Жаратылыстану факультеті
-лекция. Репликацияның молекулалық механизмдері
жүктеу/скачать 2,07 Mb.
|
МГҚА. 15 лекция.
Квант 1-4
| 4-лекция. Репликацияның молекулалық механизмдері. Репликация қателіктерін түзеу.
ДНҚ репликациясы. Митоз немесе мейоз жолымен бөлінер алдында жасушаның ДНҚ-сы екі еселенеді (репликацияланады), сондықтан да жаңа жасушалар бастапқы жасушаларға тән генетикалық информация алады. Бұл арада ДНҚ-ның өзін-өзі синтездей (автосинтез) алатын бірден-бір химиялық зат екендігін атап өту керек. 1957 ж. П. Месельсон мен Ф. Сталь ДНҚ автосинтезі жартылай ковсервативті жүретінін арнайы жүргізілген тәжірибелер арқылы дәлелдеді: синтезделген қос тізбектің бірі, яғни жартысы бастапқы матрицалық тізбектен құралған. Тәжірибеде олар Е. Соli бактериясы жасушаларын азоттың ауыр изотопы (N15) бар ортада өсірді. Сонан соң, осы ДНҚ-сы ауыр азот изотопымен белгіленген бактерия жасушалары азоттың әдеттегі изотопы (N14) бар ортаға ауыстырылды. Одан әрі әр түрлі ортада өскен жасушалардан бөлінген ДНҚ полинуклеотидтерінің тығыздығы центрифугалау арқылы тексерілді. ДНҚ молекуласының тығыздығы оған қосылған ауыр азотқа байланысты өзгерді. N14 ортада алғаш рет бөлінгеннен кейін ДНҚ тығыздығы [N15] ДНҚ мен [N14] ДНҚ аралығында болды. N14 ортада екінші бөлінгеннен кейін ДНҚ-ның тығыздығы жартысында жеңіл, екінші жартысында аралық болып шықты.Үшінші рет бөлінгеннен кейін ДНҚ тығыздығы 3/4 бөлігінде [N14] ДНҚ-сының тығыздығына, 1/4 бөлігінде аралық тығыздыққа тең. Жасушалардың бөліну деңгейі мен ДНҚ тығыздығының таралуы арасындағы арақатынас Уотсон-Крик моделі жорамалдаған жартылай консервативті репликация типіне толық сәйкес келеді. ДНҚ репликациясы Е. Соlі бактериясында тыңғылықты зерттелді, қазір осы процестің көптеген сатылары және олардың механизмі белгілі болды. ДНҚ репликациясында ең басты рөльді ДНҚ-полимераза ферменті атқарады. Одан басқа ДНҚ синтезі хеликаза, праймаза, ДНҚ-лигаза, топоизомераза т. б. ферменттердің қатысуымен өтеді. ДНҚ синтезінің механизміне келсек, бұл процесс қос тізбектің белгілі бір бөлікте ажырап, репликациялық айыр құрылуынан басталады. Бұл процеске ерекше хеликаза ферменті қатысады. Эукариоттар мен көптеген бактерияларда осы ферменттердің әсерінен ДНҚ молекуласының матрицалық қос оралымы жоғары және төмен екі бағытта ажыратылады. ДНҚ ажырағаннан кейін де ДНҚ-полимераза ферменті жаңа тізбек синтездей алмайды, өйткені ДНҚ құрылымының өзінде топологиялық қиындықтар бар. Ол ДНҚ-ның оралу дәрежесіне байланысты. Бұл қиындық топоизомераза (әсіресе гираза) ферменттерінің әсері арқылы шешіледі: оралманың ілінген тізбектерін үзіп ажыратады да, репликациялық айырдағы қысымды төмендетеді. ДНҚ-ның қос тізбегі бір-біріне антипараллельді болғандықтан ДНҚ-полимераза III ферменті (сүтқоректілерде ДНҚ-полимераза α жаңа тізбекті тек 5'—3' бағытында ғана синтездейді, демек, ДНҚ тізбегінің әрқайсысының репликациясы жеке-жеке жүреді. Олай болса, ДНҚ-полимераза ДНҚ-ның 3'—5' бағытындағы тізбегін үздіксіз синтездей алады, өйткені матрицалық тізбектің соңы бос 3'— ОН тобынан басталған, дәл осы соңғы бөлікке ғана өсетін ДНҚ тізбегінің келесі нуклеотиді комплементарлық ережеге сәйкес қосыла алады. Бұл тізбектің синтезделуі, екінші тізбекке қарағанда сәл ерте басталады, сол еебепті ол «бастаушы» («жетекші») тізбек деп аталады. ДНҚ-ның екінші 5'—>3' бағытыңдағы («арттa қалған») тізбектің синтезделуі үзілмелі жүреді. Бұл тізбекті ДНҚ-полимераза III ферменті бірден өздігінен синтездей алмайды. «Артта қалған» тізбек синтезін қоздыру үшін ең алдымен РНҚ-ның қысқа (ұзындығы 50 нуклеотидке дейін) фрагменті қажет. Бұл қысқа кесінді праймер (қоздырғыш) деп аталады, олардың синтезделуін