Структура нуклеїнових кислот
Матеріальними носіями спадковості як у прокаріотів, так і в еукаріотів є нуклеїнові кислоти. Ще в 1872р. Ф.Мішер повідомив, що виявив у ядрах клітин речовину яка має кислотні властивості, і яку він назвав нуклеїном (nucleus-ядро). Виходячи з даних, накопичених на той час про цю речовину Р.Альтман у 1889р. запропонував її назвати нуклеїновою кислотою. Подальшими дослідженнями було з’ясовано, що нуклеїнова кислота як правило міститься в ядрах клітин усіх видів організмів.
Нуклеїнова кислота-біологічний полімер, що забезпечує збереження та передачу спадкової інформації.
Існує два типи нуклеїнових кислот-дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)ірибонуклеїнова кислота (РНК). ДНК міститься майже виключно в ядрі, а РНК-і в ядрі, і в цитоплазмі.
ДНК.Хімічна організація ДНК дуже своєрідна, вона не схожа на жодну відому в хімії сполуку. Кожна молекула ДНК є полімер, а його мономерами-нуклеотиди, які складаються з трьох елементів: 1) азотистої основи; 2) пентозного цукру; 3) залишку фосфорної кислоти.
Нуклеотиди різняться тільки за структурою першого компонента, тобто за азотистою основою. Азотисті основи-гетероциклічні сполуки, їх кільця складаються з атомів вуглецю і азоту (рис.2.4). До складу нуклеїнових кислот входять два типи азотистих основ: пурини (загальноприйняте позначення R)-аденін (A) і гуанін (Г); піримідини(Y )-тимін (Т) і цитозин (Ц). Загальне позначення всіх основ-N.
Розшифрування структури молекули ДНК було виконано американським вірусологом Дж. Уотсоном та англійським фізіком Ф.Кріком (1953р.), що допомогло їм створити молекулярну модель цього складного полімеру та виявити деякі закономірності:
1)ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, закручених в правий бік і навколо загальної осі в подвійну спіраль;
2)на кожний крок подвійної спіралі припадає 10 азотистих основ, а сам крок становить 0,34 нм. Фосфатні групи знаходяться зовні спіралі, а основи-всередині;
3) ланцюги ДНК утворені послідовністю нуклеотидів, з'єднаних фосфодіефірними зв'язками і об'єднують між собою 2 дезоксирибози;
4)азотисті основи протилежних ланцюгів утворюють водневі зв'язки за принципом комплементарності: аденін завжди зв'язується з тиміном (двома водневими зв'язками), а гуанін-з цитозином (трьома водневими зв'язками), тобто утворюються комплементарні пари А-Т і Г-Ц. Комплементарність-відповідність основ у протилежних ланцюгах ДНК;
5) ланцюги молекули ДНК є антипаралельні. Фосфодіефірні зв'язки в одному з ланцюгів спрямовані від атома вуглецю в 5'- положенні у дезоксирибозі одного нуклеотиду до атома вуглецю в 3'-положенні іншого нуклеотиду. В комплементарному ланцюгу ці зв'язки спрямовані від 3'-до 5'-вуглецю (рис.2.5).
Слід відмітити, що у окремих бактеріофагів ДНК має один ланцюг. Проте, коли вона проникає в бактеріальні клітини, то стає двохланцюговою, як і всі інші ДНК. Молекули ДНК мітохондрій, хлоропластів, хромосом і плазмід бактерій, а також багатьох вірусів мають кільцеву форму, майже вільні від білків і надспіралізовані.
Американський біохімік Е.Чаргафф (родом із Чернівців, Україна) у 1950 році встановив, що в молекулі ДНК кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну-кількості цитозину: А=Т і Г=Ц-правило Чаргаффа. Звідси, А+Г=Т+Ц, тобто (А+Т)+(Г+Ц)=100%.
Залежно від того, до якої групи тварин або рослин належить вид, він має нуклеотидний склад ДНК, виражений коефіцієнтом специфічності (табл..1).
Отже, якщо ми знаємо порядок розміщення нуклеотидів у одному ланцюгу, то за принципом комплементарності відразу ж з'ясовується і порядок послідовності нуклеотидів у другому ланцюгу.
