Повреждение и репарация ДНК. Мутация

РНК, их классификация и биологическая роль

РНК – это полинуклеотиды, но состоят только из одной цепи, их молекулярная масса меньше, чем у ДНК. Кроме этого, они отличаются следующим:

1) количество РНК в клетке зависит от возраста, физиологического состояния, органной принадлежности клетки;

2) в мононуклеотидах РНК содержатся рибоза, вместо тимина урацил;

3) для  РНК не характерны правила Чаргаффа;

4) в РНК больше минорных оснований, чем в ДНК, при этом в т-РНК количество минорных оснований приближается к 50. Все РНК синтезируются на ДНК, этот процесс называется транскрипцией.

В зависимости от локализации в клетке, функции различают 3 вида РНК: м-РНК (матричная, или информационная), транспортная – т-РНК, рибосомальная – р-РНК.

М-РНК

Открыта в 1961 году Жакобом и Мано. Она составляет всего 2-3% от общего количества РНК клетки. Эта РНК не имеет жесткой специфической структуры и ее полинуклеотидная цепь образует изогнутые петли. В нерабочем состоянии м-РНК собрана в складки, свернута в клубок, связана с белком; а во время функционирования цепь расправляется. Матричные РНК синтезируются на ДНК в ядре. Процесс называется транскрипция (списывание).

Роль м-РНК – она несет информацию об аминокислотной последовательности (т.е. о первичной структуре) синтезируемого белка. Место каждой аминокислоты в молекуле белка закодировано определенной последовательностью нуклеотидов в цепи м-РНК, т.е. в м-РНК имеются «кодовые слова» для каждой аминокислоты – триплеты, или кодоны, или генетические коды.

Свойства генетического кода: Генетическому коду присущи:

1) триплетность. Из 4-х возможных мононуклеотидов м-РНК (УМФ, ГМФ, АМФ, ЦМФ) можно построить по правилам перестановки 64 кодона. 61 кодон шифрует 20 аминокислот, а 3 кодона (УАА, УАГ, УГА) не кодируют ни одной аминокислоты. Они играют роль терминирующих (или «стоп-кодонов»), т.к. на них останавливается синтез п/п цепи. Полный кодовый словарь представлен на таблице;

2)неперекрещиваемость – списывание информации идет только в одном направлении;

непрерывность – код является линейным, однонаправленным; не прерывается. Работает по принципу: одна м-РНК-один белок

универсальность, т.е. одна и та же аминокислота у всех живых организмов кодируется одинаковыми кодами у всех живых существ;

3) вырожденность (избыточность). Первые две буквы кодона определяют его специфичность, третья менее специфична. Известно 20 аминокислот, а кодонов 61, следовательно, большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами (2-6).

Р-РНК

На долю этого вида РНК приходится более 80% от всей массы РНК клетки. Она входит в состав рибосом. Рибосомы – это РНП, состоящие на 65% из р-РНК и на 35% из белка. Полинуклеотидная цепь р-РНК легко изгибается и укладывается вместе с белком в компактные тельца. Рибосома состоит из 2-х субъдиниц – большой и малой (соотношение их 2,5:1). В рибосоме различают 2 участка – А (аминокислотный, или участок узнавания) и Р – пептидный, здесь присоединяется п/п цепь. Эти центры расположены на контактирующих поверхностях обеих субъдиниц. Рибосомы могут свободно перемещаться в клетке, что дает возможность синтезировать белки в клетке там, где это необходимо. Рибосомы мало специфичны и могут считывать информацию с чужеродных м-РНК, вместе с м-РНК рибосомы образуют матрицу. Роль р-РНК – обуславливает количество синтезируемого белка.

