Механизм сопряжения дыхания и фосфорилирования в митохондриях 8 страница

. Обтурационная желтуха (обтурация — в переводе закупорка) возникает в результате нарушения оттока желчи в кишечник. Она сопровождается выходом конъюгированного билирубина из клеток печени обратно в кровь. В крови повышено содержание конъюгированного билирубина, который кай хорошо растворимое соединение выделяется в больших количествах с мочой Из-за этого моча имеет цвет пива с ярко-желтой пеной. Кал, в котором от­сутствуют желчные пигменты, приобретает серовато-белый, глинистый цвет.

Желтуха новорожденных' считается физиологической. Она возникает вследствие возрастного недостатка фермента конъюгации билирубина — глюку ронозилтраи сфер азы. Поэтому повыщспие распада эритроцитов, вызван­ное любыми причинами, ведет к повышению неконъюгнрованного билиру­бина в крови и желтухе. Физиологическая желтуха новорожденных обычно проходит через 2 недели по мере увеличения количества глюкуронозилтранс- феразы в печени. У недоношенных детей она продолжается дольше. Длитель­ное повышение неконъюгированного билирубина в крови может¹ быть опас­ным вследствие токсического действия билирубина на развивающийся мозг. Иногда у детей появляются судороги или необратимые расстройства нервной системы. У взрослых клетки мозга малопроницаемы для билирубина н, как правило, осложнений при гипербилирубинемии не происходит. Чтобы повысить активность глкжуронозилтрансферазы, иногда прибегают к введению фенобар­битала, ' который увеличивает количество фермента и уменьшает проявле­ния желтухи.

Нарушение пигментного обмена наблюдается при дисбактериозе кишечни­ка, возникающего в- результате подавления его нормальной микрофлоры (например, при длительном лечении антибиотиками тетрацикяинового ряда) При дисбактериозе выделяются с калом промежуточные продукты восстанов­ления билирубина, а в случае глубокого подавления микрофлоры сам били­рубин, который окисляется в биливердин, окрашивающий кал в зеленоватый цвет.

ГЛАВА 21. ОБМЕН ПУРИНОВЫХ И ПИРИМИДИНОВЫХ МОНОНУКЛЕОТНДОВ

Для млекопитающих не требуется поступления с пищей азотистых основа­ний или нуклеотидов, хотя при приеме пищи, богатой нуклеиновыми кислотами, они всасываются в готовом виде. В их тканях расход пуриновых и пиримиди- новых нуклеотидов непрерывно возобновляется путем синтеза из простых фрагментов.

Нуклеозидфосфаты, содержание которых в нормальных клетках невелико и относительно постоянно, являются связующим звеном на путях поступле­ния и использования мононуклеотидов:

Нуклеиновые Синтез нуклеиновых

1. Биосинтез мононуклеотидов

Биосинтез пуриновых мононуклеотидов. Первоначальным соединением синтезе пуриновых нуклеотидов служит фосфорибозилпирофосфат (ФРПФ), образую­щийся из рибозо-5-фосфата и АТФ. Первым пуриновым мононуклеотидом, завершающим длинную цепь реакций синтеза, является инозинмонофосфат (ИМФ), из которого затем образуются остальные пуриновые нуклеозидфос- фаты через АМФ и КМФ (ксавтдзинмонофосфат). Происхождение атомов луринового кольца показано на рис. 62.

Биосинтез пиримидиновых мононуклеотидов. Первоначальными соедине­ниями в биосинтезе пиримидичовы* млночуклептипов являются карбамоил- фосфат и аспарагиновая кислота. Из них образуются через длинную цепь реакций УМФ и остальные пиримидиновые мононуклеотиды (рис. 63). Источ­никами всех атомов пиримид«нового кольца являются карбамоилфосфат и аспарагиновая кислота.

Биосинтез деэоксирибонуклеотидов, являющихся предшественниками ДНК, происходит путем восстановления рибозы до 2'-дезоксирибозы уже в составе готового нуклеотнда. Восстановителем служит особый белок — тио- редоксин, содержащий в молекуле две^ЭН-группы.

