Биологична роля и биохимични механизми на възстановяване. Етап на регенерация и репарация

Синтезът на ДНК се осъществява чрез полуконсервативен механизъм: всяка верига на ДНК се копира. Синтезът се извършва на секции. Има система, която елиминира грешките при редупликацията на ДНК (фоторепарация, предрепродуктивна и пострепродуктивна репарация). Репарационният процес е много дълъг - до 20 часа и сложен. Ензими - рестрикционните ензими изрязват неподходящ участък от ДНК и го допълват отново. Ремонтите никога не протичат със 100% ефективност, ако беше така, еволюционната променливост не би съществувала. Възстановителният механизъм се основава на наличието на две допълващи се вериги в молекулата на ДНК. Изкривяването на нуклеотидната последователност в един от тях се открива от специфични ензими. След това съответното място се премахва и се заменя с ново, синтезирано върху втората комплементарна ДНК верига. Тази репарация се нарича изрязване,тези. с изрез. Извършва се преди следващия цикъл на репликация, така се нарича още предрепликативен.В случай, че системата за възстановяване на ексцизията не коригира промяна, която е възникнала в една ДНК верига, тази промяна се фиксира по време на репликацията и става собственост и на двете ДНК вериги. Това води до замяна на една двойка комплементарни нуклеотиди с друга или до поява на прекъсвания в новосинтезираната верига спрямо променените места. Възстановяване на нормалната структура на ДНК може да настъпи и след репликация. Поправка след отговорсе извършва чрез рекомбинация между две новообразувани двойни вериги на ДНК. По време на предрепликативния и пострепликативния ремонт по-голямата част от увредената ДНК структура се възстановява. Ако в клетката, въпреки продължаващия ремонт, размерът на увреждането остава висок, процесите на репликация на ДНК в нея са блокирани. Такава клетка не се дели.

19. Ген, неговите свойства. Генетичен код, неговите свойства. Структура и видове РНК. Обработка, снаждане. Ролята на РНК в процеса на реализация на наследствената информация.

ген - участък от ДНК молекула, който носи информация за структурата на полипептидна верига или макромолекула. Гените на една хромозома са подредени линейно, образувайки група на свързване. ДНК в хромозомата изпълнява различни функции. Има различни последователности от гени, има последователности от гени, които контролират генната експресия, репликацията и т.н. Има гени, които съдържат информация за структурата на полипептидната верига, в крайна сметка структурни протеини. Такива последователности от нуклеотиди с дължина един ген се наричат структурни гени. Гените, които определят мястото, времето, продължителността на включването на структурните гени, са регулаторни гени.

Гените са малки по размер, въпреки че се състоят от хиляди базови двойки. Наличието на ген се установява чрез проявата на признака на гена (краен продукт). Общата схема на структурата на генетичния апарат и неговата работа е предложена през 1961 г. от Jacob, Monod. Те предположиха, че има част от молекулата на ДНК с група структурни гени. В съседство с тази група е място от 200 bp, промоторът (мястото на присъединяване на ДНК-зависима РНК полимераза). Операторският ген се присъединява към този сайт. Името на цялата система е оперон. Регулацията се осъществява от регулаторен ген. В резултат на това репресорният протеин взаимодейства с операторния ген и оперонът започва да работи. Субстратът взаимодейства с генните регулатори, оперонът се блокира. Принцип на обратната връзка. Експресията на оперона е включена като цяло.

При еукариотите генната експресия не е изследвана. Причината са сериозни пречки:

Организация на генетичния материал под формата на хромозоми

В многоклетъчните организми клетките са специализирани и поради това някои от гените са изключени.

Наличието на хистонови протеини, докато прокариотите имат „гола“ ДНК.

ДНК е макромолекула, тя не може да влезе в цитоплазмата от ядрото и да предаде информация. Синтезът на протеини е възможен благодарение на иРНК. В еукариотната клетка транскрипцията се извършва с огромна скорост. Първо се появява про-и-РНК или пре-и-РНК. Това се обяснява с факта, че при еукариотите иРНК се образува в резултат на обработка (узряване). Генът има прекъсната структура. Кодиращите области са екзони, а некодиращите области са интрони. Генът в еукариотните организми има екзон-интронна структура. Интронът е по-дълъг от екзона. В процеса на обработка интроните се "изрязват" - сплайсинг. След образуването на зряла иРНК, след взаимодействие със специален протеин, тя преминава в система - информозома, която пренася информация в цитоплазмата. Сега системите екзон-интрон са добре проучени (например онкоген - P-53). Понякога интроните на един ген са екзони на друг, тогава снаждането не е възможно. Обработката и снаждането са в състояние да комбинират структури, които са отдалечени една от друга, в един ген, така че те са от голямо еволюционно значение. Такива процеси опростяват видообразуването. Протеините имат блокова структура. Например, ензимът е ДНК полимераза. Това е непрекъсната полипептидна верига. Състои се от собствена ДНК полимераза и ендонуклеаза, която разцепва ДНК молекулата от края. Ензимът се състои от 2 домена, които образуват 2 независими компактни частици, свързани с полипептиден мост. На границата между два ензимни гена има интрон. Някога домейните бяха отделни гени, а след това се сближиха. Нарушаването на такава генна структура води до генни заболявания. Нарушаването на структурата на интрона е фенотипно незабележимо, нарушение в последователността на екзона води до мутация (мутация на глобинови гени).