2.1. Закономірності в нуклеотидному складі ДНК (правила Е.Чаргаффа)
| Сума піримідидових нуклеотидів дорівнює сумі пуринових нуклеотидів: Пурини = Піримідини | |
| Вміст тиміну дорівнює вмісту аденіну, а вміст гуаніну дорівнює вмісту цитозину:Т=А, Г=Ц | |
| Кількість 6 аміногруп дорівнює кількості 6–кетогруп: Г+Т=А+Ц | |
Відношення k=  видоспецифічне і називається коефіцієнтом специфічності >1–АТ–тип ДНК(вищі рослини, тварини і багато мікроорганізмів) <1–ГЦ–тип ДНК(більшість мікроорганізмів, особливо бактерій і грибів) | |
Відношення  називається фактором специфічності від 0,45 до 2,8 -мікроорганізми від 0,55 до 0,93 -вищі рослини і тварини |
В молекулі ДНК можна виділити первинну, вторинну і третинну структури. Первинна структура визначається послідовністю нуклеотидів у ланцюгу; вторинна-комплементарністю антипаралельних ланцюгів, з’єднаних водневими зв’язками; третинна-вивчена недостатньо і пов’язана із тримірною просторовою конфігурацією молекул.
Поліморфізм ДНК-здатність подвійної спіралі набувати різних конфігурацій. Поліморфізм залежить від послідовності пар основ, типу пентозного цукру та зовнішніх умов. Рентгеноструктурні дослідження виявили основні типи ДНК: А,- В-, С- і Z- форми (рис.2).
Рис. 2.6. Поліморфізм молекули ДНК (А, В і Z- форми: зліва направо)
В-ДНК-це стандартна уотсон-кріковська структура. Права спираль, з 10 парами основ на виток. Саме в цій формі ДНК існує за фізіологічних умов in vivo.
А-ДНК–також права спіраль, на виток спіралі припадає 11 пар основ, має значний нахил площин пар основ відносно осі спіралі. Реалізується у ДНК лише in vitro за певних умов, далеких від фізіологічних. Проте саме в А-формі існують подвійні спіралі РНК за фізіологічних умов (причиною є заміна дезоксирибози на рибозу). Крім того, ДНК може переходити в А-форму або наближену до неї в комплексах із білками. А-форма виявлена у зневодненому середовищі при високому вмісті калію і натрію. Утворюється при висушуванні волокон В-ДНК.
С-ДНК-має менше основ на один виток спіралі і як слід, інші фізичні характеристики, малодосліджена.
Z-ДНК-ліва спіраль із 12 парами основ. Літера Z свідчить про зигзагоподібну форму цукрофосфатного кістяка ДНК у цій формі (А.Річ). Ця форма зустрічається на ділянках, які збагачені парами Г-Ц. Такі послідовності є в природних ДНК, але перехід у Z-форму відбувається in vitro за умов, які дуже далекі від фізіологічних. Біологічне значення Z-форми залишається не зовсім зрозумілим, хоча знайдено білки, що мають високу спорідненість саме до неї, тобто можуть індукувати В→Z перехід in vivo, а також відіграє істотну роль у процесах рекомбінації і регуляції дії генів.
РНК.Проте ДНК не бере участі в життєдіяльності клітин. Роль посередників у передачі спадкової інформації від ДНК у цитоплазму відіграють рибонуклеїнові кислоти. Взаємовідносини ДНК, РНК і білків можна представити у вигляді схеми:
ДНК→ РНК→Білок
У цьому випадку один з ланцюгів ДНК є матрицею для молекул РНК, що, зокрема, є матрицями синтезу білків або входять до складу рибосом чи переносять амінокислоти.
РНК мають вигляд довгих нерозгалужених полімерних молекул, що складаються з одного ланцюга. Одноланцюгові РНК можуть утворювати подвійні спіралі, якщо різні частини ланцюга мають антипаралельні комплементарні сегменти, пов'язані один з іншим.У частини вірусів РНК є носієм спадкової інформації за відсутності ДНК. Деякі РНК мають каталітичну активність на певні клітинні процеси. РНК-полімер рибонуклеотидів, що складається із фосфорної кислоти, рибози й азотистих основ (аденін, гуанін, цитозин, урацил).
Усі різновиди РНК синтезуються на молекулах ДНК за участю ферментів РНК-полімераз на основі принципу комплементарності. При цьому в синтезованій молекулі аденін ДНК комплементарний урацилу РНК, а гуанін-цитозину (А=У; Г=Ц).
