Репарация повреждений и ошибок репликации днк

Процесс,
позволяющий живым организмам
восстанавливать повреждения, возникающие
в ДНК, называют репарацией. Все
репарационные механизмы основаны на
том, что ДНК — двухцепочечная молекула,
т.е. в клетке есть 2 копии генетической
информации. Если нуклеотидная
последовательность одной из двух цепей
оказывается повреждённой (изменённой),
информацию можно восстановить, так как
вторая (комплементарная) цепь сохранена.

Процесс
репарации происходит в несколько этапов.
На первом этапе выявляется нарушение
комплементарности цепей ДНК. В ходе
второго этапа некомплементарный
нуклеотид или только основание
устраняется, на третьем и четвёртом
этапах идёт восстановление целостности
цепи по принципу комплементарности.
Однако в зависимости от типа повреждения
количество этапов и ферментов, участвующих
в его устранении, может быть разным.

Очень
редко происходят повреждения, затрагивающие
обе цепи ДНК, т.е. нарушения структуры
нуклеотидов комплементарной пары. Такие
повреждения в половых клетках не
репарируются, так как для осуществления
сложной репарации с участием гомологичной
рекомбинации требуется наличие
диплоидного набора хромосом.

А.
Спонтанные повреждения

Нарушения
комплементарности цепей ДНК могут
происходить спонтанно, т.е. без участия
каких-либо повреждающих факторов,
например в результате ошибок репликации,
дезаминирования нуклеотидов, депуринизации.

Ошибки
репликации

Точность
репликации ДНК очень велика, но примерно
один раз на 10⁵-10⁶ нуклеотидных
остатков происходят ошибки спаривания,
и тогда вместо пары нуклеотидов А-Т, G-С
в дочернюю цепь ДНК оказываются
включёнными нуклеотиды, некомплементарные
нуклеотидам матричной цепи. Однако
ДНК-полимеразы δ, ε способны после
присоединения очередного нуклеотида
в растущую цепь ДНК делать шаг назад (в
направлении от 3′- к 5′- концу) и вырезать
последний нуклеотид, если он некомплементарен
нуклеотиду в матричной цепи ДНК. Этот
процесс исправления ошибок спаривания
(или коррекция) иногда не срабатывает,
и тогда в ДНК по окончании репликации
остаются некомплементарные пары, тем
более, что ДНК-полимераза а лишена
корректирующего механизма и «ошибается»
чаще, чем другие полимеразы.

При
неправильном спаривании в первичной
структуре дочерней цепи ДНК необычные
основания не появляются, нарушена только
комплементарность. Система репарации
некомплементарных пар должна происходить
только на дочерней цепи и производить
замену некомплементарных оснований
только в ней. Ферменты, участвующие в
удалении неправильной пары нуклеотидов,
распознают матричную цепь по наличию
метилированных остатков аденина в
последовательностях -GATC-. Пока
основания нуклеотидных остатков в
дочерней цепи неметилированы, ферменты
должны успеть выявить ошибку репликации
и устранить её.

Распознавание
и удаление (первый этап) некомплементарного
нуклеотида происходят при участии
специальных белков mut
S, mut L, mut H.
Каждый из белков выполняет свою
специфическую функцию. Mut S находит
неправильную пару и связывается с этим
фрагментом. Mut Н присоединяется к
метилированному (по аденину) участку
-GATC-, расположенному вблизи некомплементарной
пары. Связующим между mut S и mut Н служит
белок mut L, его присоединение завершает
образование активного фермента.
Формирование комплекса mut S, mut L, mut Н на
участке, содержащем ошибку, способствует
проявлению у белка mut Н эндонуклеазной
активности. Ферментативный комплекс
гидролизует фосфоэфирную связь в
неметилированной цепи .

К
свободным концам цепи присоединяется
экзонуклеаза (второй этап). Отщепляя по
одному нуклеотиду в направлении от 3′-
к 5′- концу дочерней цепи, она устраняет
участок, содержащий некомплементарную
пару. Брешь застраивает ДНК-полимераза
β (третий этап), соединение основного и
вновь синтезированного участков цепи
катализирует фермент ДНК-лигаза
(четвёртый этап). Для успешного
функционирования экзонуклеазы,
ДНК-полимеразы р и ДНК-лигазы необходимо
участие в репарации хеликазы и SSB-белков.

