Характеристика нуклеїнових кислот

Для передачі генетичної інформації з ядра, де знаходиться ДНК, потрібна ІРНК. її синтез на матриці ДНК (транскрипція) необхідний дляперенесення інформації до цитоплазми, де на рибосомах відбувається синтез поліпептидно-го ланцюга (трансляція), в якому беруть участьіРНК,рРНК,тРНК.

Транскрипція генетичної інформації з ДНК на РНК і є першим кроком потоку біологічної інформації. РНК-продукт не залишаєтьсякомплементарно зв'язаним з ДНК-матрицею. Щойно після синтезу РНК подвійна спіраль ДНК відновлюється. Наступний крок - трансляція мРНК. Веукаріотичних клітинах тривалість існування цієї молекули різна - від 30 хв. до 10 год.

Отже, генетична інформація записана в лінійній послідовності нуклеотидів ДНК. За участі РНК ця інформація надходить (транслюється) до рибосом з утворенням поліпептиду з амінокислот.

Потік біологічної інформації відбувається такими шляхами:

Переконливі докази того, що саме з ДНК пов'язана передача спадкової інформації, отримані при вивченні вірусів. Проникаючи в клітину, вони вносять у неї лише нуклеїнову кислоту з дуже невеликою кількістю білка, а вся білкова оболонка залишається поза клітиною. Отже, введена у клітину ДНК передає генетичну інформацію, необхідну для утворення такого ж біологічного виду. Виявлено, що чиста нуклеїнова кислота вірусу тютюнової мозаїки може заразити рослину і викликає типову картину захворювання. Більш того, вдалося штучно створити вегетативні "гібриди" із вірусів, у яких білковий футляр належить одному виду, а нуклеїнова кислота - іншому. У таких випадках генетична інформація "гібридів" завжди зточністю відповідала тому вірусу, нуклеїнова кислота якого входила до складу "гібриду".

Трансформація (від лат. transformatio - перетворення) - включення чужорідної ДНК у геном клітини-хазяїна, що призводить до зміни її структурних і функціональних властивостей. Перенесення спадкової інформації від однієї клітини до іншої здійснюється за допомогою ДНК клітини-донора. Явище трансформації було виявлено в дослідах англійського мікробіолога Гріффітса (1928).

Трансдукція (від лат. transductio — переміщення) полягає в тому, що віруси, залишивши бактеріальні клітини, в яких вони паразитували, можуть захоплювати частину їх ДНК і, потрапивши в нові клітини, передають новим хазяїнам властивості попередніх. Це явище вперше було відкрито в дослідженнях по зараженню бактерій вірусами.

Кон'югація (від лат. conjugatio - з'єднання) -це перенесення генетичного матеріалу від однієї бактерії до іншої шляхом утворення цитоплазматичного містка, переміщення частини ДНК та її інтеграція з геномом клітини-реципієнта. Будова молекулиДНК. Макромолекула ДНК -це два довгі полімерні ланцюги, що складаються з мономерів дезоксирибонуклеотидів, тісно з'єднаних між собою. Нитки ДНК з'єднуютьсяводневими зв'язками між азотистими основами двох ланцюгів і утворюють подвійну спіраль ДНК. Таку модель будови ДНК запропонували в 1953 р. Дж. Уотсон і Ф. Крік. Вони використовували також дані, отримані іншими вченими (Р. Франклін, М. Уілкінс, Е. Чаргафф), які за допомогою рентгенівської дифракції й інших методів вивчали фізичну та хімічну природу ДНК. Пуринові та піримідинові основи взаємодіють одна з одною. Аденін одного ланцюга двома водневими зв'язками з'єднується з тиміном іншого ланцюга, а гуанін - трьома водневими зв'язками з цитозином. Таке сполучення азотистих основ забезпечує міцний зв'язок обох ланцюгів. Два полінуклеотидні ланцюги ДНК антипаралельні. Тобто, 5'-кінець одного ланцюга з'єднаний із З'-кінцем іншого, і навпаки. Генетична інформація записана послідовністю нуклеотидів у напрямку від 5'-кінця до З'-кінця. Така нитка називається "змістовною", саме тут розташовані гени (матричний ланцюг). Другий ланцюг у напрямку 3'-5' вважається "анти-змістовним". Він необхідний як "еталон" збереження генетичної інформації і набуває значення у процесах реплікації та репарації.