Отже, молекули РНК мають багато спільного із структурою ДНК, але відрізняються низкою ознак: а) вуглеводом є рибоза; б) РНК не містить тиміну, його місце в молекулі займає урацил; в) РНК-одноланцюгова молекула; г) правила Чаргаффа не виконуються.
Типи РНК. На основі розміру, структури і функцій молекул розрізняють три типи рибонуклеїнових кислот (РНК): інформаційна, або матрична (іРНК, або мРНК), транспортна (тРНК) та рибосомальна (рРНК).
іРНК, або мРНК-копія (транскрипт) відповідної ділянки ДНК. Вонаслужить матрицею для синтезу білкової молекули. Кожні три послідовні основи нуклеотидів іРНК називають кодоном, який кодує одну амінокислоту. Вони несуть закодовану інформацію первинної структури білків у цитоплазму, де прикріплюються до рибосом і реалізують цю інформацію. Інформаційна РНК є матрицею для синтезу поліпептидів (білків), тому її називають також матричною. Матрична РНК є шаблоном, на якому будуються поліпептиди відповідно до закладеної генетичної інформації. Звичайно, вона несе інформацію про синтез тільки однієї молекули білка-це так звана моноцистронна іРНК. Іноді вона містить декілька цистронів, розташованих поряд, для різних білків і відома під назвою поліцистронна іРНК. Інформаційна РНК містить інформацію про порядок розташування амінокислот у синтезованому білку. Розташування амінокислот кодується чіткою послідовністю нуклеотидів у молекулі іРНК (генетичний код). Кожній амінокислоті відповідає свій триплет нуклеотидів (кодон). Молекули іРНК складаються з 300-3000 нуклеотидів. Вони становлять 0,5-3,0 % маси всіх РНК клітини. Інформаційна РНК утворюється в ядрі у вигляді незрілої про-іРНК, яка містить і неінформативні послідовності нуклеотидів-інтрони. В результаті сплайсингу (вирізання інтронних ділянок і зшивання екзотів у кінцевий транскрипт) вона "дозріває" і надходить у цитоплазму, де відразу приєднується до рибосом. При цьому сплайсинг може бути спрямований по різних шляхах-альтернативний сплайсинг-призводить до утворення різних кінцевих продуктів-різних білків. Проте іноді, іРНК може накопичуватися у клітинах, зв'язуватися із спеціальними білками, що "консервують" її, з утворенням інформосом. У такому вигляді інформація може тривалий час зберігатися у клітинах. Поштовхом для їх використання є фізіологічні зміни в клітині, що призводять до активації синтезу білка. Наприклад, в овоциті накопичується багато інформосом, а їх ІРНК починає функціонувати тільки після запліднення.
тРНК (ключовий момент системи трансляції)-утворюються на спеціальних генах. тРНК-короткі, однониткові, мають форму листка конюшини завдяки комплементарному сполученню основ на різних ділянках ланцюга, складаються з невеликого числа нуклеотидів-75-90 (рис.2.7). У клітині на долю тРНК приходить 10-20%. Молекули тРНК переносять до місць синтезу білків тільки відповідні їм амінокислоти з цитоплазми. Кожній амінокислоті відповідає своя тРНК внаслідок особливостей нуклеотидної послідовності та просторової структури. Оскільки для кожної амінокислоти є відповідна тРНК, то розпізнавання кодонів іРНК відбувається за допомогою антикодонів молекули тРНК. Антикодон-це три послідовних основи на антикодовій петлі тРНК, які комплементарні основам кодона іРНК:
тРНК: 3´... — А — А — Г — ... 5' — антикодон;
іРНК: 5'... — У — У — Ц — ... 3' — кодон.
Молекули тРНК мають чотири важливі ділянки: а) транспортну; б) антикодон; в) ділянку приєднання фермента; г) ділянку зв'язування з рибосомою.
Один кінець молекули (акцепторний) призначений для приєднання амінокислот, а другий містить антикодон, що складається з трьох нуклеотидів. До транспортної ділянки приєднується специфічна амінокислота. Вона утворена двома комплементарними кінцевими ділянками РНК, 3'-кінець якої складається з семи пар основ. Він довший і формує одноланцюгову ділянку, що закінчується послідовністю ЦЦА з вільною ОН-групою. До цієї групи приєднується амінокислота, що транспортується. Антикодон складається з п'яти нуклеотидів. У центрі-три специфічних рибонуклеотиди (триплет). У період синтезу білка антикодон знаходить відповідний йому кодон на іРНК і тимчасово приєднується до нього водневими зв'язками.
 |
Рис. 2.7. Будова молекули тРНК: 1- 3 петля (відповідно, 1, 2, 3); 4-акцепторний кінець; 5-ОН 3'-кінець; 6-5'-кінець; 7-антикодон; 8-модифікаційні нуклеотиди (Пішак В.П., Бажора Ю.І., Брагін Ш.Б. та ін., 2004.-С.- 89.)
