Untuk mempertahankan ciri-ciri utama suatu sel atau organisme sepanjang hidupnya, serta dalam beberapa generasi, material yang diturunkan harus tahan terhadap pengaruh luar atau harus ada mekanisme untuk mengoreksi perubahan yang terjadi di dalamnya. Kedua faktor tersebut digunakan pada satwa liar. Faktor ketiga adalah akurasi penyalinan urutan nukleotida DNA ibu selama replikasi.

Angka: 3. 13. Protein terlibat dalam proses replikasi DNA

DNA helikase melepaskan heliks ganda DNA, memisahkan rantai polinukleotida; protein yang tidak stabil meluruskan sebagian rantai DNA; DNA topoisomerase memutus ikatan fosfodiester di salah satu rantai polikarbonat DNA, menghilangkan tekanan yang disebabkan oleh pelepasan heliks dan divergensi rantai di garpu replikasi; RNA primase mensintesis primer RNA untuk untai anak dan untuk setiap fragmen Okazaki; DNA polimerase melakukan sintesis terus menerus dari untai utama dan sintesis fragmen Okazaki dari untai tertinggal; DNA ligase mengikat fragmen Okazaki setelah melepaskan primer RNA

Dalam hal reaktivitas, molekul DNA diklasifikasikan sebagai zat inert kimiawi. Diketahui bahwa peran zat keturunan tidak hanya dapat dimainkan oleh DNA, tetapi juga oleh RNA (beberapa virus). Dipercaya bahwa pilihan yang mendukung DNA adalah karena reaktivitasnya yang lebih rendah dibandingkan dengan RNA.

Mekanisme replikasi yang dipertimbangkan di atas dibedakan oleh ketepatan yang sangat tinggi dalam mereproduksi struktur DNA. Dengan penggandaan DNA, rata-rata terjadi kesalahan dengan frekuensi 1 · 10 -6 pasangan basa komplementer.

Dalam menjaga akurasi replikasi yang tinggi, peran penting terutama dimiliki oleh enzim DNA polimerase. Enzim ini memilih nukleotida yang diperlukan dari nukleosida trifosfat (ATP, TTF, GTP, CTP) yang ada dalam sari inti, keterikatannya yang tepat pada untai DNA cetakan dan dimasukkannya ke dalam untai anak yang sedang tumbuh (lihat Gambar 3.10). Frekuensi masuknya nukleotida yang salah pada tahap ini adalah 1 · 10 -5 pasangan basa.

Kesalahan seperti itu dalam kerja DNA polimerase dikaitkan dengan munculnya bentuk basa nitrogen yang berubah, yang membentuk pasangan "ilegal" dengan basa rantai induk. Misalnya, bentuk sitosin yang diubah, bukan guanin, adalah ikatan hidrogen dengan adenin. Akibatnya, nukleotida yang salah dimasukkan dalam untai DNA yang sedang tumbuh. Transisi cepat dari bentuk yang berubah dari basa seperti yang biasa mengganggu pengikatannya ke cetakan, dan ujung 3 "OH yang tidak berpasangan dari rantai DNA yang sedang tumbuh muncul. Dalam situasi ini, mekanisme koreksi diridilakukan oleh DNA polimerase (atau endonuklease pengedit enzim yang terkait erat). Koreksi diri terdiri dari pembelahan nukleotida yang secara keliru dimasukkan dalam untai DNA yang tidak berpasangan dengan matriks (Gbr. 3.14). Koreksi diri menghasilkan pengurangan 10 kali lipat dalam tingkat kesalahan (dari 10 -5 menjadi 10 -6).

Terlepas dari efektivitas koreksi diri, selama replikasi, setelah duplikasi DNA, kesalahan terdeteksi di dalamnya. Ini terutama sering diamati ketika konsentrasi empat nukleosida trifosfat di substrat sekitarnya terganggu. Sebagian besar perubahan juga terjadi pada molekul DNA sebagai akibat dari proses yang terjadi secara spontan yang terkait dengan hilangnya basa purin - adenin dan guanin (apurinisasi) - atau deaminasi sitosin, yang diubah menjadi urasil. Frekuensi perubahan terakhir mencapai 100 per genom / hari.