Два довгі антипаралельні полімерні ланцюги, що складаються із дезоксирибонуклеотидів, міцно з'єднані між собою водневими зв'язками. В результаті цього утворюється подвійна спіраль, закручена навколо центральної осі.

Рентгеноструктурний аналіз показав, що діаметр подвійної спіралі складає 2 нм, відстань між двома завершеними витками - 3,4 нм. У кожний виток входить 10 пар нуклеотидів. Відстань між сусідніми основами складає 0,34 нм.

Нуклеотиди. ДНК - це полімерна молекула, мономерами в якій є иуклеотиди. Нуклеотид складається з: 1) азотистої основи; 2) моносахаридудезоксирибози (в нуклеотидах РНК - рибози); 3) залишку фосфорної кислоти.

Азотисті основи бувають двох типів: пуринові -аденін (А) і гуанін (Г) і піримідинові - тимін (Т) і цитозин (Ц).

До складу молекули ДНК входять чотири типи нуклеотидів: дезоксиаденозин-монофосфат (дАМФ), дезоксигуанін-монофосфат (дГМФ),дезокситимі-дин-монофосфат (дТМФ), дезоксицитозин-моно-фосфат (дЦМФ). Сполучення нуклеотидів у молекулі ДНК відбувається в результаті взаємодії фосфату одного нуклеотиду з гідроксильною групою дезоксирибози іншого. В результаті утворюється фос-фодиефірний зв'язок, що об'єднує нуклеотиди в довгий ланцюжок. Скелет ланцюга складається з молекул фосфату і пентоз, що чергуються. Синтез полі-нуклеотидноголанцюга відбувається за участю ферменту ДНК-полімерази. Цей фермент приєднує фосфатну групу одного нуклеотиду до гідроксильної групи дезоксирибози наступного.

Комплементарність пар основ. Два полінуклеотидні ланцюги ДНК не є ідентичними, але вони комплементарні один одному. Це пов'язано із строгою відповідністю основ одного ланцюга основам іншого. Відстань між двома ланцюгами ДНК - 2 нм, що дозволяє вмістити тільки одну пару А-Т або Г-Ц, які відповідають цим розмірам. Тільки аденін і тимін, а також гуанін і цитозин мають відповідні просторові структури для утворенняводневих зв'язків. Концепція специфічного зв'язування пар основ свідчить, що аденін в одному ланцюгу повинен відповідати тиміну в іншому, а гуанін повинен мати навпроти себе цитозин в іншому ланцюгу. Таким чином, два ланцюги ДНК комплементарні один одному. Колінеарність (від лат. collineare - мітити, направляти) - властивість, що зумовлює відповідність між послідовностями триплетів нуклеотидів (кодонів) нуклеїнових кислот і амінокислот поліпептидних ланцюгів. Тобто, послідовність амінокислот білка, в якій відповідні кодони розташовуються в гені. Це означає, що положення кожної амінокислоти в поліпеп-тидному ланцюгу білка залежить від положення відповідного триплету в гені. Генетичний код вважається колінеарним, якщо кодони нуклеїнових кислот і відповідні їм амінокислоти білка розташовані в однаковому лінійному порядку.

Правила Е. Чаргаффа.

Вивчаючи хімічний склад ДНК в 1950 році, Ервін Чаргаффсформулював важливі положення щодо структури ДНК:

I. Молярна частка пуринів (аденіну - А і гуаніну - Г) дорівнює молярній частці піримідинів (цитозину - Ц і тиміну - Т):

А+Г=Ц+Т, або А+Г/Ц+Т=1

II. Кількість аденіну і цитозину дорівнюєкількості гуаніну і тиміну:

А+Ц=Г+Т, або А+Ц/Г+Т=1

III. Кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину:

А=Т, або А/Т=1, Г=Ц, або Г/Ц=1

IV. Відношення суми молярних концентрацій Г+Ц до суми молярних концентрацій А+Т у різних
видів значно змінюється: Г+Ц/А+Т названо коефіцієнтом специфічності. Для бактерій коефіцієнт специфічності дорівнює 0,45-2,8, для вищих рослин, тварин і людини - 0,45-0,94.