Ділянка приєднання ферменту-це спеціальна частина молекули тРНК для специфічного зв'язування з ферментом аміноацил-тРНК-синтетазою, що каталізує приєднання амінокислоти до молекули тРНК. Ділянка зв'язування з рибосомою-особлива частина молекули (певна послідовність нуклеотидів) тРНК, що потрібна для прикріплення до рибосоми.
рРНК-складають до 90% усієї РНК клітини, досить стабільні. Утворюються на спеціальних генах ДНК в ядерці. рРНК-велика одноланцюгова розгалужена молекула, що включає 3000-5000 нуклеотидів. У каріоплазмі рРНК і різні білки об’єднуються у співвідношенні 1:1 для утворення малих і великих субодиниць рибосом. Рибосомальна РНК утворює структурний каркас рибосоми, їй належить важлива роль у процесі синтезу білків та забезпечує зв'язування іРНК з рибосомами за допомогою певних послідовностей нуклеотидів. Так встановлюється початок і рамка зчитування інформації з іРНК. Багато білків рибосом виконують не тільки структурну, але й ферментативну функцію.
Таким чином, чотири різновиди нуклеїнових кислот мають багато спільного в будові, але виконують різноманітні функції.
РЕПЛІКАЦІЯ ДНК
Найважливіший молекулярний процес, який лежить в основі всіх різновидів поділу клітин, всіх типів розмноження. Для кожного виду дуже важливо підтримувати сталість свого генотипу та фенотипу і зберігати незмінність нуклеотидної послідовності генетичного коду. Для цього необхідно абсолютно точно відтворювати молекули ДНК перед кожним поділом клітини, тобто основне функціональне значення реплікації-забезпечення нащадка стабільною генетичною інформацією розвитку, функціонування і поведінки.
Реплікація-процес самоподвоєння молекули ДНК, де роль матриці виконує сама молекула ДНК. Реплікація ДНК відбувається в ядрі під час S-періоду інтерфази. На цей час хромосоми під світловим мікроскопом не виявляються. В процесі реплікації дві нитки ДНК розділяються, кожна з них є шаблоном (матрицею) для синтезу вздовж неї нової нитки. Послідовність основ, що повинні бути в нових нитках, можна легко передбачити, тому що вони комплементарні основам, що присутні у старих нитках. Таким чином, утворюються дві дочірні молекули, ідентичні материнській. Кожна дочірня молекула складається з однієї старої (материнської) нитки й однієї нової нитки. Оскільки тільки одна материнська нитка збережена в кожній дочірній молекулі, такий тип реплікації має назву напівконсервативного (рис. 2.8.).
Рис. 2.8. Напівконсервативний механізм реплікації ДНК:1-батьківська молекула ДНК; 2-нова дочірня молекула ДНК; 3-материнський ланцюг; 4-дочірній ланцюг (Пішак В.П., Бажора Ю.І., Брагін Ш.Б. та ін., 2004.-С.- 90.)
Реплікація ДНК складний, багатоступеневий процес, що вимагає залучення великої кількості спеціальних білків і ферментів. Наприклад, ініціаторні білки утворюють реплікаційну вилку, ДНК-топоізомерази розкручують ланцюги, ДНК-геліказа і дестабілізуючий білок розщеплюють ДНК на два окремих ланцюги, ДНК-полімераза і ДНК-праймаза каталізують полімеризацію нуклеотидтрифосфатів і утворення нового ланцюга, ДНК-лігази руйнують РНК-затравки на відстаючих ланцюгах ДНК та ін.(рис.2.9.). Швидкість реплікації в еукаріотів дуже велика і складає 50 нуклеотидів за секунду, а в прокаріотів-до 2000 нуклеотидів за секунду.
Точність реплікації забезпечується комплементарною взаємодією азотистих основ матричного ланцюга і ланцюга, що будується. Як і всякий синтез лінійних полімерів реплікація ДНК складається з ініціації, елонгації ланцюгів і термінації (закінчення) процесу.