Basa yang terkandung dalam DNA dapat diubah oleh senyawa reaktif yang mengganggu pasangan normalnya, serta oleh radiasi ultraviolet, yang dapat menyebabkan pembentukan ikatan kovalen antara dua residu timin yang berdekatan dalam DNA (dimer timin). Perubahan ini pada siklus replikasi berikutnya harus menyebabkan hilangnya pasangan basa pada DNA anak, atau penggantian beberapa pasangan oleh yang lain. Perubahan ini memang menyertai setiap siklus replikasi DNA, tetapi frekuensinya jauh lebih rendah dari yang seharusnya. Ini disebabkan oleh fakta bahwa sebagian besar perubahan semacam ini dihilangkan karena aksi mekanisme reparasi (pemulihan molekuler) dari urutan nukleotida DNA asli.

Mekanisme perbaikan didasarkan pada adanya dua untai komplementer dalam molekul DNA. Distorsi urutan nukleotida di salah satunya dideteksi oleh enzim tertentu. Kemudian daerah yang sesuai dihilangkan dan diganti dengan yang baru yang disintesis pada untai DNA komplementer kedua. Reparasi ini disebut eksisi, itu. dengan "pemotongan" (Gbr. 3.15). Ini dilakukan sebelum siklus replikasi berikutnya, oleh karena itu disebut juga prereplikatif.

Angka: 3.14. Diagram proses koreksi untuk sintesis DNA:

saya-termasuk ke dalam rantai DNA nukleotida dengan bentuk sitoein yang diubah (tautomerik), yang berpasangan secara “ilegal” dengan adenin; II- transisi cepat sitosin ke bentuk normalnya mengganggu pemasangannya dengan adenin; ujung 3'-OH yang tidak berpasangan dari rantai yang disintesis mencegah pemanjangan lebih lanjut oleh DNA polimerase; AKU AKU AKU -DNA polimerase menghilangkan nukleotida ilegal, sehingga muncul kembali berpasangan dengan templat 3 "- OH-akhir; IV - DNA polimerase terus membangun rantai pada ujung 3 "-OH

Mengembalikan struktur DNA asli membutuhkan partisipasi sejumlah enzim. Poin penting dalam memulai mekanisme perbaikan adalah deteksi kesalahan dalam struktur DNA. Seringkali kesalahan seperti itu terjadi dalam rantai yang baru disintesis selama replikasi. Enzim perbaikan harus mendeteksi rantai ini. Pada banyak spesies organisme hidup, untai DNA yang baru disintesis berbeda dari tingkat metilasi basa nitrogen maternal, yang tertinggal di belakang sintesis. Dalam hal ini, rantai yang tidak termetilasi diperbaiki. Putusnya rantai DNA juga dapat berfungsi sebagai objek pengenalan oleh enzim perbaikan. Pada organisme tingkat tinggi, di mana sintesis DNA tidak terjadi terus menerus, tetapi oleh replikasi individu, untai DNA yang baru disintesis telah putus, yang memungkinkannya untuk mengenalinya.

Memulihkan struktur DNA dengan hilangnya basa purin di salah satu rantainya melibatkan pendeteksian cacat menggunakan enzim endonuklease, yang memutus ikatan fosforester di lokasi kerusakan rantai. Kemudian daerah yang berubah dengan beberapa nukleotida yang berdekatan dihilangkan oleh enzim eksonuklease, dan sebagai gantinya, sesuai dengan urutan basa untai komplementer, urutan nukleotida yang benar terbentuk (Gbr. 3.15).

Angka: 3.15. Skema perbaikan DNA eksisi, pra-replikatif

Ketika salah satu basa dalam rantai DNA diubah, sekitar 20 enzim DNA glikosilase terlibat dalam pemulihan struktur aslinya. Mereka secara khusus mengenali kerusakan yang disebabkan oleh deaminasi, alkilasi, dan transformasi struktural basa lainnya. Basis yang dimodifikasi seperti itu dihilangkan. Area tanpa basa muncul, yang diperbaiki, seperti hilangnya purin. Jika pemulihan struktur normal tidak dilakukan, misalnya, dalam kasus deaminasi basa nitrogen, beberapa pasang basa pelengkap diganti dengan yang lain - pasangan C-G dapat diganti dengan pasangan T-A, dll. (lihat bagian 3.4.2.3).

Pembentukan dimer timin (T-T) dalam rantai polinukleotida di bawah pengaruh sinar UV memerlukan partisipasi enzim yang tidak mengenali basa yang diubah secara individu, tetapi kerusakan yang lebih luas pada struktur DNA. Proses reparatif dalam hal ini juga terkait dengan penghilangan daerah yang membawa dimer dan pemulihan urutan nukleotida normal dengan sintesis pada untai DNA komplementer.