2. Распад нуклеиновых кислот и нуклеотидов

Нуклеиновые кислоты гидролизуются в тканях организма с помощью нукле- аз — деэоксирибонуклеаз (ДНКазы) и рибонуклеаз (РНКаэы). Эти фермен­ты катализируют расщепление внутренних или концевых межнуклеотидных связей (3', S'-фосфодиэфнрных) в ДНК и РНК, Иуклеазы, расщепляющие связи внутри полинуклеотидной цепи, называются андокуклеозами, а отщеп­ляющие концевые нуклеотиды — зкзонуклеазами. Некоторые экзочуклеазы способны парализовать как ДНК. так и РНК. Под действием нуклеаз поли- куклеотидная цепь распадается до олигонуклеотидов и мононуклеотидов (нувдеозмд-б'- или 3'-монофосфатов).

Мононуклеотиды распадаются до конечных продуктов обмена -гидролити-

ФРПФ ИМф

АМФ КМФ АДФ АТФ ГМФ

Рис, 62. Схема синтеза пуриновых соиоиуклеотидов (о) и источники атомов пуркноеого кольца (& \ нуклеотидов

Карбамоклфосфат Аспарагиновая кислота

Дигидрооротовая кислота

' 1

Оротрвая кислота»

Оротидин-5^ф осфат I t

• тмф «■» умф «■ ■ ■» амф

/\ /\ /\

ттф «. ТДф удф «■ утф цдф < —».цтф

Рнс. 63. Схема синтеза пиримндиновых нуклеотидов

ческнм или фосфоролнтическим путями (в первом случае для разрыва связей используется вода, а во втором — фосфорная кислота),

Мононуклеотиды расщепляются с помощью нуклвотидаз {5'-нуклеоти- дазы и. З'-нуклеотидааы) и нуклеозид гидролаз до свободных оснований, пентозы и фосфата,

Пуриновые основания окисляются до мочевой кислоты:
ний идет до (3-аланина, С0₂ и аммиака. 0-Аланин используется для синтеза дипептидов мышц — карноз'ина и ансерина — или выделяется с мочой.

Таким образом, содержание мочевой кислоты в крови и моче отражает интенсивность расщепления нуклеиновых кислот в организме. Если принимать специальную беспуриновую днету, то по выделению с мочой мочевой кислоты можно судить об обмене эндогенных пуринов. Мочевая кислота — плохо растворимое в воде соединение, поэтому нормальные концентрации ее в жидких средах организма приближаются к пределу растворимости. Повыше­ние - ее содержания в крови — гиперурикемия — вызывает отложение в виде кристаллов урата натрия в тканях, особенно при местном снижении рН среды. Заболевание, сопровождающееся отложением уратов в суставах, поч- кйл, называется ноии£ рой. Оно широко распространено, особенно у мужчин. Иногда к подагре приводит врожденная, частичная или полная недостаточ­ность фермента, участвующего в повторном использовании свободных основа­ний в синтезе нуклеотидов. Препараты, снижающие образование мочевой кислоты при окислении пуринов (например, аллопуринол) или стимулирую­щие выведение ее почками (например, антуран, цинхофен), облегчают течение подагры.

ГЛАВА 22. ВЗАИМОСВЯЗЬ ОСНОВНЫХ ПУТЕЙ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ

Обмен важнейших структурных мономеров живых систем, т. е. аминокислот, моносахаридов (глюкозы), жирных-кислот, мононуклеотидов, тесно взаимо­связан. Эта взаимосвязь осуществляется через так называемые ключевые метаболиты, которые служат общим звеном на пЗтях распада или.синтеза мономеров (рис. 64). К таким метаболитам можно отнести пируват, аце- тил-КоА, о-глицеролфосфат и промежуточные продукты цикла Кребса (ок­салоацетат, малат, фумарат, сукцинил-КоА, 2-оксоглутарат, изоцитрат и цит­рат). Пируват является точкой пересечения путей распада и синтеза глю­козы (и других моносахаридов) и некоторых аминокислот. Более разветвлен­ный узел метаболических связей представляет собой ацетил-КоА. Через него перекидывается мостик от моносахаридов и аминокислот к липидам, т. е. открывается путь превращения аминокислот (а следовательно, и бел­ков) и глюкозы (т. е. вообще углеводов) в липиды. Как бы вспомогатель­ным связующим звеном между углеводами и липидамн служит а-глице- ролфосфат. Через него происходит превращение углеводов в некоторые липиды |(триацилглицерины, фосфоглицериды) и, наоборот, липидов, содержа­щих глицерин, в углеводы.