Т-РНК

Этот вид т-РНК изучен лучше всего, составляет 10% всей клеточной РНК. Содержится в цитоплазме, мол.масса небольшая (20тыс.Da) состоит из 70-80 нуклеотидов. Основная роль – транспорт и установка аминокислот на комплиментарном кодоне м-РНК. т-РНК специфичны к аминокислотам, что обеспечивается ферментом аминоацилсинтетазой. В неактивном состоянии она свернута в клубочек, а в активном имеет вид трилистника (клеверного листа). В молекуле т-РНК различают несколько участков: а) акцепторный стебель с последовательностью нуклеотидов АЦЦ, к нему присоединяется аминокислота. Б) участок для присоединения к рибосоме; в) антикодон – участок, комплиментарный кодону м-РНК, который кодирует аминокислоту, присоединенную к данной т-РНК . Особенностью первичной структуры т-РНК является то, что они содержат минорные, или модифицированные основания (7-метилгуанин, гипоксантин, дигидроурацил, псевдоурацил, 4-тиоурацил), которые способны к неклассическому спариванию. Это ускоряет белковый синтез. Т.о., т-РНК «метит» аминокислоту, придавая ей специфичность и способствует установлению аминокислоты на определенный участок м-РНК.

Репликация

Репликация – это многоэтапный процесс, в результате которого из каждой молекулы ДНК образуется 2 абсолютно идентичные, «дочерние» НК. Именно с деления ДНК начинается процесс деления клетки.

Репликация идет полуконсервативным путем: у каждой дочерней ДНК одна из цепей – исходная (материнская), а вторая вновь образованная (дочерняя) (опыты Мезельсона и Сталя). В процессе репликации участвует ряд ферментов: расплетающие ферменты, ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы, ДНК-зависимые РНК-полимеразы.

Этапы репликации

Деспирализация – последовательное «раскручивание» материнской ДНК по всей длине молекулы. Это происходит со скоростью 18000 оборотов в минуту . Участвует фермент гираза.

Разрыв водородных связей между азотистыми основаниями полинуклеотидных цепей, при этом происходит расхождение цепей и образуется репликативная вилка. 1 и 2 этапы ускоряет АТФ-зависимый комплекс ферментов, названный хеликазой. На разделение каждой пары оснований требуется 2 АТФ. Каждая из разделенных цепей ДНК соединяется с ДНК-связывающим белком, который препятствует обратному восстановлению цепей.

Комплементарная подстройка дНТФ к освободившимся пуриновым и пиримидиновым основаниям материнских цепей ДНК за счет водородных связей

Отщепление от дНТФ молекул пирофосфатов (РР), а выделяющаяся энергия идет на образование фосфорнодиэфирных связей между дезоксирибозами и остатками фосфорной кислоты двух рядом расположенных новых молекул дМН. . Эту стадию ускоряет ДНК-полимераза

Респирализация полинуклеотидных цепей.

Т.о., происходит образование дочерней молекулы ДНК. Затем делится ядро, цитоплазма, другие клеточные структуры. Заканчивается процесс образованием 2-х дочерних клеток, ядра которых получили совершенно идентичные ДНК. Т.о., вся генетическая информация, хранящаяся в ДНК материнских клеток, передается в ДНК дочерних клеток. В этом заключается передача и сохранение наследственных признаков.

Вторая роль ДНК заключается в кодировании первичной структуры белков, синтезируемых клеткой. При этом в синтезе специфических белков ДНК принимает косвенное, а не прямое участие. Оно состоит в том, что на ДНК происходит синтез всех РНК, которые уже непосредственно участвуют в процессе образования клеточных белков. Синтез молекул РНК называется транскрипцией.

Транскрипция.

При транскрипции идет синтез молекул РНК всех типов, т.к. на молекуле ДНК имеются участки, кодирующие первичную структуру каждого вида РНК. участок ДНК, где записана информация о строении РНК, называется транскриптон, или оперон. Транскрипция – это переписывание генетической информации с определенного оперона ДНК. Этот процесс имеет как сходства, так и различия с репликацией.

Сходства:

 1) оба процесса начинаются с деспирализации ДНК;

 2) после деспирализации разрываются водородные связи между азотистыми основаниями обеих цепей ДНК;

3) к освободившимся основаниям цепей строго комплементарно подстраиваются НТФ;

4) за счет разрыва макроэргических связей при отщеплении пирофосфатов идет образование водородных связей между азотистыми основаниями.