Dalam kasus ketika sistem perbaikan eksisi tidak memperbaiki perubahan yang muncul dalam satu untai DNA, selama replikasi, perubahan ini diperbaiki dan itu menjadi milik kedua untai DNA. Hal ini menyebabkan penggantian satu pasang nukleotida komplementer dengan yang lain, atau munculnya patahan (celah) pada untai yang baru disintesis terhadap daerah yang diubah. Pemulihan struktur DNA normal dalam hal ini juga dapat terjadi setelah replikasi.

Perbaikan pasca-replikasi dilakukan dengan rekombinasi (pertukaran fragmen) antara dua heliks DNA ganda yang baru terbentuk. Contoh perbaikan pasca-replikatif tersebut adalah pemulihan struktur DNA normal setelah munculnya dimer timin (T-T), ketika tidak dihilangkan secara spontan di bawah aksi cahaya tampak ( perbaikan ringan) atau selama perbaikan eksisi pra-replikatif.

Ikatan kovalen yang muncul antara residu timin yang berdekatan membuatnya tidak mampu mengikat nukleotida komplementer. Akibatnya, kerusakan (celah) muncul pada untai DNA yang baru disintesis, yang dikenali oleh enzim perbaikan. Pemulihan integritas rantai polinukleotida baru dari salah satu DNA anak dilakukan melalui rekombinasi dengan rantai ibu normal yang sesuai dari DNA anak perempuan lainnya. Celah yang terbentuk pada rantai ibu kemudian diisi oleh sintesis pada rantai polinukleotida yang melengkapi rantai tersebut (Gbr. 3.16). Pertukaran material yang sering diamati antara kromatid sister dapat dianggap sebagai manifestasi dari perbaikan pasca-replikatif, yang dilakukan dengan rekombinasi antara rantai dua molekul DNA anak (Gbr. 3.17).

Angka: 3.16. Skema perbaikan DNA pasca-replikatif:

saya- penampilan dimer timin di salah satu untai DNA;

II - pembentukan "celah" dalam rantai yang baru disintesis terhadap bagian molekul induk yang diubah setelah replikasi (tanda panah menunjukkan pengisian "celah" selanjutnya dengan bagian dari rantai yang sesuai dari molekul DNA anak kedua);

AKU AKU AKU - pemulihan integritas rantai anak dari molekul atas karena rekombinasi dan di molekul bawah karena sintesis pada rantai komplementer

Angka: 3.17. Pertukaran interchromatid (ditunjukkan dengan panah)

Selama perbaikan pra-replikatif dan pasca-replikasi, sebagian besar kerusakan pada struktur DNA dipulihkan. Namun, jika terlalu banyak kerusakan terjadi pada bahan keturunan sel dan beberapa di antaranya tidak dihilangkan, sistem enzim perbaikan yang diinduksi (terstimulasi) (sistem SOS) diaktifkan. Enzim-enzim ini mengisi celah tersebut, memulihkan integritas rantai polinukleotida yang disintesis tanpa secara ketat mengikuti prinsip saling melengkapi. Itulah mengapa terkadang proses perbaikan itu sendiri dapat menjadi sumber perubahan permanen pada struktur DNA (mutasi). Reaksi bernama juga mengacu pada sistem SOS.

Jika jumlah kerusakan pada struktur DNA tetap tinggi di dalam sel, meskipun sudah dilakukan perbaikan, proses replikasi DNA terhalang di dalamnya. Sel seperti itu tidak membelah, yang berarti ia tidak mentransmisikan perubahan yang muncul pada keturunannya.

Penangkapan siklus sel yang disebabkan oleh kerusakan DNA, dikombinasikan dengan ketidakmungkinan perbaikan molekuler dari bahan keturunan yang diubah, dengan partisipasi protein yang sintesisnya dikendalikan oleh gen p53, dapat menyebabkan aktivasi proses penghancuran diri. (apotosis) dari sel yang rusak untuk menghilangkannya dari tubuh.