Депуринизация
(апуринизация)

ДНК
каждой клетки человека теряет за сутки
около 5000 пуриновых остатков вследствие
разрыва N-гликозидной связи между пурином
и дезоксирибозой .

Тогда
в молекуле ДНК на месте этих оснований
образуется участок, лишённый азотистых
оснований, названный АП-сайтом (AP-site,
или апуриновый сайт). Термин «АП-сайт»
используют также в тех случаях, когда
из ДНК выпадают пиримидиновые основания
и образуются апиримидиновые сайты (от
англ, apurinic-apyrimidinic
site).

Этот
тип повреждений устраняет
фермент ДНК-инсертаза (от
англ, insert —
вставлять), который может присоединять
к дезоксирибозе основание в соответствии
с правилом комплементарности. В этом
случае нет необходимости разрезать
цепь ДНК, вырезать неправильный нуклеотид
и репарировать разрыв.

Дезаминирование

Реакции
дезаминирования цитозина и превращение
его в урацил , аденина в гипоксантин,
гуанина в ксантин происходят значительно
реже, чем депуринизация, и составляют
10 реакций на один геном в сутки.

Исправление
этого вида спонтанного повреждения
происходит в 5 этапов (рис. 4-24). В репарации
принимает участие ДНК-N-гликозилаза, гидролизующая
связи между аномальным основанием и
дезоксирибозой (первый этап), в результате
образуется АП-сайт, который распознаёт
фермент АП-эндонуклеаза (второй
этап). Как только в цепи ДНК возникает
разрыв, в работу вступает ещё один
фермент — АП-экзонуклеаза, который
отщепляет от цепи дезоксирибозу, лишённую
основания (третий этап). В цепи ДНК
появляется брешь размером в один
нуклеотид. Следующий фермент ДНК-полимераза
b
к З’-концу разорванной цепи присоединяет
нуклеотид по принципу комплементарности
(четвёртый этап). Чтобы соединить два
свободных конца (3′-конец встроенного
нуклеотида и 5′-конец основной цепи),
требуется ещё один фермент — ДНК-лигаза
(пятый этап).

Нерепарируемо
и поэтому опасно дезаминирование
метилированного цитозина. Продукт его
спонтанного дезаминирования — тимин,

Б.
Индуцируемые повреждения

Индуцируемые
повреждения возникают в ДНК в результате
воздействия разнообразных мутагенных
факторов как радиационной, так и
химической природы.

Образование
димеров пиримидиновых оснований

Под
действием УФО двойная связь между С₅ и
С₆ атомами
углерода в составе пиримидиновых
оснований (тимине и цитозине) может
разрываться. Атомы углерода остаются
связанными одной связью. Расстояние
между параллельными плоскостями
оснований полинуклеотидной цепи, в
которых произошёл разрыв., равно примерно
3,4 .
Это расстояние позволяет освободившимся
валентностям между С-С атомами
пиримидиновых оснований, расположенных
последовательно в цепи ДНК, сформировать
циклобутановое кольцо . В зависимости
от того, какие основания соединены в
димер, их называют димерами тимина,
цитозина или тимин-цитозиновыми димерами.

Удаление
пиримидиновых димеров происходит под
действием фотолиазы Фермент
расщепляет вновь образовавшиеся связи
между соседними пиримидиновыми
основаниями и восстанавливает нативную
структуру. В фотолиазе есть участок,
либо сам поглощающий фотоны (в синей
части спектра), либо связывающийся с
кофакторами, адсорбирующими свет. Таким
образом, свет активирует фотолиазу,
которая распознаёт димеры в облучённой
ДНК, присоединяется к ним и разрывает
возникшие между пиримидиновыми кольцами
связи. После этого фермент отделяется
от ДНК.