праймаза ферменті қамтамасыз етеді. Праймазаның РНҚ-полимераза ферментінен өзгешелігі — молекулалық массасы әлдеқайда төмен және транскрипция процесіне тікелей қатыспайды. Праймердің 3'— ОН — ұшы ДНҚ-полимераза III ферментіне ДНҚ-ның 5'—3' бағытындағы тізбегінің синтезделуін бастау үшін қоздырушы болып табылады. Артта қалған тізбектің синтезделуінің тағы бір ерекшелігі — түзілген жаңа ДНҚ тізбегі әрбіреуінің ұзындығы 1000—2000 нуклеотидке тең жеке үзінділерден тұрады. Бұл үзінділер оларды тұңғыш байқаған жапон ғалымының құрметіне Оказаки фрагменттері деп аталады (1969). Үзілмелі Оказаки фрагменттерінің бір-бірімен қосылуы ДНҚ репликациясын аяқтайды. Бұл процесс ДНҚ-лигаза ферментінің әсері арқылы өтеді. Нәтижесінде бастапқы ДНҚ-ның бір молекуласының орнына нуклеотид құрамы бойынша одан еш айнымайтын ДНҚ-ның бірдей екі молекуласы синтезделеді. Үзілмелі Оказаки фрагменттерінің бір-бірімен қосылуы ДНҚ репликациясын аяқтайды. Бұл процесс — ДНҚ-лигаза ферментінің әсері арқылы өтеді. Нәтижесінде бастапқы ДНҚ-ның бір молекуласының орнына нуклеотид құрамы бойынша одан ешқандай айнымайтын ДНҚ-ның бірдей екі молекуласы синтезделеді. Эукариоттарда ДНҚ репликациясы интерфазаның S-кезеңінде өтеді. Олардың жасушаларында ДНҚ-полимераза ферментінің үш түрі табылды. ДНҚ-ның жаңа тізбегін синтездеуге қатысатын негізгі фермент ДНҚ-полимераза α деп аталады. Бұдан басқа бұл фермент және ДНҚ-полимераза β ферменті жасушаның репарациялық (қалпына келтіру) қызметін қамтамасыз етеді. Полимераза ферментінің үшінші түрі — ДНҚ-полимераза γ-ның ядродағы атқаратын қызметі әзірге беймәлім, ол митохондриядағы ДНҚ репликациясына қатысады деген ғылыми дәйектер бар. Жалпы эукариоттарда ДНҚ синтезі туралы мағлұматтың тым жұтаңдығына қарамастан, бұл процестің басты кескіндері прокариот пен эукариоттар жасушаларында бірдей екені толық дәлелденген деп мәлімдеуге болады. Репликация қателіктерін түзеу. ДНҚ репликациясы барысыңда полимераза ферментінің қызметінде жаңылыс болуы мүмкін: жаңа тізбекке дұрыс емес нуклеотид қосылады (мысалы, А қарсысындағы Т-нің орнына С қосарланады). Алайда, мұндай жаңылыстар — өте сирек құбылыс. Е. Соlі жасушасында in vitro жағдайында жаңадан түзілген жүз мың нуклеотидтің орта есеппен біреуі дұрыс емес екендігі арнайы дәлелденді. Бұл арада полимераза жұмысы жылдамдығының соншалықты жоғары екендігін ескеру қажет: секундына мыңдай нуклеотид! Бірақ осыған қарамастан бактерия үшін бұл дәлдік жеткіліксіз. Е. Соlі бактериясының әр тізбегі орта есеппен үш миллион нуклеотидтен тұратынын ескерсек, бактерия ДНҚ-сының репликациясында отыз дұрыс емес нуклеотид түзіледі. Ал 3 миллиард нуклеотидтен құралған адам ДНҚ-сы репликациясында әрбір жасуша бөлінген сәтте жаңылыс саны елу мыңға жетеді. Осындай ДНҚ репликациясы жаңылыстарын қалпына келтіру «корректорлық түзету» деп аталады. Прокариоттарда нуклеотид қателіктерін полимеразаның өзі, атап айтқанда ДНҚ-полимераза III қалпына келтіре алады, яғни бұл ферменттің де экзонуклеазалық белсенділігі бар: ең соңғы синтезделген нуклеотид өзінің жұбына сай келмесе, ол үзіледі. Өсіп жатқан жаңа тізбектің 3'— ұшына матрицалық тізбекпен қажетті сутек байланысын құра алмайтын жаңылыс нуклеотид пайда болса ғана коррекциялық түзету басталады (15б-сурет). ДНҚ-полимераза III ферментінің осы қызметінің тағы бір ерекшелігі — түзетудің 3'—5' бағытында өтуі, осы процестің нәтижесінде репликацияның дәлдігі едәуір артады (109 жұп негізге бір қателік). Демек, мутация құбылысының сирек өтуі ең алдымен ДНҚ-полимераза I және III ферменттерінің корректорлық қызметіне байланысты. 15-сурет. ДНҚ-ның репликациясы жүктеу/скачать 2,07 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|