Dengan demikian, sejumlah besar enzim perbaikan yang berbeda melakukan "pemeriksaan" DNA secara terus-menerus, menghilangkan area yang rusak darinya dan membantu menjaga stabilitas materi keturunan. Aksi gabungan enzim replikasi (DNA polimerase dan pengeditan endonuklease) dan enzim perbaikan memberikan tingkat kesalahan yang cukup rendah dalam molekul DNA, yang dipertahankan pada tingkat 1 · 10-9 pasang nukleotida yang diubah per genom. Dengan ukuran genom manusia 3 · 10 9 pasang nukleotida, ini berarti munculnya sekitar 3 kesalahan per genom yang bereplikasi. Pada saat yang sama, tingkat inipun cukup untuk pembentukan keragaman genetik yang signifikan dalam bentuk mutasi gen selama keberadaan kehidupan di Bumi.

PERBAIKAN DNA

Sistem perbaikan

2 Perbaikan eksisi. Contoh dan tipe

3 Perbaikan kesalahan replikasi DNA

4 Perbaikan rekombinan (pasca-replikatif) pada bakteri

5 Perbaikan SOS

Sistem perbaikan DNA cukup konservatif dalam evolusi dari bakteri ke manusia dan paling banyak dipelajari pada E. coli.

Dua jenis perbaikan diketahui:lurus dan eksisi

Perbaikan langsung

Perbaikan langsung adalah cara paling sederhana untuk memperbaiki kerusakan pada DNA, yang biasanya melibatkan enzim spesifik yang dapat dengan cepat (biasanya dalam satu tahap) memperbaiki kerusakan yang sesuai, memulihkan struktur asli nukleotida.

1. Ini adalah bagaimana, misalnya,O6-methylguanine-DNA-methyltransferase

(Enzimnya bunuh diri), yang menghilangkan gugus metil dari basa nitrogen ke salah satu residu sisteinnya sendiri

E. coli dapat mensintesis hingga 100 molekul protein ini dalam 1 menit. Protein dari eukariota yang lebih tinggi, serupa fungsinya, tampaknya memainkan peran penting dalam perlindungan terhadap kanker yang disebabkan oleh faktor alkilasi internal dan eksternal.

Penyisipan DNA

2. Sisipan DNA

photolyase

3. Dimer timin "dibordir" oleh reparazzi langsung dengan partisipasifotolyasismelakukan konversi fotokimia yang sesuai. Photolyases DNA adalah sekelompok enzim yang mengaktifkan cahaya dengan panjang gelombang 300-600 nm (wilayah tampak), yang strukturnya memiliki pusat peka cahaya khusus.

Mereka tersebar luas di alam dan ditemukan pada bakteri, ragi, serangga, reptil, amfibi, dan manusia. Enzim ini memerlukan berbagai kofaktor (FADH, asam tetrahidrofolat, dll.) Yang terlibat dalam aktivasi fotokimia enzim. E. coli photolyase adalah protein 35 kDa yang terikat erat oligoribonukleotida 10-15 nukleotidadiperlukan untuk aktivitas enzim.

Contoh perbaikan langsung

1. Basa termetilasiO 6- mG dimetilasi oleh enzim metiltransferaseO6-methylguanine-DNA-methyltransferase (enzim bunuh diri) yang mentransfer gugus metil ke salah satu residunya

sistein

2. Situs AP dapat diperbaiki dengan penyisipan langsung purin dengan partisipasi enzim yang disebutSisipan DNA (dari sisipan bahasa Inggris - sisipkan).

SKEMA CONTOH PERBAIKAN LANGSUNG DARI KERUSAKAN DNA - basa termetilasi HAI6- mG itu dihilangkan oleh enzim methyltransferase, yang mentransfer gugus metil ke salah satu residu asam amino sisteinnya.

3. Photolyase menempel pada dimer timin dan setelah penyinaran kompleks ini dengan cahaya tampak (300-600 nm), dimer diperluas

SKEMA CONTOH PERBAIKAN LANGSUNG DARI KERUSAKAN DNA - POTOLYASIS

mengikat dimer timin dan, setelah iradiasi dengan spektrum cahaya yang terlihat, dimer ini diperluas

Perbaikan eksisi

(dari eksisi - pemotongan bahasa Inggris).

DEFINISI

Perbaikan eksisi meliputi penghapusan basa nitrogen yang rusak dari DNA dan pemulihan selanjutnya struktur normal molekul.

MEKANISME

Beberapa enzim biasanya terlibat dalam perbaikan eksisi, dan proses itu sendiri mempengaruhi

tidak hanya rusak ,

tetapi juga nukleotida yang berdekatan .

PERSYARATAN

Perbaikan eksisi membutuhkan untai DNA kedua (komplementer). Diagram umum perbaikan eksisi yang disederhanakan ditunjukkan pada Gambar. 171.