Повреждения
оснований ДНК химическими мутагенами

Азотистые
основания в ДНК могут подвергаться
разнообразным повреждениям: алкилированию,
окислению, восстановлению или связыванию
основания с формамидными группировками.
Репарация начинается с присоединения
ДНК-N-гликозилазы к повреждённому
основанию. Существует множество
ДНК-М-гликозилаз, специфичных к разным
модифицированным основаниям. Ферменты
гидролитически расщепляют N-гликозидную
связь между изменённым основанием и
дезоксирибозой, это приводит к образованию
АП-сайта в цепи ДНК (первый этап). Репарация
АП-сайта может происходить или только
при участии ДНК-инсертазы, которая
присоединяет к дезоксирибозе основание
в соответствии с правилом комплементарности,
или при участии всего комплекса ферментов,
участвующих в репарации: АП-эндонуклеазы,
АП-экзонуклеазы, ДНК-полимеразы β и
ДНК-лигазы.

В.
Дефекты репарационных систем и
наследственные болезни

Репарация
необходима для сохранения нативной
структуры генетического материала на
протяжении всей жизни организма. Снижение
активности ферментов репарационных
систем приводит к накоплению повреждений
(мутаций) в ДНК.

Причиной
многих наследственных болезней человека
выступает нарушение отдельных этапов
процесса репарации.

Пигментная
ксеродерма

У
больных в системе репарации снижена
активность ферментов, ответственных
за удаление неправильных оснований,
«застройку» бреши и другие функции.
Дефект репарационной системы проявляется
в сверхчувствительности к УФ-свету, что
приводит к появлению красных пятен на
коже, переходящих в незаживающие коросты
и нередко в рак кожи.

Трихотиодистрофия

Заболевание
связано с повышенной фоточувствительностью
ДНК, вызванной снижением активности
фермента, участвующего в удалении
димеров тимина. Симптомы заболевания:
ломкость волос вследствие нехватки
серы в белках волос и их луковиц; часто
умственная д физическая отсталость;
аномалии кожи и зубов.

Соседние файлы в предмете Биохимия

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

  09.02.2016709.57 Кб63бх.pdf

• #
• #

Актуальность: Данная тема является актуальной по причине того, что репарация является свойством живой клетки бороться с различными повреждениями ДНК, чтобы сохранить целостность ДНК. Данная тема затрагивает одну из важных задач современной медицины.

Цель: понять, как нарушается целостность генетического материала клетки и какие существуют восстановительные механизмы ДНК и как они работают.

Задачи:

1. Изучить, что такое репарация.

2. Разобрать, как происходит повреждение ДНК и по каким причинам

3. Выяснить, как работают репарационные механизмы ДНК

Содержание………………………………………………………………….стр.

1. Введение………………………………………………………………….…3

2. Нарушения в ДНК…………………………..…………………………….…4

3. «Световое восстановление»………………………………………….……..5

4. «Темновое восстановление»……………………………………………….6

5. Система репарации………………………………………………….……..7

6. Классификация репарации………………………………………………..8

7. Виды репарации……………………………………………………………9

8. Интересные факты о репарации………………………………….………11

9. Заключение………………………………………………………………..12

10. Список литературы………………………………………………………13

Введение

Репарация (от лат. reparatio — восстановление) — особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённых при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических реагентов. Осуществляется специальными ферментными системами клетки. Ряд наследственных болезней (напр., пигментная ксеродерма) связан с нарушениями систем репарации. В окружающем мире существует множество факторов, способных вызвать необратимые изменения в живом организме. Чтобы сохранить свою целостность, избежать патологических и несовместимых с жизнью мутаций, должна существовать система самостоятельного восстановления.

Нарушения в ДНК

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты может быть разорвана как в ходе биосинтеза, так и под влиянием вредных веществ.

Источники повреждения ДНК:

— Ультрафиолетовое излучение

— Радиация

— Химические вещества

— Ошибки репликации ДНК

— Апуринизация — отщепление азотистых оснований от сахарофосфатного остова

— Дезаминирование — отщепление аминогруппы от азотистого основания

К негативным факторам, в частности, относят температуру или физические силы различного происхождения. Если разрушение произошло, клетка запускает процесс репарации. Так начинается восстановление исходной структуры молекулы ДНК. За репарацию отвечают особые ферментные комплексы, присутствующие внутри клеток. С невозможностью отдельных клеток осуществлять восстановление связаны некоторые заболевания.