Ініціація реплікації відбувається в чітко визначеному локусі. Розкручування ДНК починається з певної точки. Така точка називається точкою ініціації реплікації. Для визначення точки ініціації необхідні специфічні білки-ініціатори. У вірусів і прокаріотів є тільки одна точка ініціації. В еукаріотів, що мають великі молекули ДНК, може бути багато точок ініціації реплікації, які, зрештою, зливаються одна з однією при повному роз'єднанні ланцюгів ДНК. Реплікація обох ланцюгів ДНК відбувається одночасно і безупинно. Подвійна спіраль ДНК розкручується і розгортається на окремі нитки ДНК шляхом розриву слабких водневих зв'язків між комплементарними нуклеотидами. Цей процес забезпечують ферменти-гелікази. Оголені основи А, Т, Г і Ц обох ланцюгів проектуються в каріоплазму. Ферменти, що названі топоізомеразами, розривають і заново зшивають окремі нитки ДНК, допомагають розкручуванню спіралі. Завдяки роз'єднанню ланцюгів ДНК виникають реплікаційні вилки. Нові нитки ДНК утворюються на кожному із звільнених ланцюгів, їх ріст відбувається в протилежних напрямках.
Рис. 2.9. Схематичне зображення процесу реплікації, цифрами позначені: 1-ланцюг, що відстає; 2-ланцюг-лідер; 3-ДНК-полімераза (Polα); 4 – ДНК лігаза; 5-РНК-праймер; 6-ДНК-праймаза; 7-фрагмент Окадзакі; 8-ДНК-полімераза (Polδ); 9-хеліказа; 10-одиночний ланцюг зі зв'язаними білками; 11-топоізомераза.
2. Елонгація-це додавання дезоксирибонуклеотиду до 3´-кінця ланцюга, що росте. Процес каталізується ДНК-полімеразою. При цьому необхідна присутність іонів металів Мn2+ або Mg2+ . ДНК-полімераза може полімеризувати дезоксирибонуклеотиди в напрямку 5´-3´, тобто від вуглецевого 5´-кінця до вуглецевого 3´-кінця молекул ДНК. Оскільки дві нитки ДНК є антипаралельними, нові нитки повинні утворюватися на старих (материнських) нитках у протилежних напрямках. Одна нова нитка утворюється в напрямку 5´-3´. Ця нитка називається провідною. На другій материнській нитці утворюються короткі сегменти ДНК у напрямку 3´-5´. Згодом вони з’єднуються разом, утворюючи довгу відстаючу нитку. На відстаючій нитці спочатку утворюється короткий ланцюг РНК за шаблоном ДНК. Вона називається РНК-праймером (РНК-затравка) і містить послідовність із 10-60 нуклеотидів. Фермент праймаза каталізує полімеризацію блоків РНК (А, У, Г, Ц) у праймері. РНК-праймер утворюється тому, що ДНК-полімераза не може ініціювати синтезованої нитки ДНК у відстаючому ланцюгу в напрямку 3’-5’ вона тільки може каталізувати її ріст. ДНК-полімераза здатна здійснювати синтез ДНК тільки в напрямку -3´-5´; ось чому відстаючий ланцюг синтезується невеличкими фрагментами (фрагментами Окадзакі), для ініціації яких потрібна попереднє утворення коротких РНК-затравок (праймерів). Праймери пізніше віддаляються, а на їх місці утворюються фрагменти нового ланцюга ДНК, які називаються фрагментами Окадзакі,і складаються із 100-200 нуклеотидів. Ці фрагменти легко зшиваються полінуклеотидлігазами, в результаті чого утворюється другий повноцінний ланцюг. Цей процес називається дозріванням.
3.Термінація. Після завершення процесу реплікації молекули, що утворилися, розділяються, і кожна дочірня нитка ДНК скручується разом з материнською в подвійну спіраль. Так утворюються дві молекули ДНК, ідентичні материнській. Вони формуються окремими фрагментами по довжині хромосоми. Такий окремий фрагмент ДНК, що подвоюється на одній хромосомі, називається репліконом. Виникає відразу декілька репліконів. Після завершення реплікації в репліконах вони зшиваються ферментами ДНК-лігазив одну молекулу ДНК. Порушення механізму реплікації призводить до порушення синтезу білків і розвитку патологічних змін клітин і органів.