10-15% от РНК в клетката е трансферна РНК. Има допълващи се региони. Има специален триплет - антикодон, триплет, който няма комплементарни нуклеотиди - GHC. Взаимодействието на 2 субединици на рибозомата и иРНК води до започване. Има 2 места - пектидил и аминоацил. Те отговарят на аминокиселините. Синтезът на полипептида става стъпка по стъпка. Удължаване - процесът на изграждане на полипептидна верига продължава, докато достигне безсмислен кодон, след което настъпва прекъсване. Синтезът на полипептида завършва, който след това навлиза в ER каналите. Подединиците се разделят. В клетката се синтезират различни количества протеин.

Конспект на лекцията 1. Видове увреждания на ДНК 1. Видове увреждания на ДНК 2. Репарация на ДНК, видове и механизми: 2. Репарация на ДНК, видове и механизми: Директна Директна ексцизионна Ексцизионна Пострепликативна Пострепликативна SOS репарация SOS репарация 3. Репарация и наследствени заболявания 3. Възстановяване и наследствени заболявания

Процесът на възстановяване на оригиналната естествена структура на ДНК се нарича възстановяване на ДНК или генетично възстановяване, а системите, участващи в него, се наричат системи за възстановяване. Процесът на възстановяване на оригиналната естествена структура на ДНК се нарича възстановяване на ДНК или генетично възстановяване, а системите, участващи в него, се наричат системи за възстановяване. Понастоящем са известни няколко механизма за генетично възстановяване. Някои от тях са по-прости и се "включват" веднага след увреждане на ДНК, други изискват индукция на голям брой ензими, а действието им е удължено във времето. Понастоящем са известни няколко механизма за генетично възстановяване. Някои от тях са по-прости и се "включват" веднага след увреждане на ДНК, други изискват индукция на голям брой ензими, а действието им е удължено във времето.

От гледна точка на молекулярния механизъм, първичните увреждания в ДНК молекулите могат да бъдат елиминирани по три начина: От гледна точка на молекулярния механизъм първичните увреждания в ДНК молекулите могат да бъдат елиминирани по три начина: 1. директно връщане към първоначалното състояние; 1.Директно връщане към първоначалното състояние; 2. изрязване на повредената зона и замяната й с нормална; 2. изрязване на повредената зона и замяната й с нормална; 3. рекомбинационно възстановяване заобикаляйки повредената област. 3. рекомбинационно възстановяване заобикаляйки повредената област.

Спонтанно увреждане на ДНК Грешки при репликация (поява на некомплементарни базови двойки) Грешки при репликация (поява на некомплементарни базови двойки) Апуринизация (отцепване на азотни бази от нуклеотид) Апуринизация (отцепване на азотни бази от нуклеотид) Дезаминиране (отцепване на аминогрупа) Дезаминиране (отцепване на аминогрупа)

Индуцирано увреждане на ДНК Димеризация (омрежване на съседни пиримидинови бази за образуване на димер) Димеризация (свързване на съседни пиримидинови бази за образуване на димер) Разкъсвания на ДНК: единични и двойни вериги Разкъсвания на ДНК: единични и двойни вериги Напречни връзки между ДНК вериги Напречни връзки между ДНК вериги

ДИРЕКТНО ВЪЗСТАНОВЯВАНЕ НА ДНК Този тип възстановяване осигурява директно възстановяване на оригиналната структура на ДНК или отстраняване на увреждане. Този тип поправка осигурява директно възстановяване на оригиналната структура на ДНК или отстраняване на увреждане. Широко разпространена възстановителна система от този вид е фотореактивирането на пиримидиновите димери. Широко разпространена възстановителна система от този вид е фотореактивирането на пиримидиновите димери. Това е досега единствената известна ензимна реакция, при която факторът на активиране не е химическа енергия, а енергията на видимата светлина. Това е досега единствената известна ензимна реакция, при която факторът на активиране не е химическа енергия, а енергията на видимата светлина. Това активира ензима фотолиаза, който разделя димерите. Това активира ензима фотолиаза, който разделя димерите.

Фоторепарация Схематично светлинната репарация изглежда така: 1. Нормална ДНК молекула Облъчване с UV светлина 2. Мутантна ДНК молекула - образуване на пиримидинови димери. Действие на видимата светлина 3. Синтез на ензима фотолиаза 4. Разцепване на димерите на пиримидиновите бази 5. Възстановяване на нормалната структура на ДНК

Установено е, че в допълнение към 5'-3'-полимеразна активност повечето полимерази имат 3'-5'-екзонуклеазна активност, което осигурява коригиране на възможните грешки. Установено е, че в допълнение към 5'-3'-полимеразна активност повечето полимерази имат 3'-5'-екзонуклеазна активност, което осигурява коригиране на възможните грешки. Тази корекция се извършва на два етапа: първо, всеки нуклеотид се проверява за съответствие с шаблона, преди да бъде включен в нарастващата верига, и след това, преди следващият нуклеотид да бъде включен във веригата. Тази корекция се извършва на два етапа: първо, всеки нуклеотид се проверява за съответствие с шаблона, преди да бъде включен в нарастващата верига, и след това, преди следващият нуклеотид да бъде включен във веригата. ВЪЗСТАНОВЯВАНЕ НА ДНК ДЪЛЖЕНИЕ НА ЕКЗОНУКЛАЗНАТА АКТИВНОСТ НА ДНК ПОЛИМЕРАЗИТЕ

Когато се вмъкне грешен нуклеотид, двойната спирала се деформира. Това позволява на DNA-P да разпознае в повечето случаи дефект в нарастващата верига. Ако погрешно вмъкнатият нуклеотид не е в състояние да образува водородна връзка с комплементарната база, ДНК-II ще спре процеса на репликация, докато правилният нуклеотид заеме неговото място. При еукариотите ДНК-Р няма 3-5 екзонуклеазна активност. Когато се вмъкне грешен нуклеотид, двойната спирала се деформира. Това позволява на DNA-P да разпознае в повечето случаи дефект в нарастващата верига. Ако погрешно вмъкнатият нуклеотид не е в състояние да образува водородна връзка с комплементарната база, ДНК-II ще спре процеса на репликация, докато правилният нуклеотид заеме неговото място. При еукариотите ДНК-Р няма 3-5 екзонуклеазна активност.

