Підручник з Біології і екології. 10 клас. Остапченко - Нова програма

§ 30. МЕХАНІЗМИ ЗБЕРЕЖЕННЯ СТАЛОСТІ ГЕНЕТИЧНОГО МАТЕРІАЛУ

Пригадайте будову та функції ДНК. У чому полягає принцип комплементарності, центральна догма молекулярної біології? Що таке праймер, еухроматин і гетерохроматин? Яка будова еукаріотичних хромосом? Як відбувається процес біосинтезу ДНК?

Незмінність генетичної інформації протягом незчисленної кількості поколінь організмів певного виду забезпечує сталість видів упродовж тривалих історичних проміжків часу. Збереження сталості генетичного матеріалу забезпечується двома основними процесами: реплікацією (подвоєнням) молекул ДНК та репарацією (відновленням) ДНК.

Одна з важливих проблем, які виникають під час реплікації молекул ДНК, — це реплікація кінцевих ділянок еукаріотичних хромосом. Після закінчення реплікації 5'-кінець синтезованого заново ланцюга кожної сестринської молекули ДНК є недореплікованим. Це може призвести до того, що хромосоми з кожним наступним процесом реплікації вкорочуватимуться (мал. 30.1).

Мал. 30.1. Проблема недореплікації лінійних молекул ДНК: з кожним циклом один з ланцюгів ДНК буде вкорочуватися з 5'-кінця на довжину праймера (див. мал. 22.1), що призведе до поступового скорочення самої молекули

Цікаво знати

Саме із вкороченням кінцевих ділянок хромосом у соматичних клітинах, які діляться, пов'язують так званий ліміт Гейфліка (названий за ім'ям першовідкривача цього феномену Л. Гейфліка (мал. 30.2): кількість поділів соматичних клітин ссавців обмежена приблизно 50—52 разами. Після цього клітини гинуть. Незадовго перед тим у них спостерігають ознаки старіння. Але цього не відбувається у стовбурових і ракових клітинах. Тому кількість їхніх поділів не обмежена.

Мал. 30.2. Леонард Гейфлік — професор Каліфорнійського університету (нар. 1928 р.). У 60-х роках XX ст. відкрив феномен обмеження кількості поділів соматичних клітин багатоклітинних організмів, названий лімітом Гейфліка

В еукаріотичних клітинах проблема вкорочення хромосом розв’язується за допомогою теломер. Це ділянки на кінцях хромосом, які складаються з низки коротких послідовностей нуклеотидів, копії яких розміщені одна за одною. За підтримання довжини цих повторів після реплікації відповідає фермент теломераза. До його складу входить два компоненти: РНК, частина послідовності якої комплементарна теломерному повтору, та фермент зворотна транкриптаза, що синтезує ДНК на матриці РНК (пригадайте, у кого спостерігають цей процес). Фермент «сідає» на однониткову ділянку материнського ланцюга ДНК на 3'-кінці і подовжує його, використовуючи власну РНК як матрицю. Такий процес подовження може повторюватися сотні разів. Другим механізмом підтримання сталості генетичного матеріалу є репарація ДНК. Він спрямований на усунення пошкоджень ДНК і відновлення її структури до вихідного стану (який був до моменту дії пошкоджувального фактора).

Протягом життя на клітину постійно впливають різні зовнішні (хімічної чи фізичної природи) та внутрішні (наприклад, помилки під час реплікації) фактори, що пошкоджують структуру її молекул ДНК. Уявіть: лише за добу в молекулах ДНК нашого організму можуть утворюватись до мільйона різних пошкоджень, причинами яких є хімічно модифіковані нуклеотиди, втрати нітрогеновмісних основ, розриви в одному або обох ланцюгах ДНК, зшивання нуклеотидів ковалентними зв’язками в межах одного ланцюга ДНК або між двома ланцюгами, виникнення водневих зв’язків між некомплементарними нуклеотидами (мал. 30.3.). Зрозуміло, що ці пошкодження заважатимуть нормальному перебігу процесів реплікацій та транскрипції, а також можуть призвести до появи мутацій або навіть загибелі клітини.