Обширные возможности для взаимопревращения одних мономеров в дру­гие предоставляют промежуточные продукты цикла Кребса. Через цикл Креб­са сообщаются все основные пути распада и синтеза веществ. Поэтому со­гласно схеме, приведенной на рис. 64, можно, например, представить, что жирные кислоты, являющиеся источником ацетил-КоА, превращаются в углеводы (через оксалоацетат цикла Кребса происходит новообразование глюкозы), в аминокислоты (через оксалоацетат и 2-оксоглутарат в аспара- гнновую и глутаминовую кислоты), в порфирины (через сукцинкл-КоА).

Мономеры являются структурными звеньями биополимеров, поэтому.возл,

Рис. 64. Упрошенная схема взаимосвязи основных путей обмена веществ

можна относительная взаимозаменяемость белков, " углеводов и липидов как главных компонентов пищи. Границы взаимозаменяемости позволяют понять не только возможные нарушения обмена при однообразном питании, но и механизм компенсации обмена веществ при голодании, т. е. образова­ния одних веществ за счет эндогенных резервов других. Каковы же границы взаимозаменяемости? Эти рамки ограничивают прежде всего аминокислоты. Восемь незаменимых аминокислот не могут синтезироваться в организме млекопитающих из других веществ, да и синтез полузаменимых аминокислот ограничен. Следовательно, без этих аминокислот или без содержащих нх пищевых белков организму ие обойтись. Очевидно, аминокислоты (прежде всего незаменимые) являются первичными по отношению к остальным био­молекулам, и с их.возникновения, возможно, началась эволюция живых систем.

Из схемы взаимосвязи путей обмена становится понятным, что если потребляются в полном ассортименте и достаточном количестве аминокисло­ты (точнее пищевые белкн) и углеводы, то организм - может обходиться достаточно долгое время без липидов (за исключением полиненасыщенных липидов). Аминокислоты и углеводы служат источником ацетил-КоА, а угле­воды — к тому же источником и НАДФ • Н₂, что позволяет синтезировать липиды в нужном количестве. Та же схема показывает, почему организму- человека вообще не требуется поступления с пищей пуриновых и пиримидй- новых нуклеотидов (структурных мономеров нуклеиновых кислот), ибо при наличии в пище белков и углеводов они синтезируются в необходимых коли­чествах. Следовательно, белки и углеводы позволяют обеспечивать длительное время образование жизненно важных'Компонентов тканей организма и его нормальную деятельность. Конечно, это возможно, если с белками я углево­зе] дами поступают и такие компоненты пиши, как витамины, вода и неоргани­ческие ионы. Человек может долгое время обходиться и без углеводов, если поступают а необходимом количестве остальные компоненты пиши.

Г. ПЕРЕНОС ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КЛЕТОК

Способность к переносу генетической информации, т. е. к передаче наслед­ственных свойств, является уникальным свойством живых организмов. Хра- нение и передача генетической информации, которую можно рассматривать как разновидность биологической памяти, возложена природой на нуклеино­вые кислоты.

Генетическая программа, заложенная в ДНК хромосом ядра и митохонд­рий (или хлоропластов) клеток организмов, одинакова. Их Специализация определяется различиями в реализации этой генетической программы в ходе развития клеток. Поэтому зрелые, дифференцированные клетки, напри­мер клетки нервной ткани, печени, отличаются друг от друга набором моле­кулярных компонентов, формирующих характерный структурный образ дан­ной клетки, особенностями метаболизма н в конечном счете специфическими функциями, Формирование этих особенностей разных клеток можно упрощен­но выразить в виде схемы (см, схему 4),

Схема 4. Роль генетическое информации в формировании специальных структур клетки

Из нее видно, насколько важным является процесс переноса генетиче­ской информации для развития и нормальная деятельности клеток opra. киэма.

ГЛАВА 23. ПЕРЕНОС ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И БИОСИНТЕЗ БЕЛКА В КЛЕТКАХ

I. Виды переноса генетической информации

Можно отметить три варианта переноса генетической информации, обна­руженные в различных организмах.