Възстановяване на алкилиращи увреждания Генетичните увреждания, причинени от добавянето на алкилови или метилови групи, могат да бъдат поправени чрез отстраняване на тези групи от специфични ензими. Специфичният ензим O 6 метилгуанин трансфераза разпознава O 6 метилгуанин в ДНК и премахва метиловата група и връща основата в първоначалната й форма. Генетичните увреждания, причинени от добавянето на алкилови или метилови групи, могат да бъдат поправени чрез отстраняване на тези групи от специфични ензими. Специфичният ензим O 6 метилгуанин трансфераза разпознава O 6 метилгуанин в ДНК и премахва метиловата група и връща основата в първоначалната й форма.

Действието на полинуклеотидната лигаза Например, едноверижни прекъсвания на ДНК могат да възникнат под въздействието на йонизиращо лъчение. Ензимът полинуклеотидна лигаза свързва отново счупените краища на ДНК. Например под въздействието на йонизиращо лъчение могат да възникнат едноверижни разкъсвания на ДНК. Ензимът полинуклеотидна лигаза свързва отново счупените краища на ДНК.

Етапи на ексцизионно възстановяване 1. Разпознаване на увреждане на ДНК от ендонуклеаза 1. Разпознаване на увреждане на ДНК от ендонуклеаза 2. Разрязване (разрязване) на ДНК веригата от ензима от двете страни на увреждането 2. Разрязване (нарязване) на ДНК веригата от ензимът от двете страни на увреждането 3. Изрязване (изрязване и отстраняване) увреждане с хеликаза 3. Изрязване (изрязване и отстраняване) на увреждане с хеликаза 4. Ресинтез: ДНК-Р запълва празнината и лигазата свързва краищата на ДНК 4. Ресинтез : ДНК-Р запълва празнината и лигазата свързва краищата на ДНК

Поправка на несъответствие По време на репликация на ДНК възникват грешки при чифтосване, когато се образуват некомплементарни двойки вместо комплементарни двойки A-T, G-C. Несъответствието засяга само дъщерната нишка. Системата за възстановяване на несъответствието трябва да намери дъщерната верига и да замени некомплементарни нуклеотиди. По време на репликацията на ДНК възникват грешки при чифтосване, когато се образуват некомплементарни двойки вместо комплементарни двойки A-T, G-C. Несъответствието засяга само дъщерната нишка. Системата за възстановяване на несъответствието трябва да намери дъщерната верига и да замени некомплементарни нуклеотиди.

Поправка на несъответствие Как да различим дъщерна нишка от родителска нишка? Как да различим дъщерна верига от родителска верига? Оказва се, че специални метилазни ензими прикрепват метилови групи към аденините в GATC последователността на родителската верига и тя става метилирана, за разлика от неметилираната дъщерна. В E. coli продуктите на 4 гена реагират на поправка на несъответствие: mut S, mut L, mut H, mut U. Оказва се, че специални метилазни ензими прикрепят метилови групи към аденините в GATC последователността на майчината верига и тя става метилиран, за разлика от неметилирания дете. В E. coli продуктите на 4 гена съответстват на ремонт на несъответствие: mut S, mut L, mut H, mut U.

ПОСТРЕПЛИКАТИВНО ВЪЗСТАНОВЯВАНЕ НА ДНК Пост-репликативно възстановяване на ДНК възниква, когато увреждането оцелее във фазата на репликация (твърде много увреждане или увреждането е настъпило непосредствено преди репликацията) или е от естество, което прави невъзможно възстановяването му с ексцизионно възстановяване (напр. , кръстосано свързване на ДНК вериги). Тази система играе особено важна роля при еукариотите, осигурявайки възможност за копиране дори от повредена матрица (макар и с повишен брой грешки). Една от разновидностите на този тип възстановяване на ДНК е рекомбинационната поправка.

SOS ремонт Открит през 1974 г. от М. Радман. Той даде името, като включи международен сигнал за помощ. Включва се, когато има толкова много увреждания в ДНК, че застрашават живота на клетката. Индуцира се синтеза на протеини, които се прикрепят към ДНК-II комплекса и изграждат дъщерна ДНК верига срещу дефектната матрица. В резултат на това ДНК се удвоява по грешка и може да настъпи клетъчно делене. Но ако жизнените функции са засегнати, клетката ще умре. Открит през 1974 г. от М. Радман. Той даде името, като включи международен сигнал за помощ. Включва се, когато има толкова много увреждания в ДНК, че застрашават живота на клетката. Индуцира се синтеза на протеини, които се прикрепят към ДНК-II комплекса и изграждат дъщерна ДНК верига срещу дефектната матрица. В резултат на това ДНК се удвоява по грешка и може да настъпи клетъчно делене. Но ако жизнените функции са засегнати, клетката ще умре.