Мал. 30.3. Основні варіанти пошкодження ДНК. Завдання: схарактеризуйте їх

Для збереження генетичного матеріалу в незмінному та нормальному функціональному стані в клітині існують системи, які відновлюють молекули ДНК. Їх поділяють на два типи: пряму та непряму репарацію. До систем прямої репарації належать ті, що усувають пошкодження в один крок за принципом: одне пошкодження — один фермент — одна реакція. Системи прямої репарації, незважаючи на їхню швидкість, не усувають значну частину пошкоджень ДНК. Механізми непрямих систем репарації складніші, у них залучено багато білків, а сам процес усунення пошкоджень відбувається у декілька етапів. До непрямої репарації відносять: репарацію неправильно сполучених нуклеотидів, репарацію нітрогеновмісних основ, нуклеотидів, двониткових розривів ДНК і міжниткових ковалентних зшивок ДНК. Розглянемо деякі з них.

Система репарації неправильно сполучених нуклеотидів. Інколи ДНК-полімерази, які забезпечують основний синтез, приєднують до ланцюга, що росте, неправильні нуклеотиди (із частотою приблизно 1 нуклеотид на 105). Ці нуклеотиди усуває відповідна система репарації. Вона репарує також вставки або видалення одного чи кількох нуклеотидів, які також можуть виникати через помилки ДНК-полімерази (мал. 30.4).

Мал. 30.4. Схема репарації неправильно сполучених нуклеотидів. Специфічні білки впізнають несполучені нуклеотиди (А); роблять однониткові розрізи в дочірньому ланцюзі ДНК по обидва боки від неправильно вбудованого нуклеотиду (Б); відповідний фермент розплітає цю ділянку й від’єднує однонитковий фрагмент з пошкодженням (В); прогалину відновлює ДНК-полімераза (Г)

Інша система непрямої репарації впізнає і відновлює різноманітні хімічні модифікації нуклеотидів, які блокують проходження реплікації та транскрипції молекул ДНК. Ця система репарації універсальніша за інші, оскільки розпізнаються не самі пошкодження, а порушення структури подвійної спіралі ДНК, які вони спричиняють.

Системи репарації двониткових розривів ДНК, хоча розпізнають і виправляють лише один тип пошкоджень ДНК, конче потрібні для підтримання стабільності генетичного апарату. Двониткові розриви утворюються не часто, але дуже небезпечні для клітини, оскільки є причиною різноманітних хромосомних перебудов.

Коли пошкоджень ДНК у клітині дуже багато або системи репарації не встигли їх видалити до початку реплікації ДНК, тоді задіюються механізми толерантності до пошкоджень ДНК. Якщо пошкодження не були видалені до початку реплікації молекул ДНК, то цей процес може бути повністю заблокований. Для продовження синтезу ДНК використовується спеціальна ДНК-полімераза, що вбудовує навпроти пошкоджень випадкові нуклеотиди. У результаті такої «репарації» клітина виживає, але пошкодження не усуваються. Вони можуть бути усунені в наступному клітинному циклі.

Ключові терміни та поняття

теломера, системи прямої та непрямої репарації, механізми толерантності до пошкоджень ДНК.

Перевірте здобуті знання

1. Чому процес реплікації ДНК належить до процесів підтримання сталості генетичного матеріалу? 2. Чому зміни в структурі молекул ДНК можуть спричинити мутації? 3. Що собою становить система прямої репарації? 4. Чим характеризується система непрямої репарації? 5. Що собою становлять механізми толерантності до пошкоджень ДНК?

Поміркуйте

Розмір диплоїдного генома людини 6 • 109 нуклеотидів. Розрахуйте, скільки неправильно вбудованих нуклеотидів буде в геномі дочірньої клітини після поділу материнської.