.1. Перенос генетической информации в пределах одного класса нуклеи­новых кислот, т. е. от ДНК к ДНК или у некоторых вирусов от РНК к РНК. называется репликацией или самоудвуеннем, Иногда такой вид переноса наследственной информации образно называют.«переносом из хранилища в хранилище», Подразумевая под этим, что ДНК (или РНК у некоторых виру­сов) выполняет функцию хранилища генетической информации. Репликация происходит во время деления клеток (в 5; фазу митотического цикла) и раз­множения вирусов, когда необходимо целиком передать информацию от одно­го организма к другому. Возможна репликация отдельных участков ДНК, называемая амплификацией.

2. Перенос информации между разными классами нуклеиновых кислот: ДНК—РНК, называется транскрипцией или переписыванием. В отличие от репликации при транскрипции происходит копирование не целиком всей ин-

opMauHH, заложенной в молекуле ДНК, а только ее отдельных участков, ходе транскрипции образуются все типы РНК: главные (мРНК, тРНК, рРНК) и минорные.

Из' этого следует, что циЬтроны ДНк содержат информацию не только о структуре полипептидной цепи, но и о структуре тРНК₍ рРНК и минорных типов РНК.

. Транскрипция бывает прямая (от ДНК к РНК) и обратная (от РНК к ДНК)- Впервые обратная транскрипция была выявлена у РНКовых опухоле- ролных вирусов (называемых онкорнавнрусами), которые встраиваются в ДНК клетки-хозяина путем обратной транскрипции. Чужеродный участок ДНК'- копия вирусной £ Нк— вызывает опухолевуй трансформацию клетки, Возможно, обратная транскрипция имеет значение не только при опухолевой трансформации клеток, & о и при их нормальной жизнедеятельности -или в ходе их дифференцировки. В- принципе обратная транскрипция возможна при использовании любого типа РНК, а не только мРНК.

3. Перенос генетической информации от мРНК к белку, т. е. в пределах разных классов макромолекул, называется трансляцией или переводом. При трансляции происходит как бы перевод информации с «языка» нуклеино­вых кислот, - имеющего нуклео'тидный алфавит, на «язык» полипептидной цепи, в котором использован аминокислотный алфавит. Транслируется только мРНК. Остальные типы РНК являются готовыми продуктами генов, образую­щимися при транскрипции. рРНК и тРНК играют вспомогательную роль при трансляции, трансляция, по термодинамическим и биологическим соображе­ниям, может быть толыр прямой — от мРНК к белку. Обратная трансляция запрещена.

Перенос генетической информации в клетках — процесс непрерывный, и его можно выразить следующей схемой:

дик -J

гРНК -и РНК |)РНК

I

Подобное направление переноса генетической информации от ДНК через РНК к белку называется цептралопош iшстулшим молекулярной генетики, который был сформулирован Криком. Согласно ему не может быть переноса информа­ции от белка к РНК, ' но допускается перенос от РНК к ДНК. Если вдруг обна­ружится перенос информации от белка к РНК, то придется пересмотреть весь фундамент молекулярной генетики.

Итак, первичными продуктами действия генов являются два типа макро­молекул. Это прежде всего белок и некоторые типы РНК: рРНК, тРНК и ми­норные РНК.

Все виды передачи генетической информации основаны на матричном механизме. Это означает, что для каждого ил них необходима матрица. При репликации матрицей служит одна из цепей ДНК (или РНК у вируеив), при транскрипции — участок ДНК (прямая транскрипция) или РНК (обратная транскрипция), а при трансляции — мРНК, т. е. матрицей может быть только нуклеиновая кислота. Матрица позволяет с большой точностью (что очень важно, поскольку речь идет о наследственных свойствах) и экономичностью (что не менее важно) воспроизводить имеющуюся в клетке генетическую ин­формацию. Точность копирования соответствующей нуклеиновой матрицы обеспечивает правило комплементарности азотистых оснований нуклеотидов, согласно которому происходит спаривание А с Т (или с У в РНК) -и Г с Ц. Благодаря этому порядок чередования нуклеотидов в каждой новой полину- клеотидной цепи комплементарен матрице.

Представим себе, что не было" бы матричного механизма переноса инфор­мации. В этом случае даже для сборки, например, одной цепи специфической ДНК бактерии, содержащей около миллиона нуклеотидов, нужно иметь пол­миллиона высоко специфичных молекул ферментов (ибо каждая фосфоди- эфирная связь между рядом стоящими нуклеотидами в полннуклеотндной цепи должна образовываться строго специфично). Следовательно, клетка должна иметь невероятно большой избыток ферментов только для репликации, а сам процесс был бы труден и длителен, к тому же высокая точность его вряд ли была бы возможна.