ВЪЗСТАНОВЯВАНЕ НА ДНК И ЧОВЕШКИ НАСЛЕДСТВЕНИ БОЛЕСТИ Нарушаването на системата за възстановяване на човека е причина за: Преждевременно стареене Онкологични заболявания (80-90% от всички видове рак) Автоимунни заболявания (ревматоиден артрит, СЛЕ, болест на Алцхаймер)

Заболявания, свързани с нарушена репарация Xeroderma pigmentosa Xeroderma pigmentosum Атаксия-телеангиектазия или синдром на Луис-Бар Атаксия-телеангиектазия или синдром на Луис-Бар Синдром на Блум Синдром на Блум Трихотиодистрофия (TTD) Трихотиодистрофия (TTD) Синдром на Cockayne Синдром на Cockayne of Fanconi) Синдром на Fanconi Hutchinson-Gilford) Прогерия при деца (синдром на Hutchinson-Gilford) Прогерия при възрастни (синдром на Вернер) Прогерия при възрастни (синдром на Вернер)

Атаксия-телеангиектазия или синдром на Louis-Bar: A-P, церебеларна атаксия, нарушена координация на движенията, телеангиектазии - локално прекомерно разширяване на малките съдове, имунна недостатъчност, предразположение към рак. Синдром на Bloom: A-P, висока чувствителност към UV лъчи, хиперпигментация, зачервяване на лицето под формата на пеперуда.

Трихотиодистрофия: A-P, липса на сяра в космените клетки, чупливост, наподобяваща тигрова опашка, аномалии на кожата, зъбите, дефекти в половото развитие. Синдром на Cockayne: A-P, нанизъм с нормални хормони на растежа, глухота, оптична атрофия, ускорено стареене, чувствителност към слънчева светлина. Анемия на Fanconi: намаляване на броя на всички клетъчни елементи на кръвта, скелетни нарушения, микроцефалия, глухота. Причината е нарушение на изрязването на пиримидиновите димери и нарушение на възстановяването на междуверижните ДНК връзки.

Литература: 1. Генетика. Изд. Иванова В.И. М., Жимулев И.Ф. Обща и молекулярна генетика. Новосибирск, Муминов Т.А., Куандыков Е.У. Основи на молекулярната биология (курс лекции). Алмати, Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярна биология. М., 2003.

Въпреки високата точност на работата на ензимите, които извършват репликация на ДНК, както и наличието на механизъм за корекция, все още възникват грешки по време на синтеза на нови ДНК вериги, свързани с включването на некомплементарни нуклеотиди в техния състав. Освен това ДНК молекулите в клетките са изложени на различни физични и химични фактори, които нарушават структурата им. Някои от най-честите увреждания на ДНК включват:

Разкъсване на (b-N)-гликозидните връзки между пурин и дезоксирибоза (депуринация), което най-често е резултат от повишаване на температурата. На ден в една човешка клетка се извършват от 5000 до 10 000 действия депуринация;

Спонтанно дезаминиране на цитозинови и аденинови остатъци с образуване съответно на урацилови и хипоксантинови остатъци (около 100 събития на геном на ден);

Алкилиране на азотни основи под действието на химикали от специален клас ( алкилиращи агенти);

- интеркалация(вграждане) на някои съединения между съседни двойки нуклеотиди;

Образуване на ковалентни кръстосани връзки между ДНК веригите под действието на бифункционални агенти;

Образуването на циклобутанови димери възниква от абсорбцията на ултравиолетова светлина (UV) (фиг. 2.2) между съседни пиримидини във веригата.

Повечето от тези увреждания нарушават процесите на генна репликация и експресия, например всеки тиминов димер в E. coli ДНК забавя репликацията с 10 s. В допълнение, тези увреждания са източник на мутации, ако не бъдат поправени преди началото на репликацията на ДНК.

Най-често такива нарушения възникват само в една от ДНК веригите, докато втората верига срещу увреждането в повечето случаи съдържа „правилната“ последователност, която може да служи като матрица за коригиране на грешки. По този начин двойната спирала на ДНК, както и фактът, че кодира информация за структурата на ремонтните ензими, прави възможен уникален механизъм за коригиране на грешки - ремонт, който е характерен само за един клас молекули - ДНК.

Има много възстановителни системи и механизми, които съществуват в различни организми, сред тях има такива, които са специфични само за възстановяване на щети от един вид, а има и по-малко специфични. За удобство всички известни в момента процеси на възстановяване могат да бъдат разделени на две категории: 1) такива, които не изискват участието на репликация и представляват директна корекция на увреждане на ДНК; 2) по-сложни процеси, по време на които се извършва възстановителна репликация. Най-добре проучените възстановителни механизми са във връзка с възстановяването на щети, причинени от UV лъчение - пиримидиновите димери (фиг. 2.2).

Тъй като ензимите, зависими от ултравиолетовата светлина, участват в най-известните процеси за възстановяване на последствията от ултравиолетовата радиация, механизмите за възстановяване също се разделят на светли (които могат да се извършват само във видима светлина) и тъмни (които не изискват участие на видима светлина) ремонт.

