Структура геликазы RuvA бактерии Escherichia coli

Геликазы (от англ. helix — спираль) — ферменты, раскручивающие двойную спираль ДНК с затратой энергии АТФ и ГТФ. ДНК-геликазы — лишь одна из групп геликаз, есть еще РНК-геликазы. ДНК-геликазы участвуют в репликации, транскрипции,репарации и рекомбинации. Геликазы могут быть активны в качестве мономера или димера, хотя, например, геликазы DnaB активны в качестве гексамера (комплекса из шести субъединиц), образующего баранкообразную структуру. Для расплетания спирали нужен один геликазный белок, но для достижения большей скорости раскручивания несколько геликаз могут действовать совместно.

ДНК-геликазы рвут водордные связи между комплементарными нуклеотидами двух цепей, двигаясь при этом в противоположных направлениях (5'->3' или 3'->5'). При этом образуются две одноцепочечные молекулы, которые потом будут служить матрицей для достраивания второй цепи. Образуется структура Y-образной формы, названная репликационной вилкой. Но при таком быстром расплетании нитей, без вращения относительно друг друга, будут образовываться «узелки» — сверхскрученные участки, как на витой веревке, если её пытаться расплести не с конца, а с середины, растягивая. Суперскрученность устраняет специальный фермент ДНК-топоизомераза.

Схема репликационной вилки.

a:мРНК,

b: лидирующая цепь,

c: отстающая цепь,

d: репликационная вилка,

e: РНК праймер,

f: фрагменты Оказаки

В клетке присутствует много разновидностей геликаз; так, у человека их 24. При нарушении их работы могут возникать болезни: пигментная ксеродерма, синдром Коккейна, синдром Блума, синдром Вернера. По характеру и последствиям мутации можно объединить синдром Блума и синдром Вернера в одну группу, а синдром Коккейна и пигментную ксеродерму — в другую. При синдроме Вернера происходят мутации в гене WRN, кодирующем ДНК-геликазу. Эта мутация вызывает нарушение процесса репарации и репликации, нестабильность генома, 10-кратное увеличение темпа мутаций и уменьшение потенциала делений клеток в культуре. При синдроме Блума мутация происходит в гене BLM, принадлежащем к генам ДНК-геликаз. Синдром Блума также характеризуется нестабильностью генома и повышенным риском канцерогенеза. При синдроме Коккейна, сходном с пигментной ксеродермой, основная причина заболевания — дефект одного из механизмов эксцизионной репарации нуклеотидов. При разных вариантах синдрома Коккейна причиной заболевания бывает нарушение функций нескольких генов (CSA,CSB,XPD,XPB,XPG), причём мутации в 3 последних генах бывают и при пигментной ксеродерме. Это заболевание вызвано тем, что после повреждений клеток кожи ультрафиолетовым облучением ДНК фибробластов не восстанавливается. И при пигментной ксеродерме основная причина заболевания — дефекты раннего этапа эксцизионной репарации нуклеотидов. Мутации происходят в разных генах, кодирующих геликазы — от XPA до XPG. Однако основные причины пигментной ксеродермы — два вида нарушений генотипа: недостаток фермента УФ-эндонуклеазы, опознающего участки, поврежденные УФ-излучением, или дефект ДНК-полимеразы, участвующей в соединении разрывов ДНК (разрывы обычно появляются из-за повреждений кожи, вызванных УФ-облучением (как и при синдроме Коккейна)). Так что при синдроме Коккейна и пигментной ксеродерме мутации, связанные с ДНК-геликазами, не являются основными. Топоизомеразы разрезают и сшивают нить ДНК, позволяя спирали раскручиваться. Топоизомеразы (topoisomerases) — класс ферментов-изомераз, которые влияют на топологию ДНК.[6] Впервые топоизомеразы были описаны профессором Гарвардского университета Джеймсом Вангом. Молекулярная масса топоизомераз колеблется в пределах от 60 тыс. до 140 тыс дальтон. После трансляции фермент подвержен модификациям, в частности, фосфорилированию. Минимальный размер олигонуклеотидов, расщепляемых топоизомеразами ≈ 7-8 нуклеотидных остатков. В обычном состоянии ДНК пребывает в форме двойной спирали, и такая структура не позволяет отдельным цепочкам расходиться. Для расплавления двойной спирали (разрыва водородных связей между основаниями) используются специальные ферменты — хеликазы, которые позволяют осуществлять транскрипцию или репликацию другим белкам.Классификация ферментов основана на механизме их действия на молекулу ДНК: к топоизомеразам I группы относятся ферменты, катализирующие изменения топологическое состояния молекулы с помощью однонитевого разрыва-зашивания двухнитевой молекулы ДНК, к топоизомеразам II группы — с помощью двухнитевого разрыва-зашивания. В некоторых случаях реакция АТФ-зависимая. Установлено, что топоизомеразы I группы образуют в ходе реакции ковалентный промежуточный комплекс ДНК-белок. Фермент эукариот соединяется через тирозиновый остаток с 3'-концом разорванной цепи ДНК, у прокариот — с 5'-концом. После перемещении разорванных концов ДНК относительно друг друга обе формы топоизомераз восстанавливают ее целостность. Встраивание вирусной ДНК в хромосомы хозяина и другие формы рекомбинации также требуют присутствие топоизомераз Активность топоизомеразы во многих случаях угнетается противоопухолевыми и противомикробными препаратами (например, налидиксовой и оксолиниевой кислотами).

Генетический код

В последовательности нуклеотидов ДНК закодирована последовательность аминокислот в белках

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) представляет собой полимерную молекулу сложной структуры длиной от нескольких тысяч пар нуклеотидов (пн) до нескольких миллионов пар нуклеотидов.

кишечная палочка ~3,8 мпн (~ 1,3 мм)

дрожжи ~13,5 мпн

дрозофила ~105 мпн

человек ~3000 мпн (~ 1 метр), длина всех 23 молекул ДНК гаплоидного набора хромосом)

В ДНК зашифрована информация о первичной структуре белков посредством комбинации нуклеотидов. Процесс «переписывания» этого кода с ДНК в молекулы РНК называется транскрипцией, а синтез белка в рибосомах по матрице иРНК, в ходе которого происходит «перевод» нуклеотидного кода в последовательность аминокислот — трансляцией. Генетический код ДНК состоит из триплетов, то есть из тройных комбинаций нуклеотидов. При транскрипции генетический код «переписывается» в последовательность нуклеотидов иРНК. Тройки нуклеотидов иРНК, кодирующие аминокислоты, называются кодонами. Из 64 возможных триплетов (4³) 61 являются смысловым кодонами, то есть кодируют аминокислоты. Все кодоны триплетны, неразрывны и не перекрываются в тексте (как считалось по одной из гипотез), а также не разделены межкодонными знаками. Все кодоны однозначны, то есть каждый кодон кодирует единственную аминокислоту. Генетический код содержит в себе также знаки пунктуации (начала и конца трансляции). Кодоны AUG, GUG и UUG у прокариот помимо кодирования аминокислот кодируют ещё и команду начала трансляции. Однако однозначность генетического кода при этом не нарушается, так как инициирующие знаки располагаются в определенном окружении (контексте), способном образовывать самокомплементарные субъединицы. У эукариот инициирующими триплетами являются AUG, UUG, AUA и ACG. Три кодона из 64 (UGA, UAG, UAA) не кодируют аминокислот, а служат знаками окончания трансляции (стоп-кодоны). Обычно ими заканчиваются все транслируемые гены. Возникновение в результате мутации нонсенс-кодонов внутри гена приводит к преждевременной терминации трансляции и прекращению синтеза белка.