2. Молекулярные основы репликации

Теоретически возможны несколько вариантов репликации ДНК: консерватив­ная, когда дочерняя двойная спираль ДНК образуемся бел разделения цепей родительской ДНК; полуконсервативная> при которой цепи родительской ДНК расходятся, и на каждой из родительских цепей образуются комплементарные цепи дочерней ДНК, и дисперсивная, которая предусматривает расщепление в нескольких местах цепей родительской ДНК и образование на ней новых цепей ДНК.

В 1957 г. Меселсон и Сталь установили, что в живых организмах репли­кация ДНК происходит по полуконсервативному механизму. Сначала он пред­ставлялся просторна расплетающихся цепях ДНК, которые являются матри­цами, образуются комплементарные новые цепи ДНК- Нуклеотиды при этом выстраиваются по матрице соответственно правилу комплементарности, а «сшиваются» друг с другом фосфодиэфирнымй связями с помощью специаль­ного фермента ДНК-полимеразы. Впоследствии оказалось, что ДНК-полиме- раза не способна начать синтез новой ДНК из свободных нуклеотидов; она лишь способна удлинять полинуклеотидную цепь, т. е. для нее нужна затравка. В настоящее время репликация ДНК представляется сложным, многоступенчатым процессом, который имеет отличительные признаки у про-. кариотов и эукариотов.

Для репликации ДНК необходим ряд условий;

1) наличие дезоксирибонуклеозидтрнфосфатов (дАТФ, дТТФ, дГТФ и дЦ'ГФ) как структурного материала для сборки новых цепей ДНК;

2) расплетение двойной спирали ДНК;

3) образование затравки;

4) наличие ферментов, участвующих в образовании затравки и синтезе новых полинуклеотидных цепей ДНК.

Механизм репликации ДНК у прокариотов. Каждая стадия процесса репликации протекает с участием соответствующих ферментов.

1. Расплетающие белки разрывают водородные связи между комплемен­тарными основаниями двойной спирали ДНК- В результате двойная спираль расплетается и расходится на отдельные цепи. {Внешне это напоминает рас­стегивание застежки «молния».) Расплетенный участок ДНК называется репликативной вилкой. В его образовании участвует сразу до 200 молекул расплетающего белка, поэтому каждая ветвь репликативной вилки, на кото­рой происходит начало синтеза новой ДНК, имеет протяженность до 2000 не- спаренных оснований. Механизм действия расплетающих белков детально не изучен. Возможно, для расплетения ДНК используется энергия АТФ.

2. *Затравочная» ДНК-зависимая РНК-полимераза — особый вариант РНК-полимеразы {обычно эти ферменты участвуют в транскрипции), которая образует небольшую РНК-затравку («праймер»), комплементарную участку ДНК в репликативной внлке. Синтез РНК-затравки идет от конца 5' к концу 3'. Порядок чередования нуклеотидов в РНК задается ДНК-матрицей, а сшивка их 5'-> -3'-фосфодиэфйрными связями осуществляется РНК-полиме- разой.

3. ДНК-Полимеразы. Известны три формы ДНК-полимераз у прокарио­тов: I, II и III. Все они обладают двумя видами активности: полимеразной и нуклеазной. Полимеразная состоит в образовании фосфодиэфирных свя­зей 5'-»-3' между дезоксирибонуклеотидами, нуклеазная — в гидролизе фос­фодиэфирных связей.

ДНК-полимераза I расщепляет РНК-затравку при репликации {действует как РНКаза) и на ее месте синтезирует комгьлементарный фрагмент ДНК. ДНК-полимераза - II имеет очень низкую полимеразную активность. Функция ее в репликации неизвестна.

: ДНК-Полимераза III является основным ферментом репликации, синте- зирун на разошедшихся цепях ДНК комплементарные участки новой ДНК в направлении б'-^З'.

4. Рибонукледаа Н. Участвует в гидролизе РНК-затравки в ходе репли­кации наряду с ДНК-полимераэой I.