«Световое восстановление»

Впоследствии исследования Кельнера получили свое логическое продолжение в работах американских биологов Сетлоу, Руперта и некоторых других. Благодаря труду этой группы ученых было достоверно установлено, что фотореактивация является процессом, который запускается благодаря особому веществу – ферменту, катализирующему расщепление димеров тимина. Именно они, как выяснилось, образовывались в ходе экспериментов под воздействием ультрафиолета. При этом яркий видимый свет запускал действие фермента, который способствовал расщеплению димеров и восстановлению первоначального состояния поврежденных тканей. В данном случае речь идет о световой разновидности восстановления ДНК. Определим это более четко. Можно сказать, что световая репарация – это восстановление под воздействием света первоначальной структуры ДНК после повреждений. Однако данный процесс не является единственным, способствующим устранению повреждений.

«Темновое восстановление»

Спустя некоторое время после открытия световой была обнаружена темновая репарация. Это явление происходит без какого-либо воздействия световых лучей видимого спектра. Данная способность к восстановлению обнаружилась во время исследования чувствительности некоторых бактерий к ультрафиолетовым лучам и ионизирующему излучению. Темновая репарация ДНК – это способность клеток убирать любые патогенные изменения дезоксирибонуклеиновой кислоты. Но следует сказать, что это уже не фотохимический процесс, в отличие от светового восстановления.

Механизм «темнового» устранения повреждений Наблюдения за бактериями показали, что спустя некоторое время после того, как одноклеточный организм получил порцию ультрафиолета, вследствие чего некоторые участки ДНК оказались поврежденными, клетка регулирует свои внутренние процессы определенным образом. В результате измененный кусочек ДНК просто отрезается от общей цепочки. Получившиеся же промежутки заново заполняются необходимым материалом из аминокислот. Иными словами, осуществляется ресинтез участков ДНК. Открытие учеными такого явления, как темновая репарация тканей, – это еще один шаг в изучении удивительных защитных способностей организма животного и человека.

Система репарации

Эксперименты, позволившие выявить механизмы восстановления и само существование этой способности, проводились с помощью одноклеточных организмов. Но процессы репарации присущи живым клеткам животных и человека. Некоторые люди страдают пигментной ксеродермой. Это заболевание вызвано отсутствием способности клеток ресинтезировать поврежденную ДНК. Ксеродерма передается по наследству. Из чего же состоит репарационная система? Четыре фермента, на которых держится процесс репарации – это ДНК-хеликаза, -экзонуклеаза, -полимераза и -лигаза. Первый из этих соединений способен распознавать повреждения в цепи молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. Он не только распознает, но и обрезает цепь в нужном месте, чтобы удалить измененный отрезок молекулы. Само устранение осуществляется с помощью ДНК-экзонуклеазы. Далее происходит синтез нового участка молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты из аминокислот с целью полностью заменить поврежденный отрезок. Ну и финальный аккорд этой сложнейшей биологической процедуры совершается с помощью фермента ДНК-лигазы. Он отвечает за прикрепление синтезированного участка к поврежденной молекуле. После того как все четыре фермента сделали свою работу, молекула ДНК полностью обновлена и все повреждения остаются в прошлом. Вот так слаженно работают механизмы внутри живой клетки.

Классификация репарации

На данный момент ученые выделяют следующие разновидности систем репарации. Они активируются в зависимости от разных факторов. К ним относятся: реактивация, рекомбинационное восстановление, репарация гетеродуплексов, эксцизионная репарация, воссоединение негомологичных концов молекул ДНК. Все одноклеточные организмы обладают как минимум тремя ферментными системами. Каждая из них обладает способностью осуществлять процесс восстановления. К этим системам относят: прямую, эксцизионную и пострепликативную. Этими тремя видами восстановления ДНК обладают прокариоты. Что касается эукариот, то в их распоряжении находятся дополнительные механизмы, которые называются Miss-mathe и Sos-репарация. Биология подробно изучила все эти виды самовосстановления генетического материала клеток.