V. Існують види ДНК, в яких А+Т > Г+Ц (АТ-тип) та ДНК, в яких А+Т<Г+Ц (ГЦ-тип).

АТ-тип ДНК характерний для вищих рослин, тварин і людини. ГЦ-тип властивий грибам, бактеріям, вірусам.

Ці правила є основою встановлення хімічної і фізичної природи ДНК, просторової структури молекули, а також механізму генетичного коду.

Видова специфічність ДНК. За співвідношенням (А+Т) і (Г+Ц) представники різних видів різняться між собою, причому у тварин переважаєпара А+Т, а у мікроорганізмів співвідношення (А+Т) і (Г+Ц) однакове. Ці явища використовують як один із генетичних критеріїв визначення виду. У цьому полягає індивідуальна специфічність ДНК. У таблиці 1.9 наведено приклади співвідношення основ ДНК різних видів організмів.

Просторова організація ДНК Молекула ДНК може існувати в різній конфігурації залежно від навколишніх умов. Відомо декілька форм ДНК:а) В-форма - має стандартну структуру відповідно до моделі молекули Уотсона і Кріка і в нормальних фізіологічних умовах є основним структурним типом;

б) А-форма - виявлена у зневодненому середовищі при високому вмісті калію і натрію. Така ДНК має дещо змінену спіралізацію;

в) С-форма - має менше основ на один виток, а значить інші - фізичні характеристики;

г) Z-форма - на відміну від інших форм, закручена вліво.

Деякі форми при зміні фізіологічних умов можуть переходити одна в одну, що додатково регулює роботу генів. Знання структури ДНКдозволило зрозуміти суть багатьох молекулярно-генетичних процесів.

Отже, в молекулі ДНК можна виділити первинну структуру — послідовність нуклеотидів у ланцюгу, вторинну структуру - два комплементарніанти-паралельні ланцюги, з'єднані водневими зв'язками, і третинну структуру - тривимірну спіраль. Зазначимо, що: а) геометрія спіралі ДНК залежить від послідовності нуклеотидів; б) значна частина ДНК не кодує білків або РНК; в) кожний ген - це складна функціонально-активна одиниця, призначена для регульованого синтезу РНК.

Рибонуклеїнові кислоти (РНК). Спадкова інформація зберігається в молекулі ДНК. Проте ДНК не бере участі в життєдіяльності клітин. Рольпосередників у передачі спадкової інформації від ДНК у цитоплазму відіграють рибонуклеїнові кислоти. Взаємовідносини ДНК, РНК і білків можнапредставити 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 одним. У частини вірусів РНК єносієм спадкової інформації за відсутності ДНК. Деякі РНК мають каталітичну активність на певні клітинні процеси. РНК - полімеррибонуклеотидів, що складаються із фосфорної кислоти, рибози й азотистих основ (аденін, гуанін, цитозин, урацил). Рибоза разом із залишками фосфорної кислоти утворює скелет молекули, на якому розташовані азотисті основи. 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. Якщо вміст ДНК у клітинах постійний, то вміст РНК дуже коливається у залежності від типу клітини, інтенсивності метаболізму і синтезу білків.

Молекули РНК мають багато спільного зі структурою ДНК, але відрізняються низкою ознак:

а) вуглеводом РНК є рибоза,

б) РНК не містить тиміну, його місце в молекулі займає урацил,

в) РНК - одноланцю-гова молекула,

г) правила Чаргаффа не виконуються.

Типи РНК На основі розміру, структури і функції молекул розрізняють три типи РНК, характерних як для прокаріотів, так і для еукаріотів.

Інформаційна РНК (іРНК). її молекули утворюються на певних ділянках ДНК, мають назву структурних генів, у вигляді комплементарної копії ділянки одного з її ланцюгів. 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 неінфор-мативні послідовності нуклеотидів - інтрони. В результаті процесингу(вирізання інтронних ділянок) вона "дозріває" і надходить у цитоплазму, де відразу приєднується до рибосом. Проте іноді іРНК може накопичуватися у клітинах, зв'язуватися із спеціальними білками, що "консервують" її, з утворенням інфор-мосом. 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.