Ремонтните механизми за директно възстановяване на увреждане включват деалкилиране на гуанинови остатъци и мономеризация на циклобутанови димери между съседни пиримидинови бази. Деалкилирането на метилгуаниновите остатъци се отнася до тъмно възстановяване и се случва с участието на ензими, присъстващи в бактериалните клетки и подхранващи. О6-метилгуанин-ДНК-алкил-трансферазата катализира прехвърлянето на алкилови групи към сулфхидрилни групи на цистеинови остатъци на ензима (фиг. 2.3).

В процеса настъпва разцепване на димери между пиримидиновите нуклеотиди фотореактивиране- възстановяване на структурата на молекулите на ДНК, увредени от UV радиация в резултат на последващо излагане на видима светлина (светлинно възстановяване). Известна е неензимна късовълнова фотореактивация, която се състои в мономеризация на димери под действието на ултравиолетово лъчение с дължина на вълната 240 nm, както и ензимна фотореактивация. Последното обикновено се разбира като самата фотореактивация. Този процес изисква участието на видима светлина с дължина на вълната 300-600 nm и се осъществява под действието на специфични фотореактивиращи ензими (дезоксирибопиримидин фотолиаза). Димерите на пиримидиновите бази служат като субстрат за фотолиазата, с която тя образува комплекс (ензимът не се свързва с непокътната ДНК). Използвайки енергията на погълнатата светлина, ензимът разрушава димера, без да разкъсва ДНК веригите (фиг. 2.4).

Феноменът на фотореактивацията е широко разпространен в природата и е открит дори при такива примитивни микроорганизми като микоплазмите. Фотореактивиращи ензими са открити в някои висши растения и животни и във всички изследвани бактерии, с изключение на Deinococcus radiodurans, който обаче е изключително устойчив на UV светлина: тези бактерии издържат на дози, 1000 пъти по-високи от тези, които убиват E. coli . При пълната липса на способност за фотореактивиране, D. radiodurans има мощна система за възстановяване чрез изрязване.

Ремонтните събития, свързани с подмяната на изкривени региони, не изискват участието на видима светлина и в допълнение към други ензими, два вида нуклеази играят важна роля в тях: екзо- и ендонуклеази. Екзонуклеазите разцепват ДНК, започвайки от краищата на нишките, докато ендонуклеазите атакуват нишките във вътрешните части, образувайки едноверижни прекъсвания в ДНК. Сред разнообразието от различни видове ремонт, свързани с репаративния синтез на ДНК, могат да се разграничат два основни: ексцизионенИ пострепликативенрепарация.

ремонт на ексцизия.Отличителна черта на ексцизионния ремонт е отстраняването на увредената ДНК област. Този тип възстановяване не е толкова специфично по отношение на увреждането на ДНК, колкото фотореактивирането, и може да се използва за възстановяване не само на пиримидиновите димери, но и на много други промени в структурата на ДНК. Ексцизионният ремонт (фиг. 2.5, A) е многоетапен процес и включва следните събития:

1) разпознаване на увреждане в ДНК, което се извършва от специфични ендонуклеази, които също изпълняват следващия етап;

2) разрязване на една верига от ДНК близо до увреждането - разрез(осъществява се от ендонуклеази);

3) отстраняване на група нуклеотиди заедно с увреждане - изрязване(извършват екзонуклеази);

4) ресинтеза на ДНК - запълване на получената празнина (активност на ДНК полимераза);

5) възстановяване на непрекъснатостта на ремонтираната верига поради образуването на ковалентни връзки на захарно-фосфатния скелет на молекулата.

Механизмът на ексцизионното възстановяване е най-добре проучен с помощта на примера за тъмно отстраняване на пиримидинови димери от UV-облъчена E. coli ДНК. В клетките на E. coli гените uvrA-D са отговорни за този процес (кодиращи структурата на ензими, които изрязват участък от ДНК верига с димер), както и polA (определя структурата на ДНК полимераза I, която извършва репаративен синтез на ДНК). Характеристика на този метод на ексцизионно възстановяване е образуването на едноверижни разрези от двете страни на тиминовия димер.

Някои организми използват за възстановяване на увреждания, включително тези, свързани с образуването на тиминови димери, друг вид ексцизионно възстановяване, което включва участието на специален ензим, N-гликозилаза, в процеса. В този случай първото репаративно събитие е разцепването на гликозидната връзка между увредената основа (например един от тимините в димера, N-алкилиран пурин и др.) И дезоксирибозата. По този начин има местен апуринизация, или апиримидиниране; възниква така нареченото АР място, разпознато от АР-специфична ендонуклеаза, която разцепва фосфодиестерната връзка близо до АР мястото. След това празнината се запълва с помощта на конвенционален репаративен синтез.

Редица различни N-гликозилази са открити в бактериални и еукариотни клетки. Например, урацил-ДНК гликозилазата разпознава несъответстващата dG/dU двойка в резултат на спонтанно дезаминиране на дезоксицитозин остатък от dG/dC двойката. Дезаминирането на цитозин може да доведе до образуването на мутантна нуклеотидна двойка dA/dT по време на репликация, тъй като урацилът се държи подобно на тимина по отношение на водородното свързване. Друг широко разпространен ензим от този тип е пиримидин димер-N-гликозилаза, която създава апиримидиново място при възстановяването на увреждане, свързано с образуването на пиримидинови димери.

Местата, където е настъпила депуринизация или депиримидинизация, се разцепват от АР (апуринови и апиримидинови) ендонуклеазни ензими. Има много различни АР ендонуклеази в про- и еукариотните клетки. Някои от тях нарязват веригата от 3' страната на мястото на АР, докато други разцепват диестерната връзка от 5' страната; и в двата случая се образуват 3'-хидроксилните и 5'-фосфорилните краища. Това позволява на екзонуклеазата да отстрани съседни отломки от двете страни на разреза заедно с нараняването.