Виды репарации

1. Прямая репарация — наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором обычно задействованы специфические ферменты, способные быстро (как правило, в одну стадию) устранять соответствующее повреждение, восстанавливая исходную структуру нуклеотидов. Так действует, например, O6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза, которая снимает метильную группу с азотистого основания на один из собственных остатков цистеина.

2. Эксцизионная репарация (англ. excision — вырезание) включает удаление повреждённых азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы. Эксцизионная репарация (excision repair): процесс с участием ферментативной системы, которая удаляет короткую однонитевую последовательность двунитевой ДНК , содержащей ошибочно спаренные или поврежденные основания , и замещает их путем синтеза последовательности, комплементарной оставшейся нити. Эксцизионная репарация является наиболее распространенным способом репарации модифицированных оснований ДНК. Этот тип репарации базируется на распознавании модифицированного основания различными гликозилазами, расщепляющими N-гликозидную связь этого основания с сахарофосфатным остовом молекулы ДНК. При этом существуют гликозилазы, специфически распознающие присутствие в ДНК определенных модифицированных оснований (оксиметилурацила, гипоксантина, 5-метилурацила, 3-метиладенина, 7-метилгуанина и т.д.). Для многих гликозилаз к настоящему времени описан полиморфизм, связанный с заменой одного из нуклеотидов в кодирующей последовательности гена. Для ряда изоформ этих ферментов была установлена ассоциация с повышенным риском возникновения онкологических заболеваний.

3. Пострепликативная репарация Tип репарации, имеющей место в тех случаях, когда процесс эксцизионной репарации недостаточен для полного исправления повреждения: после репликации с образованием ДНК, содержащей поврежденные участки, образуются одноцепочечные бреши, заполняемые в процессе гомологичной рекомбинации при помощи белка. Пострепликативная репарация была открыта в клетках E.Coli, не способных выщеплять тиминовые димеры. Это единственный тип репарации, не имеющий этапа узнавания повреждения.

Интересные факты о репарации

1. Полагают, что от 80 % до 90 % всех раковых заболеваний связаны с отсутствием репарации ДНК[4].

2. Повреждение ДНК под воздействием факторов окружающей среды, а также нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке, происходит с частотой от нескольких сотен до 1000 случаев в каждой клетке, каждый час.

3. По сути ошибки в репарации происходят так же часто как и в репликации, а при некоторых условиях даже чаще.

4. В половых клетках сложная репарация, связанная с гомологичной рекомбинацией не происходит из-за гаплоидности генома этих клеток.

Заключение

Репарация – это обязательное условие нормального функционирования организма. Подвергаясь ежедневно и ежечасно угрозам повреждений и мутаций ДНК, многоклеточная структура приспосабливается и выживает. Это происходит в том числе и за счет налаженной системы репарации. Отсутствие нормальной восстановительной способности вызывает болезни, мутации и другие отклонения. К ним относятся различные патологии развития, онкология и даже само старение. Наследственные болезни вследствие нарушений репарации могут приводить к тяжелым злокачественным опухолям и другим аномалиям организма. Сейчас определены некоторые заболевания, вызываемые именно сбоями систем репарации ДНК. Это такие, например, патологии, как синдром Кокейна, ксеродерма, неполипозный рак толстой кишки, трихотиодистрофия и некоторые раковые опухоли.

Список литературы

1. Кирпичев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология М. AKADEMA. 2005г.

2. С.Коничев, Г.А.Севастьянова Молекулярная биология. — Москва: Академия, 2003г.

3. С.Г. Инге-Вечтомов. Генетика с основами селекции. — Москва: Высшая школа, 1989г.

4. Кирилл Стасевич Как клетка чинит свою ДНК. Наука и жизнь. — 2015г.

5. Б. Льюин. Гены 1987г.

Источники повреждения ДНК

ДНК постоянно подвергается воздействию физических, химических или биологических агентов, которые могут вызывать мутации и изменять генетическую информацию человека. Модификации ДНК могут быть вызваны эндогенными молекулами или механизмами клеточного метаболизма, ошибками в процессе репликации ДНК, некоторыми вирусными инфекциями и даже факторами окружающей среды, такими как ультрафиолетовый свет, химические агенты или ионизирующее излучение. Эти факторы мешают таким процессам, как транскрипция и репликация, и даже могут вызывать неконтролируемое деление клеток. 