Транспортна РНК (тРНК). Молекули тРНК утворюються на спеціальних генах. Транспортні РНК короткі, однониткові, мають форму листка конюшини завдяки комплементарному сполученню основ на різних ділянках ланцюга, складаються з невеликого числа нуклеотидів - 75-90. Від загальної маси РНК на тРНК припадає близько 10-15 %. 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. МолекулитРНК мають чотири важливі ділянки: а) транспортну; б) антико-дон; в) ділянку приєднання фермента; г) ділянку зв'язування з рибосомою.

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 специфічнихрибонуклеотиди (триплет). Азотисті основи антикодона мають комплементарний триплет на ланцюгу іРНК, цей триплет називається кодоном. У період синтезу білка антикодон знаходить відповідний йому кодон на ІРНК і тимчасово приєднується до нього водневими зв'язками.

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.

Рибосомальна РНК (рРНК). Рибосомальна РНК утворюється на спеціальних генах ДНК в ядерці. Рибосомальна РНК - велика одноланцюго-варозгалужена молекула, що включає 3000-5000 нуклеотидів. Із загальної маси РНК на її частку припадає до 90 %. У каріоплазмі рРНК і різні білкиоб'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. Рибосомальна РНК забезпечує зв'язування іРНК з рибосомами за допомогою певних послідовностей нуклеотидів. Таким чином 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. Унікальна властивість молекули ДНК подвоюватися перед поділом клітини називається реплікацією. Ця властивість зумовлена особливістю будови молекули ДНК, що складається з двох комплементарних ланцюгів. Реплікація відбувається в ядрі під час S-періоду інтерфази. На цей час хромосоми під світловим мікроскопом не виявляються. Реплікація ДНК - найважливіший молекулярний процес, що є в основі всіх різновидів поділу клітин, усіх типів розмноження, а, значить, в основі забезпечення тривалого існування окремих індивідуумів, популяцій і всіх видів живих організмів. Для кожного виду дуже важливо підтримувати сталість свого генотипу та фенотипу, а значить, 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.

Механізм реплі к ації ДНК. Реплікація ДНК - складний, багатоступеневий процес, що вимагає залучення великої кількості спеціальних білків і ферментів. Наприклад, ініціаторні білки утворюють ре-плікаційну 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.Процес відбувається аналогічно як у прокаріотів, так і веукаріотів, хоча дещо відрізняється за швидкістю, спрямованістю, кількістю точок реплікації тощо. Швидкість реплікації в еукаріотів дуже велика і складає 50 нуклеотидів за секунду, а в прокаріотів ще вища - до 2000 нуклеотидів за секунду.

Основні етапи реплікації:

1. Ініціація (від лат. initialis - первинний, початковий). Активація дезоксирибонуклеотидів. Монофосфати дезоксирибонуклеотидів (АМФ, ГМФ, ЦМФ, ТМФ) знаходяться у стані "вільного плавання" в ядрі і є "сировиною" для синтезу ДНК. Для включення в ДНК вони активуються в результаті взаємодії з АТФ. Ця реакція називається фосфорилуванням і каталізується ферментом фосфорилазою. При цьому утворюютьсятрифосфати дезоксирибонуклеотидів, такі як АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ. У такому вигляді вони енергезовані та здатні до полімеризації.

Розпізнавання точки ініціації. Розкручування ДНК починається з певної точки. Така особлива точка називається точкою ініціації реплікації (спеціальна послідовність нуклеотидів). 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, що, зрештою, зливаються одна з одною при повному роз'єднанні ланцюгів ДНК.

Реплікація обох ланцюгів ДНК відбувається одночасно і безупинно.

Розкручування молекули ДНК 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.

2. Елонгація. Вільні трифосфати дезоксирибонуклеотидів своїми азотистими основами приєднуються водневими зв'язками до азотистих основ обох ланцюгів ДНК, відповідно до правила комплементарності, тобто А-Т, Ц-Г.

Елонгація - це додавання дезоксирибонуклеоти-ду до З'-кінця ланцюга, що росте. Процес каталізується ДНК-полімеразою.