Различни варианти на ексцизионно възстановяване са широко разпространени в про- и еукариотни организми, включително бозайници. Нарушенията на процесите на ексцизионно възстановяване могат да доведат до драматични последици. И така, при хората е известно наследствено заболяване - пигментна ксеродерма, чиито основни симптоми са повишена чувствителност към слънчева светлина, водеща до развитие на рак на кожата. Установено е, че тези пациенти имат различни дефекти при ексцизионното възстановяване.

Пострепликативен ремонт. Този тип ремонт изисква участието на генни продукти, които също участват в рекомбинационни събития (rec гени) и не се извършва в клетки на rec мутанти; следователно, той също се нарича рекомбинационен ремонт. Рекомбинантното пострепликативно възстановяване се основава на процесите на репликация и рекомбинация на увредена ДНК; това е най-малко специфичното от всички разглеждани видове възстановяване, тъй като му липсва етапът на разпознаване на увреждането. Това е доста бърз метод за възстановяване. местенструктури на ДНК в дъщерни (новосинтезирани) вериги: доказано е, че възстановяването настъпва още в първите минути след облъчването. Характеристика на този процес е запазването на увреждането в оригиналните (майчините) вериги (фиг. 2.5, B).

Наред с бързата има и бавна пострепликативна репарация, която изисква няколко часа. Произвежда се от система от ензими, която липсва в необлъчени клетки и която се индуцира от облъчване. Този механизъм се нарича SOS възстановяване. Неговата изненадваща разлика е значително увеличаване на честотата на мутациите, въпреки факта, че ДНК вече е увредена. Това може да се дължи на използването на повредена ДНК верига като шаблон.

Пострепликативното възстановяване съществува не само в бактериите, но и в еукариотните клетки, включително бозайниците.

Ремонтът е свойството на живата клетка да се бори срещу различни увреждания на ДНК. В околния свят има много фактори, които могат да причинят необратими промени в живия организъм. За да се запази неговата цялост, за да се избегнат патологични и несъвместими с живота мутации, трябва да има система за самовъзстановяване. Как се нарушава целостта на генетичния материал на клетката? Нека разгледаме този въпрос по-подробно. Също така ще разберем какви възстановителни механизми на тялото съществуват и как работят.

Нарушения в ДНК

Молекулата на дезоксирибонуклеиновата киселина може да бъде разбита както по време на биосинтеза, така и под въздействието на вредни вещества. Отрицателните фактори, по-специално, включват температура или физически сили от различен произход. Ако е настъпило разрушаване, клетката започва процеса на възстановяване. Така започва възстановяването на първоначалната структура, за което са отговорни специални ензимни комплекси, намиращи се в клетките. Някои заболявания са свързани с неспособността на отделните клетки да се възстановяват. Науката, която изучава процесите на възстановяване, е биологията. В рамките на дисциплината са проведени много експерименти и експерименти, благодарение на които процесът на възстановяване става по-разбираем. Трябва да се отбележи, че механизмите на възстановяване на ДНК са много интересни, както и историята на откриването и изследването на това явление. Какви фактори допринасят за началото на възстановяването? За да започне процесът е необходимо върху ДНК да се въздейства от стимулатор за възстановяване на тъканите. Какво е това, ще разкажем по-подробно по-долу.

История на откритията

Това невероятно явление започна да изучава американският учен Келнер. Първото значимо откритие по пътя към изследването на ремонта беше такова явление като фотореактивация. С този термин Келнер нарича ефекта от намаляване на вредата от ултравиолетовото лъчение по време на последващото третиране на увредени клетки с ярка радиация във видимия спектър.

"Леко възстановяване"

Впоследствие изследванията на Келнер получават своето логично продължение в работата на американските биолози Сетлоу, Рупърт и някои други. Благодарение на работата на тази група учени беше надеждно установено, че фотореактивацията е процес, който се задейства от специално вещество - ензим, който катализира разграждането на тиминовите димери. Именно те, както се оказа, са се образували в хода на експерименти под въздействието на ултравиолетово лъчение. В същото време ярката видима светлина задейства действието на ензима, което допринася за разграждането на димерите и възстановяването на първоначалното състояние на увредените тъкани. В случая говорим за олекотената версия на възстановяването на ДНК. Нека дефинираме това по-ясно. Можем да кажем, че светлинното възстановяване е възстановяване на оригиналната структура на ДНК след увреждане под въздействието на светлина. Този процес обаче не е единственият, който допринася за отстраняването на щетите.

"Тъмно" възстановяване

Известно време след откриването на светлината беше открита тъмна поправка. Това явление възниква без никакво излагане на светлинни лъчи от видимия спектър. Тази способност за възстановяване е открита по време на изследването на чувствителността на някои бактерии към ултравиолетовите лъчи и тъмното възстановяване на ДНК е способността на клетките да премахват всякакви патогенни промени в дезоксирибонуклеиновата киселина. Но трябва да се каже, че това вече не е фотохимичен процес, за разлика от намаляването на светлината.