Існує три матричні механізми реплікації ДНК:
1)консервативний: при якому нові молекули не містять матеріалу батьківських ланцюгів;
2)напівконсервативний: при якому нова молекула представлена одним батьківським і одним заново синтезованим ланцюгом;
3)дисперсний: коли матеріал вихідної молекули невизначено розподіляється в обох дочірніх молекулах.
Значення реплікації: а) процес є важливим молекулярним механізмом, що лежить в основі всіх різновидів поділу клітин про- й еукаріотів; б) забезпечує всі типи розмноження як одноклітинних, так і багатоклітинних організмів; в) підтримує сталість клітинного складу органів, тканин і організму внаслідок фізіологічної регенерації; г) забезпечує тривале існування окремих індивідуумів та видів організмів; д) процес сприяє точному подвоєнню інформації; ж) у процесі реплікації можливі помилки (мутації), що може призводити до порушення синтезу білків з розвитком патологічних змін.
РЕПАРАЦІЯ ДНК
Генетична інформація може надійно зберігатися у нуклеотидних послідовностях ДНК лише тому, що широкий набір різних реплікаційних ферментів здійснює безупинний «огляд» ДНК і видаляє з неї ушкоджені нуклеотиди. Здатність клітин до виправлення пошкоджень у молекулах ДНК отримала назвурепарації.
Ці пошкодження можуть виникати в результаті дії: екзогених факторів (хімічних факторів середовища, фізичних полів, що іонізують випромінення); ендогених факторів (мутагенної дії ряду метаболітів, що виникають під час реакції обміну речовин, теплового руху молекул, помилок реплікації).
Часто системи репарації працюють під час або відразу після реплікації. Більшість репараційних процесів передбачає видалення пошкодженої одноланцюгової ділянки з наступним синтезом ДНК за допомогою ДНК-полімераз. Але є й такі процеси, що пов'язані з безпосереднім «виправленням» пошкодженого елемента за рахунок прямої дії певних ферментів (пряма репарація). Жодна репараційна система не має 100% ефективності-частина пошкоджень залишається в ДНК, унаслідок чого відбуваються заміни нуклеотидів, втрати ділянок послідовності та інші порушення спадкової програми.
Процес репарації ДНК полягає в тому, що генетична інформація подана в ДНК двома копіями-по одній в кожному з двох ланцюгів подвійної спіралі ДНК (рис.2.10). Завдяки цьому, випадкове пошкодження в одному з ланцюгів може бути видалено реплікаційним ферментом і ушкоджена ділянка ланцюга ресинтезована у своєму нормальному вигляді за рахунок інформації, що міститься у неушкодженому ланцюгу.
«Випинання» спіралі, що визвано неспарованою порушеною основою:
Надріз Надріз
Видалення ділянки ланцюга, що містить невірну основу
Рис.2.10. Схема репарації
Розрізняють наступні типи репарації ДНК: пряма, постреплікативна (рекомбінаційна), ексцизійна.
Пряма репарація: зшивання одноланцюгового розриву ДНК-лігазою.
Постреплікативна (рекомбінаційна) репарація: здійснення реплікації, оминаючи пошкодження у складі матриці (ферменти: ДНК-полімераза або ендонуклеаза).
Ексцизійна репарація: пошкоджена одноланцюгова ділянка вирізається з ДНК, а інший ланцюг використовується далі як матриця для нового синтезу. Існує два варіанти такої репарації. При ексицизійній репарації азотистих основ, що відбувається в усіх організмів, модифікована азотиста основа розпізнається ферментом, який відщеплює її від дезоксирибози і в ДНК залишається прогалина довжиною в один нуклеотид. Ця прогалина заповнюється ДНК-полімеразою β (в еукаріотів), а у прокаріотів заповнення прогалини здійснюється ДНК-полімеразою І. Ексцизійна репарація нуклеотидів пов´язана із вирізанням однрланцюгової ділянки ДНК, яка містить пошкодження (модифіковану основу, тиміновий димер тощо).
