2010/20 И учебный год
1.Стабильность генетической информации и механизмы ее обеспечения.
Поскольку информация о первичной структуре всех белков организма хранится в ДНК, то повреждение ее структуры может привести к серьезным нарушениям процесса биосинтеза белков и, как следствие, к появлению у организма какой-либо генетической болезни или стать причиной его смерти.
Поэтому природа создала механизм, позволяющий исправлять повреждения структуры ДНК. Эти повреждения могут возникать вследствие неблагоприятного воздействия факторов окружающей среды: ультрафиолетового излучения, каких-либо химических соединений и др.
Механизм исправления повреждений в структуре ДНК получил название репарации ДНК (лат. "reparatio" — восстановление). Репарация ДНК — это ферментативный процесс, в ходе которого происходит узнавание одним ферментом поврежденного участка одной из нитей ДНК, вырезание этого участка другим ферментом и восстановление третьим ферментом правильной структуры ДНК в соответствии с принципом комплементарности.
Механизм репарации возможен, благодаря двуспиральности молекулы ДНК. Другим защитным механизмом против некоторых видов мутаций является свойство вырожденности генетического кода, т. е. существование синонимичных триплетов.
Таким образом, в самой структуре нуклеиновых кислот заключен природный механизм, обеспечивающий стабильность генетической информации живых организмов.
Углеводы широко распространены в природе. На их долю может приходиться до 90% сухого вещества растений. Важность углеводов заключается в том, что они выполняют роль основного источника энергии для живых организмов. Не менее значима опорная функция, которую углеводы выполняют, находясь в клеточных стенках растений.
Высокая стабильность ДНК обеспечивается не только консервативностью её структуры и высокой точностью репликации, но и наличием в клетках всех живых организмов специальных систем репарации, устраняющих из ДНК возникающие в ней повреждения.
Действие различных химических веществ, ионизирующей радиации а также ультрафиолетового излучения может вызвать следующие нарушения структуры ДНК:
· повреждения одиночных оснований (дезаминирование, ведущее к превращению цитозина в урацил, аденина в гипоксантин; алкилирование оснований; включение аналогов оснований, инсерции и делеции нуклеотидов);
· повреждение пары оснований (образование тиминовых димеров);
· разрывы цепей (одиночные и двойные);
· образование перекрестных связей между основаниями, а также сшивок ДНК-белок.
Некоторые из указанных нарушений могут возникать и спонтанно, т.е. без участия каких-либо повреждающих факторов.
Любой тип повреждений ведет к нарушению вторичной структуры ДНК, что является причиной частичного или полного блокирования репликации. Такие нарушения конформации и служат мишенью для систем репарации. Процесс восстановления структуры ДНК основан на том, что генетическая информация представлена в ДНК двумя копиями – по одной в каждой из цепей двойной спирали. Благодаря этому повреждение в одной из цепей может быть удалено репарационным ферментом, а данный участок цепи ресинтезирован в своем нормальном виде за счет информации, содержащейся в неповрежденной цепи.
В настоящее время выявлены три основных механизма репарации ДНК: фотореактивация, эксцизионная и пострепликативная репарация. Последние два типа называются также темновой репарацией.
Фотореактивация заключается в расщеплении ферментом фотолиазой, активируемой видимым светом, тиминовых димеров, возникающих в ДНК под действием ультрафиолетового излучения.
Эксцизионная репарация заключается в узнавании повреждения ДНК, вырезании поврежденного участка, ресинтезе ДНК по матрице интактной цепочки с восстановлением непрерывности цепи ДНК. Такой способ называют также репарацией по типу выщепления – замещения, или более образно механизм «режь – латай». Эксцизионная репарация представляет собой многоэтапный процесс и заключается в:
1) «узнавании» повреждения;
2) надрезании одной цепи ДНК вблизи повреждения (инцизии);
3) удалении поврежденного участка (эксцизии);
4) ресинтезе ДНК на месте удаленного участка;
5) восстановлении непрерывности репарируемой цепи за счет образования фосфодиэфирных связей между нуклеотидами
Рис. Схема эксцизионной репарации
Репарация начинается с присоединения ДНК-N-гликозилазы к поврежденному основанию. Существует множество ДНК-N-гликозилаз, специфичных к разным модифицированным основаниям. Ферменты гидролитически расщепляют N-гликозидную связь между измененным основанием и дезоксирибозой, это приводит к образованию АП (апуринового-апиримидинового) сайта в цепи ДНК (первый этап). Репарация АП-сайта может происходить при участии только ДНК-инсертазы, которая присоединяет к дезоксирибозе основание в соответствии с правилом комплементарности. В этом случае нет необходимости разрезать цепь ДНК, вырезать неправильный нуклеотид и репарировать разрыв. При более сложных нарушениях структуры ДНК необходимо участие всего комплекса ферментов, участвующих в репарации (Рис. 6.2.): АП-эндонуклеаза распознает АП-сайт и разрезает возле него цепь ДНК (II этап). Как только в цепи возникает разрыв, в работу вступает АП-экзонуклеаза, которая удаляет фрагмент ДНК, содержащий ошибку (III этап). ДНК-полимераза b застраивает возникшую брешь по принципу комплементарности (IV этап). ДНК-лигаза соединяет 3¢-конец вновь синтезированного фрагмента с основной цепью и завершает репарацию повреждения (V этап).
Пострепликативная репарация включается в тех случаях, когда эксцизионная не справляется с устранением всех повреждений ДНК до её репликации. В этом случае воспроизведение поврежденных молекул приводит к появлению ДНК с однонитевыми пробелами, а нативная структура восстанавливается при рекомбинации.
Врожденные дефекты системы репарации являются причиной таких наследственных заболеваний, как пигментная ксеродерма, атаксия-телеангиэктазия, трихотиодистрофия, прогерия.