Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Глава 4. Синтез азотсодержащих биополимеров



Схематически все процессы образования полипептидов и полинуклеотидов укладываются в следующую схему:

- где над стрелками обозначены названия соответствующих стадий.

 

Общие принципы реакций

Все биополимеры (полипептиды, гетерополисахариды, полинуклеотиды) имеют организацию, - специфическую упаковку в пространстве, поэтому их синтез включает дополнительно и стадию структурирования. А если их звенья еще и отличаются друг от друга, отсюда, чтобы вновь образующийся полимер включал их в строго определенном порядке, необходима матрица, что и отличает генез белков и нуклеиновых кислот от других подобных процессов. Кроме того, любой синтез требует затрат энергии, причем часто в этих случаях используются не обычные макроэрги, а происходит с их помощью предварительная активация субстратов. Исходя из этих предпосылок, можно выделить следующие общие принципы, характерные для этих процессов:

1) Наличие матрицы: в синтезе дочерней ДНК ею служит вся материнская ДНК; для образования РНК используется фрагмент ДНК (ген, или транскриптон); аминокислотная последовательность определяется набором триплетов иРНК.

2) Субстраты предварительно активируются: на первой стадии используются дезоксирибонуклеотидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, ТТФ), генез РНК требует наличия соответственно АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ, полипептиды получаются из аминоацил-тРНК.

3) Основные ферменты, обеспечивающие собственно полимеризацию, относятся к классу трансфераз и называются ДНК-, РНК-полимеразы и пептидилтрансфераза.

4) Сложность образования биополимера выделять в этом процессе две фазы: собственно синтез (как бы начерно) и созревание – укладку в пространстве, химическую модификацию.

5) В собственно синтезе выделяют следующие стадии: а) инициацию – начало; б) элонгацию (longus - длинный) – наращивание цепи; в) терминацию – остановку реакций.

 

Репликация ДНК

Репликация – синтез дочерней ДНК с использованием в качестве матрицы всей молекулы материнской ДНК. С этого процесса и начинается деление клетки в S-фазу (синтетическую). В основе репликации лежат три принципа: а) комплементарности – азотистые основания образующейся дочерней цепи должны обладать химическим и геометрическим соответствием с подобными веществами материнской нити; полуконсервативности – каждая из синтезированных молекул ДНК состоит из одной материнской и одной дочерней; в) однонаправленности – считывание матрицы идет от 5' к 3' концу.

Чтобы порядок азотистых оснований, находящихся внутри нитей ДНК, можно было считывать, необходимо разорвать водородные связи, соединяющие между собой цепи и лишить их спирализации. Для этих целей используются следующие ферменты: топоизомераза и хеликаза. Первая гидролизует на одном из участков полинуклеотида фосфодиэфирная связь, что позволяет этому фрагменту раскрутиться относительно параллельно лежащего:

а затем восстановить связь. Хеликаза разрушает водородные взаимодействия между противолежащими основаниями участков двух цепей:

Под ее действием фрагменты расходятся, образуя репликативную вилку. Затем с помощью праймазы (primer - затравка) синтезируется олигорибонуклеотид – небольшое соединение, состоящее (обратите внимание) из 8-10 монорибонуклеотидов. Оно служит местом, куда крепится основной фермент – ДНК-полимераза. Из-за антипараллельности цепей данные структуры будут локализоваться в разных местах: одна у конца, другая несколько в глубине противоположной нити:

Все дело в том, что ДНК-полимеразы не могут начинать синтез, а способны только добавлять дезоксирибонуклеотидные звенья к 3'-концу уже имеющейся цепи, чем и является праймер. Описано 3 класса данных энзимов: в ядрах присутствуют полимеразы альфа (Роl α), ответственные за хромосомную репликацию, полимеразы бета (Роl β), которые используются при необходимости при репарации. Третий их представитель – ДНК-полимераза гамма (Роl γ) осуществляет синтез кольцевого генома митохондрий.