5. ДНК-Лигаэы {соединяющие ферменты). Обнаружено несколько фер­ментов, функция которых состоит в соединении друг с другом новосинте- зированных 'фрагментов ДНК- ДНК-Лигазы образуют фосфодиэфирные связи 3'-*-5', используя НАД* в качестве источника адеиилила,

Общая схема репликации представляется следующим образом (рис, 65). Под действием расплетающих белков образуются сразу в нескольких местах молекулы ДНК (как правило, на внутренних участках) реплнкативные вилки. Начинается репликация (инициация) с образования РНК-затравки с по* мощью РНК-полнмеразы в направлении б'^З'. После завершения синтеза короткой цепи РНК на матрице ДНК фермент отделяется от ДНК, Далее происходит присоединение к РНК-затравке дезоксирибонуклеотидов с по­мощью ДНК-полимеразы III в направлении 5'-*-3', Образуется гибридная цепь: РНК —ДНК, Причем ДНК-полимераза III синтезирует короткие фраг­менты ДНК (фрагменты Оказаки) на другой родительской цепи репликатив- ной вилки. Интересно, что по ходу синтеза ДНК-полимераза III может исправлять ошибки при неправильном спаривании нуклеотидов. Если произо­шла ошибка, то этот нуклеотид тут же отщепляется ферментом благодаря нуклеазной активности, а при правильном спаривании" нового нуклеотида присоединяет его к уже имеющемуся фрагменту ДНК.

РНК-Затравка после действия ДНК-полимеразы III полностью удаляет­ся или специфической рибонуклеазой Н, или ДНК-полимеразой I, На месте бывшей РНК-затравки наращивается цепь ДНК с помощью ДИК-полиме- разы I. Соединение синтезированных фрагментов ДНК (фрагментов Оказаки) н направлении происходит с йомощью ДНК-лигазы,

Точность репликации очень высока. Частота спонтанных ошибок при репликации составляет около Ю~^в—10~⁸, Это означает, что возможно ошибоч­ное включение только одного нуклеотида на каждый новосинтезированный фрагмент ДНК, содержащий 10^е—10^s нуклеотидов.

Рис. 65, Схема репликации ДНК; и — расхождение ueneft родительской ДНК и синтез РНК-'затраекк; б — образование комплементарной гибридной цепи РНК—ДНК и синтез фрагментов Окзэакн в направлении $'~*-3'\ в —гидролиз РНК-за­травки; г — достраивание ком племен тарной цепи ДНК на месте РНК-затравки, д сшивание фрагментов комплементарной цепи ДНК; I — родительские цепн; 3 — расплетающий белок; 8— РНК; 4 — фрагменты Оказаки

Репликация ДНК у эукариот, Репликация ДНК в хромосомах и мито­хондриях эукариотов происходит тоже полуконсервативным способом. Имеют­ся некоторые особенности репликации ДНК ядер и митохондрий {или хлоро­пластов) эукариот. В клетках млекопитающих обнаружены те же ферменты репликации ДНК {расплетающие белки,. РНК-полнмераза, ДНК-полимеразы, рибонуклеаэа Н, ДНК-лигазы), Однако эти ферменты отличаются то моле­кулярной структуре и свойствам от ферментов прокариотов. Так, ДНК-полнме- раэы ядер {а их тоже обнаружено три — а, р и у) и митохондрий (у-типа) клеток млекопитающих не обладают нуклеазной активностью. Наиболее ак­тивна у них ДНК-полимераза о, Она, видимо, выполняет ту же функцию при репликации, что и ДНК-полимераза Ш прокариотов.

Репарация ДНК- Репарацию, или исправление поврежденных участков одной из цепей ДНК, можно рассматривать как. ограниченную репликацию. Наиболее изучен процесс репарации при повреждении цепи ДНК ультрафио­летовым излучением, например, эпителиальных клеток кожи. При УФ облу­чении образуются «сшивки» между соседними остатками тнмина в ДНК, Эти димеры тимина уже не могут выполнять функцию матрицы при репликации. Поэтому в клетках имеются ферменты, исправляющие поврежденные участки ДНК. Сначала такой участок удаляется ДНКазамн. Затем фермент типа ДНК-полимеразы I заполняет пробел путем синтеза участка ДНК в направле­нии На последнем этапе сшиваются концы ДНК-лигазой.