Трифосфати дезоксирибонуклеотидів (тринуклео-тиди), приєднуючись до кожного ланцюга ДНК, розривають свої внутрішні високоенергетичні зв'язки й утворюють монофосфати дезоксирибонуклеотидів (мононуклеотиди), що є звичайними компонентами ДНК. При цьому в нуклеоплазму надходять пірофосфатні молекули, що звільнилися.

Утворення нових ланцюгів ДНК. У подальшому приєднані сусідні нуклеотиди зв'язуються між собою фосфорними залишками та утворюють новий ланцюг ДНК. Процес каталізується ферментом ДНК-полімеразою. При цьому необхідна присутність іонів металів Мп²⁺ або Mg²⁺. ДНК-полімераза може полімеризувати дезоксирибонуклеотиди в напрямку 5-3', тобто від вуглецевого 5'-кінця до вуглецевого З'-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'-З'. Ця нитка називається провідною. На другій материнській нитці утворюються короткі сегменти ДНК унапрямку 3'-5'. Згодом вони з'єднуються разом, утворюючи довгу відстаючу нитку.

Утворення праймерів. На відстаючій нитці спочатку утворюється короткий ланцюг РНК за шаблоном ДНК. Вона називається РНК-праймером 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 син тез нової нитки ДНК у відстаючому ланцюгу в напрямку 3'—5^і, вона тільки може каталізувати її ріст. Праймери пізніше віддаляються, а порожнини, які утворилися, заповнюються дезоксирибонуклеотида-ми ДНК у напрямку 5-3', що завершує побудову другого ланцюга. На місці праймерів утворюються фрагменти нового ланцюга ДНК, які називаються фрагментамиОкадзакі і складаються із 100-200 нуклеотидів. Ці фрагменти легуються (зшиваються) полінуклеотидлігазами, в результаті чого утворюється другий повноцінний ланцюг. Цей процес називається дозріванням.

Редагування. Чітка комплементарність пар основ забезпечує точну реплікацію ДНК. Однак іноді виникають помилки в приєднанні основ. Вони видаляються ДНК-полімеразою, яка для цього знову зв'язується з молекулами ДНК (репарація).

3. Термінація (від лат. terminalis - кінцевий). 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, причому асинхронно й у різних її ділянках. Процес реплікації стосується всієї хромосоми та перебігає практично одночасно, з однаковою швидкістю. Після завершення реплікації в реплі-конах вони зшиваються ферментами в одну молекулу ДНК. Уклітині людини, що ділиться, утворюється більше 50000 репліконів одночасно. Довжина кожного з них 30 мкм. Завдяки великій кількості репліконів швидкість реплікації збільшується в тисячі разів. Тривалість процесу подвоєння генетичного матеріалу складає приблизно 10 год. Ділянки хромосом, де починається реплікація, називаються точками ініціації. Вважають, що це, ймовірно, місця прикріплення інтер-фазних хромосом до білків ламели ядерної оболонки. Процес включається цитоплазматичним фактором невідомої природи, що надходить в ядро. Реплікація перебігає в строго визначеному порядку, тобто спочатку починають реплікуватись одні ділянки хромосом, а пізніше - інші. У синтетичному періоді інтер-фазиподвоюється також і кількість гістонових білків, що асоціюються із синтезованими ДНК і утворюють класичну структуру хроматину. Порушення точності реплікації призводить до порушення синтезу білків і розвитку патологічних змін клітин і органів.

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;

д) забезпечує тривале існування видів організмів;

є) процес сприяє точному подвоєнню інформації;

ж) у процесі реплікації можливі помилки (мутації), що може призводити до порушень синтезу білків з розвитком патологічних змін.

Під дією фізичних і хімічних агентів, а також при нормальному біосинтезі ДНК у ній можуть виникати ушкодження. Виявилося, що клітини мають механізми виправлення пошкоджень у нитках ДНК. Здатність клітин до виправлення пошкоджень у молекулах ДНК одержала назву репараці ї (від. лат. reparatio - відновлення).

