидите може да бъде донякъде модифицирана. В същото време те започват да се свързват чрез водородни връзки, а не със своите допълващи се партньори. Например, цитозинът трябва да се свърже с гуанин. Но неговата променена форма на водород се свързва с аденина, с който се предполагаше да се свърже тиминът.
Когато се синтезира нова ДНК верига, следващият нуклеотид първо се свързва с водородна връзка към комплементарната база на матрицата. След това полимеразата го свързва с края на растящата верига с ковалентна връзка.
Въпреки това, ако това е модифициран нуклеотид, който неправилно се свързва с комплементарната база на родителската верига, тогава той обикновено бързо се връща в първоначалната си форма и става некомплементарен. Водородните връзки са прекъснати и се оказва, че в края на новата верига има свободно висящ нуклеотид, ковалентно свързан със синтезираната верига.
ДНК полимераза в този случайне може да прикачи следващия нуклеотид и не й остава нищо друго освен да премахне този грешен нуклеотид.
Ако водородните връзки не бъдат прекъснати, тогава веригата ще продължи да расте по-нататък зад грешния нуклеотид и точковата мутация ще остане. Може да се коригира след репликация.
Ремонтирайте веднага след репликация
След като бъде синтезирана нова верига на ДНК, определени ензимни комплекси разпознават несъответстващи бази. В същото време има проблем с определянето на новите и стари вериги на ДНК молекулата. Новият се отличава с отсъствието на метилирани бази и при еукариотите с наличието на времеви интервали. Според тези характеристики ензимните комплекси идентифицират точно новосинтезираната верига. Така при некомплементарни базови двойки "грешката" е нуклеотидът на новата верига.
След като бъде открита грешка, други ензими изрязват целия участък от ДНК, съдържащ грешна база, а не само един нуклеотид. След това полимеразата възстановява това място и лигазата го зашива с останалата част от веригата. Този механизъм, когато парче ДНК се отрязва и синтезира повторно, се нарича ексцизионен ремонт(от думата excision - изрязване, изрязване), той е доста универсален и се използва в много случаи на ремонт, а не само при "проверка" на ДНК веднага след репликация.
Механизми за възстановяване при увреждане на ДНК
ДНК на организма може да се промени не само поради грешки по време на репликацията. Клетката живее, изложена е на неблагоприятно въздействие външни фактори, неговата вътрешна биохимична среда може да се промени, провокирайки реакции, които са пагубни за ДНК. В резултат на това генетичният материал е някак повреден. В зависимост от вида на увреждането и неговия мащаб се активират различни механизми за възстановяване, включващи малко различни набори от ензимни комплекси.
1. Има ензими, които обръщат нуклеотидните промени in situ, без да премахват ДНК сегменти. С други думи, ако във веригата има нуклеотид, съдържащ основния гуанин (G), който в резултат химическа реакцияприкрепи метилова група и се превърна в метилгуанин, след което ензимът ще го превърне обратно в гуанин. По принцип такова възстановяване на ДНК се отнася до прикрепването-откъсването на определени групи атоми.
2. В случай на загуба на пуринови бази може да настъпи ексцизионно възстановяване. В случай на дезаминиране и някои други структурни промени в основите, ензимите на гликозилазата изрязват само увредената основа на нуклеотида. И едва след това продължава стандартният ексцизионен ремонт.
3. Разрез се изрязва и по време на образуването на димери, когато два съседни нуклеотида са свързани един с друг. Обикновено тези реакции възникват в резултат на излагане на ултравиолетови лъчи. Образуването на димер провокира дивергенцията на комплементарните вериги на ДНК в тази и близките области. Образува се мехурче, което се разпознава от ензимите. След това започва ексцизионният ремонт.
4. Има толкова тежки увреждания на ДНК молекулите, когато структурата на двете й вериги е нарушена на едно и също място. В този случай, според принципа на допълване, вече не е възможно да се възстанови една верига от друга. Един пример за такова увреждане може да бъде разбиването на ДНК молекула на две части, например под действието на силно радиоактивно облъчване.
В случай на увреждане на двете вериги на ДНК молекулата, рекомбинативната репарация може да дойде на помощ, когато вместо повредената част се вмъкне секция от хомоложна хромозома или сестринска хроматида. В случай на счупване има и ензими, които могат да прикрепят отново счупеното парче ДНК. Въпреки това, някои от нуклеотидите могат да бъдат загубени, което от своя страна може да доведе до сериозни мутации.
Рекомбинативното възстановяване по време на предсинтетичния период на клетъчния цикъл може да се случи само между хомоложни хромозоми, тъй като всяка хромозома през този период се състои само от една хроматида. По време на постсинтетичния период, когато хромозомите се състоят от две идентични хроматиди, може да бъде заимстван сайт от сестринска хроматида.
Трябва да се подчертае, че наборът от алели в сестринските хроматиди първоначално е идентичен (ако не е имало кръстосване). Хомоложните хромозоми не го правят. По този начин, от гледна точка на генетиката, истинска рекомбинация се случва само в случай на обмен между хомоложни хромозоми. Въпреки че тук и в двата случая говорим за рекомбинация.
Нека разгледаме такъв пример. Да предположим, че в ДНК е възникнал тиминов димер, който не е поправен преди репликацията. В процеса на репликация веригите на оригиналната ДНК молекула се разминават и върху всяка се изгражда нова комплементарна верига. На шаблонната верига, която съдържа тиминовия димер, не може да бъде изградено ново верижно място в този регион. Тук просто няма нормален модел. В дъщерната нишка се появява празнина, а в майчината нишка остава димер. Тоест тази ДНК молекула "не знае" каква е правилната нуклеотидна последователност на мястото.
Единственият изход в този случай е да вземете назаем парче ДНК от друга хроматида. То е пренесено от една от нейните вериги. Празнината, образувана тук, се изгражда според модела на допълващата верига. Прехвърленото място върху повредената молекула създава празнина в дъщерната верига, докато родителската верига ще продължи да съдържа димер, който може да бъде поправен по-късно.