Присоединение каждого нового нуклеотидного остатка к 3'-концу растущей цепи сопровождается гидролизом макроэргической связи в дНТФ и отщеплением пирофосфата.

Важная деталь – генетический материал живых организмов имеет огромные размеры, но реплицируется с высокой точностью. В среднем при воспроизведении генома (ДНК длиной более 3 млрд пар нуклеотидов) возникает не более 3-х ошибок благодаря наличию специальных механизмов, осуществляющих необходимую коррекцию. Суть последней в том, что ДНК-полимеразы дважды проверяют соответствие каждого нуклеотида матрице: один раз перед включением его в состав растущей цепи и второй – перед присоединением нового нуклеотида. Очередная фосфодиэфирная связь синтезируется лишь в том случае, если последний мономер удлиняющейся дочерней нити ДНК образовал правильную (комплементарную) пару с соответствующим нуклеотидом матрицы. Если же на предыдущей стадии произошло ошибочное спаривание оснований, то фермент возвращает последнее добавленное звено, после чего освободившееся место занимает правильный нуклеотид.

Параллельно с ростом цепи продолжается деспирализация и разделение цепей с помощью топоизомеразы и хеликазы, удлинение репликативной вилки. А так как процесс осуществляется лишь в одном (5' – 3') направлении, что позволяет происходить этому явлению непрерывно только на одной из матричных нитей. На антипараллельной синтез ограничивается сравнительно короткими фрагментами (100-1000 мононуклеотидов), названными по имени обнаружившего их ученого фрагментами Оказаки (с постоянным предварительным синтезом праймеров):

Так продолжается до тех пор, пока вся матрица не выполнит свою функцию, причем во время репликации специальные нуклеазы вычленяют праймеры. Если позволяет направление, ДНК-полимеразы застраивают возникшие бреши, а сшивание сближенных фрагментов обеспечивается ДНК-лигазами – так завершается собственно синтез (стадия терминации).

В тех концах дочерних цепей, где находились праймеры, которые позднее были удалены, не происходит достраивания дезоксирибонуклеотидами (невозможно считывание в обратном направлении), отсюда при каждом делении клетки молекулы новых цепей укорачиваются на 10-20 нуклеотидов, но объем информации при этом не уменьшается, так как потерянные участки ее не несли. Дело в том, что когда в эмбриональных тканях шли усиленные митозы параллельно с этим осуществлялись обратные транскрипции. С помощью теломеразы концы ДНК наращивались теломерными повторами ТТАGGG, роль матрицы при этом выполняла РНК, включающая 450 мононуклеотидов. Поскольку многократно повторенные теломерные последовательности не являются кодирующими, их утрата в процессе деления не приводит к потере информативных участков, тем самым обеспечивается передача генетического материала в поколениях клеток.

Однако в родившемся организме активность теломераз регистрируется лишь в половых, раковых, стволовых клетках, в соматических же эти ферменты не работают. Теломеры постепенно укорачиваются, что в конце концов запускает процессы остановки клеточного цикла и провоцирует апоптоз. Интересный факт: ученые, исследующие рак, до сих пор используют культуру клеток Неlа из опухоли женщины по имени Генриетта Лакс. Эта больная умерла в 1951 году, но клетки ее новообразования продолжают делиться и собираются жить вечно.

Происходящее в момент деления клетки удлинение синтезирующихся нитей ДНК сопровождается их созреванием, что включает спирализацию, суперспирализацию (закручивание цепей вокруг гистоновых нуклеосом), химическую модификацию (гидроксилирование, метилирование, гидрирование азотистых оснований) с образованием минорных оснований, соединение с помощью ионных связей с белками, катионами металлов (К+, Са++, Мg++, Мn++, Fе++, Сu++ и т.д.), которые стабилизируют или, наоборот, дестабилизируют вновь синтезированную молекулу.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.