3. Молекулярные основы транскрипции

В процессе жизнедеятельности зрелой клетки только часть генетической ин­формации, записанной в ДНК хроматина, реализуется при транскрипции в виде копий РНК- Участки неактивной, или репрессированной, ДНК входят в состав глобулярных нуклеосом хроматина, а активной — в состав межнук- леосомных фрагментов или «развернутых» линейных нуклеосом.

Элементарную единицу транскрипции у прокариотов и эукариотов, т. е. отрезок ДНК, подвергающийся транскрипции, принято называть транскрип­тоном. Иногда транскриптоны прокариотов называют также оперонами. Дли­на транскриптонов колеблется от 300 до 10® нуклеотидов {последняя циф­ра характерна для высших эукариотов, у которых, как правило, размеры транскриптонов намного больше, чем у прокариотов).

Отдельные участки транскриптонов несут разную функцию. Одна группа участков относится к информативным, а другая — к неинформативным. К ин­формативным относятся структурные цистроны или гены, несущие информа­цию о структуре полипептндной цепи или нематричных РНК {рРНК, тРНК, других низкрмолекулярных стабильных РНК); неинформативные выполняют другие функции и не содержат генетической информации. Особенно велика неинформативная часть транскриптона у высших эукариотов. Совершенно неожиданно оказалось, что структурные гены в транскриптоне могут быть двух типов: непрерывными и «разорванными», или прерывистыми. Непре­рывность генов считалась абсолютным признаком. Действительно, трудно было представить, что, например, полипептидная цепь записана в соответ­ствующем цнстроне не вся, а кусками. Тем не менее во многих структурных генах, особенно эукариотов, генетическая информация записана с перерывами. Участки в структурных генах, несущие информацию, называются экзонами.

а неинформативные — интронами Возможно, нитроны играют дополнительную регуляторную функцию для экзонов.

В ДНК хромосом обнаружены подвижные фрагменты, которые названы лабильными генами или трансппзонами. Выявлено несколько разновидностей таких генов, отличающихся нуклеотидным составом и длиной полинуклеотид- ной цепи. Миграцию транспозонов объясняют механизмом обратной транс­крипции, т. е. сначала образуется транскрипт мобильного гена, а затем он используется как матрица для встраивания ДНК-копии а другом участке хромосом. Функция «прыгающих» генов еще не ясна Известно, однако, что они могут вызывать перестройки в геноме, изменять функцию тех участ­ков ДНК. рядом с которыми они встраиваются. В частности, вклиниваясь рядом с онкогеном (участком ДНК, вызывающим перестройку нормальной клетки в опухолевую), мобильные гены активируют их функцию, что может привести к опухолевому перерождению ткани Вместо с тем мобильные гены, участвуя в перестройке отдельных фрагментов хромосом, влияют на изменчи­вость организмов и их эволюцию.

Схема функциональной организации транскриптона у прокариотов н эу- кариотов представлена на рис, 66. Начальный участок транскриптона, с которого начинается транскрипция, называется промотор. К нему присоеди­няются белки, облегчающие начало транскрипции, и фермент транскрипции РНК-полнмераза. Оператор — участок ДНК, связывающий белки-регуляторы транскрипции. Таким бел ком-регулятором транскрипции у прокариотов явля­ется репрессор.

У эукариотов после промотора находится участок транскриптона, кото­рый называют акцепторной или управляющей зоной. С ней взаимодействуют различные регуляторы, влияющие на транскрипцию. В акцепторной зоне

Промотор Акцепторная Структурные rt

И i Э; И! Э I И: Э: И | Э

Прокариоты

«-, -.,.... ■.. -------------..,.,,.. Транекрнптон

(оперон)

Промотор Оператор Структурные п

Рис. 66. Функциональная организация транскриптонов у прокариотов к эукариотов (И — интрон; Э — экзон)

имеется фрагмент ДНК (его называют усилитель или «энхансер»), который облегчает транскрипцию с участием РНЙ-полимеразы.

К оператору, или акцепторной зоне, примыкают структурные цистроны, или гены, содержащие перемежающиеся участки интронов и экзонов. В одном транскриптоне может быть один структурный цистрон (моноцистронный транскриптон) или несколько (полицистронный транскриптон). В конце транскриптона имеется последовательность нуклеотидов, которая является своего рода сигналом об окончании транскрипции, — терминатор. РНК, образующаяся при транскрипции, называется транскриптом. Транскрипт — комплементарная копия транскриптона от промотора до терминатора.