Генетическая изменчивость также необходима для того, чтобы виды могли приспосабливаться к изменяющимся условиям; однако определенная генетическая информация имеет решающее значение, и ее модификация несовместима с выживанием организма.

Роль репарации

Чтобы максимально точно сохранить генетическую информацию, организм имеет сложные механизмы репарации ДНК. В большинстве случаев изменения ДНК не проявляются фенотипическими изменениями и не оказывают неблагоприятного воздействия на организм, но некоторые мутации могут стать фатальными, но их можно избежать как раз с помощью механизмов репарации, включающих сложные ферментативные системы, стремящиеся исправить мутации. 

Некоторые болезни человека, известные как синдромы нестабильности хромосом и некоторые виды рака связаны со сбоями в системах репарации ДНК.

Повреждения ДНК могут возникать спонтанно или могут быть вызваны воздействием мутагенных агентов. Дезаминирование, депуринизация и окислительное повреждение азотистых оснований — вот некоторые из повреждений, которые спонтанно возникают в ДНК. 

Типы репарации

Чтобы свести к минимуму повреждение генетического материала, в организме есть различные системы восстановления, которые активируются в зависимости от типа повреждения, нанесенного геному. 

Эти механизмы репарации можно разделить на четыре категории: прямая репарация, эксцизионная репарация, репарация несоответствия (ошибочное восстановление) и репарация двухцепочечных разрывов.

• Прямая репарация. 

Она включает в себя системы, которые непосредственно устраняют повреждение ДНК сразу после его возникновения. Этот тип восстановления не очень распространен, так как есть некоторые необратимые повреждения ДНК. Фотореактивация — это механизм, с помощью которого прокариотические организмы с помощью фермента фотолиазы распознают пиримидиновые димеры, продуцируемые УФ-светом. Этот фермент связывается с димером тимина и использует световую энергию для разрыва ковалентных связей между пиримидинами, заставляя их повторно дополняться антипараллельной цепью. Другим типом ферментов, участвующих в этой системе репарации, являются алкилтрансферазы, ферменты, которые удаляют алкильные группы гуанина и восстанавливают исходную структуру без необходимости изменения скелета ДНК.

• Эксцизионная репарация.

Базовая система эксцизионной репарации удаляет из генома поврежденные основания, образующиеся в результате алкилирования, ионизирующего излучения, окисления и дезаминирования. В эту систему вовлечены ферменты, называемые ДНК-гликозилазами, по меньшей мере восемь различных типов которых специфичны для каждого поражения. Восстановление осуществляется путем гидролиза гликозидной связи между азотистым основанием и сахаром, что приводит к удалению поврежденного основания. 

• Система восстановления несоответствия. 

Она основана на репарации несовпадающих оснований и коррекции петель, возникающих в цепи ДНК в результате проскальзывания полимеразы при репликации. Наиболее классическим примером этой системы репарации является система, используемая E. coli , в которой участвуют три белка: MutS, MutL и MutH. Белок MutS распознает несовпадающие основания и связывается с ними; MutL позволит сформироваться восстановительному комплексу и, в свою очередь, активирует MutH с эндонуклеазной активностью; Кроме того, это приведет к разрыву цепи, в которой расположено неправильно спаренное основание, а MutH обладает способностью различать цепь, которая должна быть восстановлена, с помощью явления гемиметилирования. 

• Репарация двухцепочечных разрывов. 

Это точная система восстановления, которая действует во время фазы S клеточного цикла. В процессе репликации эта система индуцируется необходимостью иметь правильную копию ДНК, которая служит шаблоном для восстановления утраченной информации в поврежденной цепи. 

• SOS-система.

Она реагирует на накопление одноцепочечной ДНК при блокировке процесса репликации. Он состоит из более чем 40 генов, которые активируются белком RecA ( рекомбинантный белок A ) у прокариот.