Іноді в клітині активуються процеси, які прийнято також називати репарацією, хоча насправді вони є засобом здійснити реплікативний синтез ДНК, «не звертаючи уваги» на пошкодження її структури. Реплікативний механізм зазвичай зупиняється, зустрічаючи пошкодження у складі матриці. Якщо таких пошкоджень надто багато, й істинні репараційні системи не встигають їх виправити, перемикання на неточний синтез ДНК дає клітині шанс на виживання. Пошкодження при цьому залишаються, що спричинює виникнення мутацій. Усі процеси такого типу зазвичай об'єднують під назвою SOS-репарації-механізмів синтезу ДНК, толерантних до пошкоджень.
Наслідки порушення репарації: наявність мутацій, які викликають тяжкі природжені захворювання (наприклад, пігментна ксеродерма).
Контрольні запитання і завдання
1.З яких трьох елементів складається нуклеотид? Чим хімічно різняться між собою рибо- і дезоксирибонуклеїнові кислоти?
2.Опишіть основні риси структури подвійної спіралі ДНК. Які взаємодії стабілізують подвійну спіраль? Що лежить в основі комплементарності нуклеотидів? Що таке інтрон і екзон?
4.Опишіть процеси реплікації і репарації. Дайте визначення реплікативної вилки. Яка різниця між двома ланцюгами ДНК, що синтезуються під час реплікації? Що таке фрагменти Оказакі? Що таке праймер?
Тести до самоконтролю
1. У клітинах людини під дією ультрафіолетового випромінювання відбулося пошкодження молекули ДНК. Однак за допомогою специфічних ферментів пошкоджена ділянка молекули ДНК була відновлена. Як називається це явище?
а) реплікація
б) дуплікація
в) репарація
г) зворотна транскрипція
д) термінація
2. Правило Чаргаффа свідчить про рівне співвідношення пуринових та піримідинових азотистих основ, що входять до складу молекул ДНК будь-якого організму. Співвідношення між сумами комплементарних основ (А+Т)/(Г+Ц) свідчить про:
а) кількість білків, закодованих у ДНК
б) філогенетичні зв'язки організму
в) розміри молекули ДНК
г) видову належність організму
д) ступінь мутування
3. У хворого виявлене спадкове захворювання-пігментна ксеродерма. На шкірі утворилися злоякісні пухлини. У чому суть цієї хвороби?
а) порушується діяльність серцево-судинної системи
б) порушено світлову репарацію тимінових димерів
в) з великою частотою утворюються тимінові димери
г) часто відбувається метилювання пуринів
д) порушено обмін меланіну
4. Експресія генів є багатоступеневим процесом, у результаті чого інформація, закодована в ДНК, переводиться в послідовність амінокислот поліпептиду. Визначте, який із названих етапів не входить до цього процесу:
а) транскрипція
б) процесинг
в) сплайсинг
г) реплікація
д) трансляція
5. В ядрі клітини з молекули незрілої іРНК утворилася молекула зрілої іРНК, яка значно коротша, ніж незріла. Як називається сукупність етапів цього перетворення?
а) реплікація
б) процесинг
в) рекогніція
г) трансляція
д) термінація
6. Під час експериментального дослідження процесу реплікації геному E. coli були виявлені невеликі фрагменти заново синтезованої ДНК. За допомогою якого ферменту вони утворюють полінуклеотидний тяж?
а) ДНК-полімерази
б) ДНК-ази
в) ДНК-залежної РНК-полімерази
г) нуклеотидази
д) ДНК-лігази
7. Відповідно до моделі подвійної спіралі ДНК, запропонованої Уотсоном і Кріком, було встановлено, що один із ланцюгів зберігається при реплікації, а другий синтезується комплементарно першому. Як називається цей спосіб реплікації?
а) консервативний
б) дисперсний
в) аналогічний
г) напівконсервативний
д) ідентичний
8. Які з досліджень послужили першим доказом провідної ролі ДНК у збереженні й передачі спадкової інформації?
а ) дослідження Моргана
б) дослідження Уотсона й Кріка
в) дослідження Гриффітса й Евері
г) дослідження Менделя
д) дослідження Жакобо й Моно
9. Синтез білка здійснюється на рибосомах із матриць іРНК, до яких транспортуються активовані амінокислоти. Яка РНК транспортує амінокислоти до рибосом?
а) інформаційна РНК
б) рибосомальна РНК
в) тРНК
г) зріла іРНК
д) про-мРНК
10. У процесі дозрівання інформаційної РНК спеціальні ферменти вирізають інтрони й зшивають екзони (процесинг). Як називаються інформативні ділянки гена?
а) транскриптони
б) екзони
в) антикодони
г) інтрони
д) кодони