Механизъм за поправка на тъмни щети

Наблюденията върху бактериите показват, че известно време след като едноклетъчен организъм получи част от ултравиолетовото лъчение, в резултат на което някои участъци от ДНК са повредени, клетката регулира вътрешните си процеси по определен начин. В резултат на това променената част от ДНК просто се отрязва от общата верига. Получените празнини се запълват отново с необходимия материал от аминокиселини. С други думи, извършва се ресинтез на ДНК участъци. Откриването от учени на такъв феномен като възстановяването на тъмните тъкани е още една стъпка в изследването на невероятните защитни способности на животинското и човешкото тяло.

Как работи системата за възстановяване

Експериментите, които направиха възможно разкриването на механизмите на възстановяване и самото съществуване на тази способност, бяха проведени с помощта на едноклетъчни организми. Но процесите на възстановяване са присъщи на живите клетки на животните и хората. Някои хора страдат. Това заболяване се причинява от липса на способност на клетките да ресинтезират увредена ДНК. Ксеродермата се предава по наследство. От какво се състои репарационната система? Четирите ензима, които поддържат процеса на възстановяване, са ДНК хеликаза, -екзонуклеаза, -полимераза и -лигаза. Първото от тези съединения е в състояние да разпознае увреждане във веригата на молекулата на дезоксирибонуклеиновата киселина. Той не само разпознава, но и срязва веригата на правилното място, за да премахне променения сегмент от молекулата. Самото елиминиране се осъществява с помощта на ДНК екзонуклеаза. След това нов сегмент от молекулата на дезоксирибонуклеиновата киселина се синтезира от аминокиселини, за да замени напълно увредения сегмент. Е, последният акорд на тази най-сложна биологична процедура се извършва с помощта на ензима ДНК лигаза. Той е отговорен за свързването на синтезираното място към увредената молекула. След като и четирите ензима свършат работата си, ДНК молекулата се обновява напълно и всички щети остават в миналото. Ето как механизмите в живата клетка работят в хармония.

Класификация

В момента учените разграничават следните видове репарационни системи. Те се активират в зависимост от различни фактори. Те включват:

Реактивиране.
рекомбинационно възстановяване.
Ремонт на хетеродуплекси.
ремонт на ексцизия.
Повторно събиране на нехомоложни краища на ДНК молекули.

Всички едноклетъчни организми имат поне три ензимни системи. Всеки от тях има способността да извърши процеса на възстановяване. Тези системи включват: директна, ексцизионна и пострепликативна. Прокариотите притежават тези три вида възстановяване на ДНК. Що се отнася до еукариотите, те имат на разположение допълнителни механизми, които се наричат Miss-mathe и Sos-repair. Биологията е проучила подробно всички тези видове самовъзстановяване на генетичния материал на клетките.

Структура на допълнителни механизми

Директното възстановяване е най-малко сложният начин да се отървете от патологичните промени в ДНК. Осъществява се от специални ензими. Благодарение на тях възстановяването на структурата на ДНК молекулата става много бързо. По правило процесът протича на един етап. Един от ензимите, описани по-горе, е О6-метилгуанин-ДНК метилтрансфераза. Системата за ексцизионно възстановяване е вид самовъзстановяваща се дезоксирибонуклеинова киселина, която включва изрязване на променени аминокиселини и след това тяхното заместване с новосинтезирани региони. Този процес вече се извършва на няколко етапа. В хода на пострепликативното възстановяване на ДНК в структурата на тази молекула могат да се образуват празнини с размер на една верига. След това се затварят с участието на протеина RecA. Системата за пострепликативно възстановяване е уникална с това, че няма етап на разпознаване на патогенни промени в нейния процес.

Кой отговаря за механизма за възстановяване

Към днешна дата учените знаят, че такова просто същество като E. coli има най-малко петдесет гена, които са пряко отговорни за възстановяването. Всеки ген изпълнява специфични функции. Те включват: разпознаване, отстраняване, синтез, прикрепване, идентифициране на ефектите от излагане на ултравиолетова радиация и т.н. За съжаление, всички гени, включително тези, отговорни за възстановителните процеси в клетката, претърпяват мутационни промени. Ако това се случи, тогава те предизвикват по-чести мутации във всички клетки на тялото.

Защо увреждането на ДНК е опасно?

Всеки ден ДНК на нашите клетки е изложена на опасност от увреждане и патологични промени. Това се улеснява от фактори на околната среда като хранителни добавки, химикали, температурни промени, магнитни полета, множество стресове, които предизвикват определени процеси в тялото и много други. Ако структурата на ДНК е нарушена, това може да причини тежка мутация на клетката и може да доведе до рак в бъдеще. Ето защо тялото има набор от мерки, предназначени да се справят с такива щети. Дори ако ензимите не успеят да върнат ДНК в първоначалната й форма, системата за възстановяване работи, за да сведе щетите до минимум.

Хомоложна рекомбинация

Нека да разберем какво е то. Рекомбинацията е обмен на генетичен материал в процеса на разрушаване и свързване на молекулите на дезоксирибонуклеиновата киселина. В случай, че се появят прекъсвания в ДНК, започва процесът на хомоложна рекомбинация. В хода му се извършва обмен на фрагменти от две молекули. Благодарение на това оригиналната структура на дезоксирибонуклеиновата киселина е точно възстановена. В някои случаи може да възникне ДНК инфилтрация. Благодарение на процеса на рекомбинация е възможно интегрирането на тези два различни елемента.