LANGKAH

Langkah pertama dalam perbaikan eksisi adalah eksisi basa nitrogen yang abnormal. Ini dikatalisasi oleh kelompokDNA-N-glikosilase - enzim yang memecah ikatan glikosidik antara deoksiribosa dan basa nitrogen.

CATATAN PENTING:

MemilikimanusiaDNA-N-glikosilase memiliki spesifisitas substrat yang tinggi: enzim yang berbeda dari famili ini dikenali dan dipotong berbagai alasan abnormal (8-oxoguanine, uracil, methylpurines, dll.).

MemilikibakteriDNA-N-glikosilasetidak memiliki kekhususan substrat seperti itu

ENZIM PERBAIKAN LUCU UMUM

LANGKAH-LANGKAH BERURUTAN KHUSUS DARI MEKANISME INI:

Sebagai hasil dari aksinya DNA- N-glikosilase situs AP terbentuk, yang diserang oleh enzim Tolong endonuk AP... Ini memecah tulang punggung gula-fosfat dari molekul DNA di situs AP dan dengan demikian menciptakan kondisi untuk enzim berikutnya bekerja - exonuclease, yang secara berurutan membelah beberapa nukleotida dari daerah rusak pada satu untai DNA.

Dalam sel bakteri ruang kosong diisi dengan nukleotida yang sesuai dengan partisipasi DNA polimerase Iberfokus pada untai DNA kedua (komplementer).

Karena DNA polimerase I mampu memperpanjang ujung 3 "dari salah satu untai pada putusnya DNA beruntai ganda dan menghilangkan nukleotida dari ujung 5" pada putus yang sama,

itu. menyadari "Nick-broadcast" , enzim ini memainkan peran kunci dalam perbaikan DNA. Jahitan terakhir dari area yang diperbaiki dilakukan DNA ligase.

Dalam sel eukariotik (mamalia)

Perbaikan DNA eksisi dalam sel mamalia disertai dengan lonjakan tajam aktivitas enzim lain -poli ADPolimerase P-ribosa ... Saat ini terjadi Ribosilasi ADP protein kromatin (histon dan protein non-histon), yang menyebabkan melemahnya koneksi mereka dengan DNA dan membuka akses untuk memperbaiki enzim.

Penyumbang ADP-ribosa dalam reaksi ini munculNAD +, cadangan yang sangat habis selama perbaikan eksisi kerusakan yang disebabkan oleh iradiasi sinar-X:

Residu bermuatan negatif ADP-ribosa dari komposisi internal molekul NAD + bergabung melalui radikalglutamatasam atau fosfoserin menjadi protein kromatin, yang mengarah pada netralisasi muatan positif protein ini dan melemahnya kontaknya dengan DNA.

APA ITU GRUP ENZIM

DNA glikosilase

memotong ikatan glikosidik antara deoksiribosa dan basa nitrogen

menyebabkan eksisi basa nitrogen abnormal

DNA glikosilase terlibat dalam penghapusan kerusakan oksidatif pada DNA dalam sel prokariota dan eukariota, sangat beragam dan berbeda dalam kekhususan substrat, struktur spasial dan cara interaksi dengan DNA.

Glikosilase DNA yang paling banyak dipelajari meliputi:

endonuklease III (EndoIII),

bentuk amido pirimidin-DNA-glikosilase (Fpg),

Mut T dan

Mut Y colibacillus.

Endonuklease III E. coli "mengenali" dan secara khusus memisahkan diri dari DNA teroksidasi basa pirimidin.

Enzim ini terdiri dari protein globular monomerik 211 asam amino residu (berat molekul 23,4 kDa). Gen penyandi Endo III telah diurutkan dan urutan nukleotida telah ditetapkan. Endo III adalah protein besi belerang [(4 Fe -4 S ) 2 + -protein], yang memiliki elemen struktur supra-sekunder ketik "kunci Yunani" (spiral - jepit rambut - spiral), berfungsi untuk mengikat DNA... Enzim dengan kekhususan substrat yang sama dan urutan asam amino yang sama juga diisolasi banteng dan sel manusia.

Bentuk amido pyridine-DNA glycosylase E. coli "mengenali" dan membelah heterosiklik yang teroksidasi basa purin .