Отличия:

1) при репликации расплетается вся молекула ДНК, а при транскрипции только участок ее, соответствующий определенному транскриптону;

 2) при транскрипции подстраиваются НТФ, содержащие рибозу, а вместо тимина урацил;

3) списывание информации идет только с определенного участка одной цепи ДНК;

 4) после образования РНК водородные связи между азотистыми основаниями цепи ДНК и вновь синтезированной цепи РНК разрываются и последняя соскальзывает с ДНК.

Для нормального функционирования любой РНК необходимо, чтобы ее первичная структура состояла только из участков, списанных с экзонов ДНК.

Первоначально образованные РНК еще незрелые и называются пре-м-РНК, пре-т-РНК, пре-р-РНК. Эти пре-РНК подвергаются процессингу, созреванию. Вначале с участием специальных ферментов вырезаются «молчащие» участки, а затем информативные участки «сшиваются», образуя целую полинуклеотидную цепь. «Сшивание» называется сплайсингом. Последующие превращения специфичны для каждого вида РНК.

Для м-РНК – это кэпирование или «надевание шапочки», т.е присоединение к начальному концу (к 5’) участку 7-метилгуанозина через три остатка фосфорной кислоты, это «голова» м-РНК. К конечному участку (к 3’) присоединяется полиаденилат (состоит из 100-200 остатков АМФ), образуется «хвост» м-РНК. Такая маркировка необходима для обозначения направления считывания информации в процессе биосинтеза белка.

Для т-РНК. После освобождения от неинформативных участков в т-РНК происходит модификация оснований – появляются минорные основания (в результате метилирования и др. реакций).

Для р-РНК. Происходит также метилирование некоторых оснований.

Все типы зрелых РНК затем соединяются с белком, который защищает их от разрушения, улучшает транспортировку в цитоплазму.

Повреждение и репарация ДНК. Мутация

Генетическая информация кодируется последовательностью оснований ДНК и поэтому изменения в структуре или последовательности азотистых оснований приводят к мутациям. Многие мутагены вызывают нарушения регуляции роста и деления клеток и поэтому являются канцерогенными. Изменение в структуре генов (мутация) - важный фактор биологическойэволюции. В то же время слишком высокая скорость мутаций ставит под вопрос существование индивидуальных организмов или целых видов. Поэтому клетки обладают механизмами восстановления (репарации), которые корректируют большинство изменений ДНК, вызываемых мутациями.

 Мутагенные агенты

Мутации могут возникать в результате либо воздействия физических или химических факторов, либо ошибок в процессе репликации и рекомбинации ДНК.

Одним из наиболее важных физических мутагенов является ионизирующая радиация. Она приводит к образованию в клетке свободных радикалов (молекул с неспаренными электронами), которые исключительно реакционноспособны и могут повредить ДНК. Коротковолновый ультрафиолетовый свет (УФ) также оказывает мутагенное действие, особенно на клетки кожи. Наиболее распространенным химическим изменением, вызванным ультрафиолетовым облучением, является образование тиминовых димеров, когда два соседних тиминовых оснований ковалентно связываются друг с другом. Это приводит к ошибкам при считывании ДНК во время репликации и транскрипции.

Из множества химических мутагенов здесь приведен только несколько примеров. Азотистая кислота (HNO₂) и гидроксиламин (NH₂OH) дезаминируют азотистые основания, т. е. превращают цитозин в урацил, а аденин в инозин. Алкилирующие соединения имеют реакционные группы, которые могут образовывать ковалентные связи с азотистыми основаниями, входящими в ДНК. Метилнитрозамины распадаются с образованием реакционноспособного метилкатиона (СН₃^-), который метилирует группы ОН и NH₂ в ДНК. Ароматический углеводород бензпирен сам по себе безвреден, но в результате метаболической трансформации образует производные, обладающие канцерогенным действием. За счет гидроксилирования одного из колец он превращается в реакционноспособный эпоксид, который алкилирует аминогруппу гуанина и других азотистых оснований. Токсичен и свободный радикал бензпирена.