Механизмът на възстановяване и здраве на тялото

Репарацията е предпоставка за нормалното функциониране на организма. Ежедневно и ежечасно застрашена от увреждане и мутация на ДНК, многоклетъчната структура се адаптира и оцелява. Това се дължи и на добре изградената репарационна система. Липсата на нормален регенеративен капацитет причинява заболявания, мутации и други аномалии. Те включват различни патологии на развитието, онкологията и дори самото стареене. Наследствените заболявания, дължащи се на нарушения на възстановяването, могат да доведат до тежки злокачествени тумори и други аномалии на тялото. Сега са идентифицирани някои заболявания, причинени от повреда на системите за възстановяване на ДНК. Това са например патологии като ксеродерма, неполипозен рак на дебелото черво, трихотиодистрофия и някои ракови тумори.

Клетките имат различни "ремонтни екипи", които следят за безопасността на информацията, съхранявана в ДНК. Такива клетъчни системи, които възстановяват увреждането на ДНК, се наричат възстановителни системи.

В бактерията Escherichia coli вече са известни повече от 50 гена, които контролират възстановителните процеси. Тези гени кодират ензими, които могат, например, да изрежат повредени участъци от една верига на ДНК. ДНК полимеразата допълва този участък от веригата до нормата, а ДНК лигазите "зашиват" празнината на мястото на вградения участък. Има специални ензими, които възстановяват щетите, причинени от ултравиолетова светлина и т.н.

Ако възникнат мутации в някой ген от възстановителната система, това води до увеличаване на честотата на мутациите. По този начин има гени, мутациите в които увеличават честотата на мутациите в други гени на тялото.

Съществуват и сложни клетъчни механизми, които осигуряват правилното разминаване на хромозомите в гамети. Ако тези механизми се провалят, допълнителна хромозома попада в една гамета и недостигът на хромозома възниква в друга. Такива геномни мутации обикновено водят до ембрионална смърт, вродени малформации или наследствени заболявания.

Всеки ден около 100 000 връзки в ДНК молекулите на всяка клетка на човешкото тяло се увреждат поради различни ендогенни процеси и екзогенни генотоксични ефекти. Увреждането на ДНК може да доведе до мутации, да провокира клетъчна смърт или да послужи като тласък за нейната злокачествена трансформация. За да се предотвратят подобни последствия в клетката, има няколко допълващи се ензимни системи, които поддържат процеси, които заедно се наричат възстановяване на ДНК. Основната цел на всички тези системи е да възстановят ДНК последователността, която е съществувала преди да бъде увредена, или, ако това не е възможно, да минимизират промените. Системите за възстановяване на ДНК гарантират точността на възпроизвеждането и запазването на генетичната информация. Репаративните механизми, които клетката използва, за да поддържа стабилността на информацията, вградена в ДНК, са универсални - функционалната и понякога структурна хомология на елементите, които образуват тези механизми, могат да бъдат проследени от бактериите до хората. Колкото по-сложна е клетката, толкова по-голям е броят на структурните и регулаторните гени и техните продукти, участващи в процесите на възстановяване на ДНК, въпреки че основната схема на даден процес като правило остава непроменена. Репаративните механизми образуват сложна мрежа, изтъкана от функционални връзки или заемки на структурни елементи, която осигурява баланс между стабилността на информацията в ДНК и нейната еволюционна изменчивост. Точността на възпроизвеждането на ДНК и предаването на вложената в нея информация се осигурява от два матрични процеса - ДНК репликация и транскрипция. Въпреки че ДНК полимеразата има коригираща активност, репликацията не е напълно точна и ако възникнат несъответствия, системите за базова корекция коригират грешката.

Ако в ДНК се появят едноверижни и двуверижни разкъсвания, тогава влиза в действие хомоложна рекомбинация, която поради сестрински обмен точно възстановява целостта на ДНК. Въпреки това, рекомбинацията е "тежката артилерия" и е предназначена предимно за променливост. Когато ДНК навлезе в клетката, която е само частично хомоложна на ДНК на клетката, има вероятност тя да се интегрира в генома чрез хомоложна рекомбинация. Точността на този процес се пази от системата за корекция на несъответствие с дълга повторна настройка (LCR), която прекъсва рекомбинацията, ако хомологията на взаимодействащите ДНК молекули е ненужно несъвършена. Освен това, DKNO елиминира повечето натрупвания на рекомбинация на ниво ssDNA, ако те нарушават комплементарността на нуклеотидното сдвояване. По този начин DCNO намалява честотата на рекомбинационните обмени в ДНК. Така системата DKNO защитава стабилността на генома и неговата видова специфичност. Наследствените нарушения на системите за възстановяване на клетките при хората водят до тежки вродени аномалии и/или предразположение към развитие на рак.

Системите за възстановяване се различават една от друга по използваните субстрати, ензими и механизми за елиминиране на повредени връзки. В момента има 6 основни системи за възстановяване - системата за реактивиране и останалите системи за възстановяване, които действат с разграждане и ресинтез на увредената част от ДНК.

В случай на тежко увреждане на ДНК - образуване на двуверижни прекъсвания, обширни едноверижни празнини, кръстосани връзки между веригите - функционира системата за възстановяване на рекомбинацията, при която увредената ДНК се коригира чрез рекомбинация с пълно копие на генетичния материал, ако присъства в клетката. Двуверижните скъсвания могат също да бъдат лигирани по време на обединяването на нехомоложни краища, което обаче води до загуба на част от генетичния материал.

Неканоничните базови двойки и късите хетеродуплекси в ДНК се разпознават от системата за хетеродуплексно възстановяване, която премахва ДНК фрагмент с дължина до няколко стотин деоксинуклеотида, който включва неканоничен елемент и поправя получената празнина.