Процес репарації ДНК полягає в тому, що генетична інформація подана в ДНК двома копіями -по одній в кожному з двох ланцюгів подвійної спіралі ДНК. Завдяки цьому випадкове пошкодження в одному з ланцюгів може бути видалено реплікаційним ферментом і ушкоджена ділянка ланцюга ресинте-зована у своєму нормальному вигляді за рахунок інформації, що міститься в неушкодженому ланцюгу.

За часом здійснення у клітинному циклі розрізняють дореплікатшну, реплікаттну і постреп-лікаттну репарацію.

Дореплікативна репарація. Це процес відновлення пошкодженої ДНК до її подвоєння. У найпростіших випадках розриви можуть бути відновлені ферментом лігазою. В інших випадках використовується повна ферментативна система репарації (наведена нижче).

Реплікативна репарація. Це сукупність процесів відновлення ДНК у ході реплікації. При цьому ушкоджена ділянка видаляється впродовж реплікації у зоні росту ланцюга. У забезпеченні високої точності реплікації значна роль належить механізму самокорекції, який здійснюється ДНК-полімеразою або тісно зв'язаним з нею ферментом ендонуклеа-зою. Цей процес пов'язаний із визначенням помилково включеного в ланцюгнуклеотиду, відщепленням його і заміною на відповідний. В результаті цього частота помилок знижується в 10 разів (з 10⁵-10⁶).

Постреплікатйена репарація. її механізм точно не вивчений. При постреплікативній репарації відбувається вирізання пошкодженої ділянки і зшивання кінців. При цьому клітина може зберігати життєздатність і передавати дефектну ДНК дочірнім клітинам. Припускають можливість різних варіантів синтезу ДНК на пошкодженій матриці.

За механізмами розвитку репарації розрізняють: ексцизійну, неексцизійну, рекомбінативну репарацію.

Ексцизійна репарація (вирі з аюча). При ексцизійній репарації усуваються пошкодження, які з'явилися під впливом іонізуючої радіації, хімічних речовин та інших чинників. Це основний тип репарації, виявлений як у прокаріотів, так і у клітинах еукаріотів.

На основі однієї з запропонованих моделей встановлено п'ять послідовних етапів ексцизійної репарації:

1) "розпізнавання" пошкодження ДНК ендо-нуклеазою;

2) розрізування ендонуклеазою одного з ланцюгів молекули ДНК поблизу пошкодження;

3) "вирізання" пошкодженої ділянки та її розширення екзонуклеазою;

4) матричний синтез нового ланцюга ДНК-полімеразою (репаративна реплікація);

5) з'єднання новоутвореної ділянки з ниткою ДНК під впливом фермента ДНК-лігази.

Неексцизійна репарація. Фоторепарація. Здатність до репарації була виявлена у бактерій, які зазнавали впливу ультрафіолетових променів. В результаті опромінення цілісність молекул ДНК порушується, тому що в них виникають димери, тобто зчеплені між собою сусідні піримідиновіоснови. Димери можуть формуватися між двома тиміна-ми, тиміном і цитозином, двома цитозинами, тимі-ном і урацилом, двома урацилами. Однак опромінені клітини на світлі виживають набагато краще, ніж у темряві. Після ретельного аналізу причин цього явища встановлено, що в пошкоджених клітинах на світлі відбувається репарація ДНК (фоторепарація). Вона здійснюється спеціальним ферментом ДНК-фотолігазою, яка активується квантами видимого світла. Фермент з'єднується з пошкодженою ДНК, роз'єднує зв'язки в димерах і відновлює цілісність нитки ДНК. Фермент ДНК фотолігаза, що фотореактивує, не є видоспецифіч-ним, тобто діє на різні види ДНК. У ньому є ціано-кобаламін (вітамін В_[2), що поглинає кванти видимого світла та передає енергію молекулі ферменту. На ранніх стадіях еволюції живих організмів, коли був відсутній озоновий екран, який затримує велику частину потоку згубних для організмів сонячних ультрафіолетових променів, фоторепарація відігравала особливо важливу роль.

Рекомбінатшна репарація. Якщо, наприклад, димери тиміну не усунуті до рекомбінації, то це призводить до зміни структури дочірніх ДНК.Такі порушення можуть усуватися безпосередньо в процесі кросинговеру. Але при цьому не відбувається усунення димеру, він видаляється вже після реплікації.