SKEMA PERBAIKAN LUKISAN TAHAP 1

DNAN

SKEMA PERBAIKAN LUKISAN

1 DNAN glikosidase menghilangkan basa yang rusak

Endonuklease AR merusak DNA

2 Eksonuklease menghilangkan sejumlah nukleotida

3 DNA polimerase mengisi area kosong dengan komplementer

Mononukleotida

DNA ligase menghubungkan untai DNA yang diperbaiki

Mut T - protein kecil dengan berat molekul 15 kDa dengan aktivitas nukleosida trifosfatase, yang utamanya menghidrolisis dGTP menjadi dGMP dan pirofosfat.

Peran biologis Mut T adalah untuk mencegah pembentukan pasangan non-kanonik selama replikasiJ: G dan J: 8-oxo-G.

Pasangan seperti itu bisa muncul kapan bentuk teroksidasi

dGTP (8-oxo-dGTP) menjadi substratDNA polimerase.

Mut T menghidrolisis 8-oxo-dGTP 10 kali lebih cepat dari dGTP.

Memang 8-oxo-dGTP media yang paling disukaiMutT dan menjelaskan peran fungsionalnya.

Mut Y adalah glikosilase DNA-adenin spesifik yang memotong ikatan N-glikosidik antara adenin dan deoksiribosa. adenosin, membentuk pasangan non-kanonik dengan guanine.

Peran fungsional enzim ini adalah mencegah mutasi

T: A - G: A oleh memisahkan residu utuh adenindari pasangan basa A: 8-oxo-G.

Perbaikan eksisi nukleotida

(Mekanisme yang bergantung pada ATP untuk menghilangkan kerusakan dari DNA)

Baru-baru ini, dalam perbaikan eksisi, perhatian khusus telah diberikan pada mekanisme yang bergantung pada ATP untuk menghilangkan lesi dari DNA. Perbaikan eksisi jenis ini disebut perbaikan eksisi nukleotida (NER).

Ini mencakup DUA LANGKAH :

1. penghapusan DNAfragmen oligonukleotida mengandung kerusakan, dan

Exynuclease

2. rekonstruksi rantai DNA selanjutnya dengan partisipasi kompleks enzim (nuklease, DNA polimerase, DNA ligase, dll.).

Penghapusan fragmen DNA terjadi di kedua sisi yang rusak nukleotida. Panjang fragmen oligonukleotida yang dihilangkan berbeda antara prokariota dan eukariota.

Penghapusan fragmen DNA pada prokariota

Jadi, dalam E. coli, B. subtilus, Micrococcus luteus, satu fragmen panjang 12-13 nukleotida,

Penghapusan fragmen DNA pada eukariota

dan pada ragi, amfibi dan manusia - sebuah fragmen yang terdiri dari 24-32 nukleotida.

Exynuclease- enzim yang menghilangkan fragmen DNA

Fragmen DNA dibelah oleh enzimexynuclease(mohon maaf). Pada E. coli, enzim ini terdiri dari 3 protomer berbeda -

uvrA

uvr B

uvr C

yang masing-masing menjalankan fungsi tertentu selama pembelahan eksisi dari suatu fragmen DNA. Nama protein ini diberikan oleh huruf pertama dari kata-kata tersebut"perbaikan ultra violet".

Uvr A protometer memiliki aktivitas ATPase, mengikat DNA dalam bentuk dimer, melaksanakan

pengenalan awal kerusakan dan

mengikatuvr B

Protometer Uvr B. memiliki:

satu . Terpendam ATP-ase dan aktivitas helikase laten diperlukan untuk perubahan konformasi dan pelepasan heliks ganda DNA;

2. Endonuklease aktivitas, membelah ikatan internukleotida (fosfodiester) dari sampingZ "-selesai fragmen yang bisa dibelah.

Protomer Uvr C.bertindak seperti tolong endonukmematahkan untai DNA yang diperbaiki dengan5 "-selesai potong fragmen.

Jadi, protomeruvr A, uvr B, uvr C berinteraksi dengan DNA dalam urutan tertentu, melakukan reaksi yang bergantung pada ATPpembelahan fragmen oligonukleotida dari untai DNA yang diperbaiki.

Celah yang dihasilkan dalam molekul DNA dipulihkan dengan partisipasi DNA polimerase I dan DNA ligase. Model perbaikan eksisi dengan partisipasi enzim di atas ditunjukkan pada Gambar. 172.

Perbaikan eksisi pada manusia

Perbaikan eksisi pada manusia juga bergantung pada ATP dan termasuktiga tahap utama :

pengakuan kerusakan,

memotong ganda untai DNA,

sintesis reduktif dan

ligasi rantai yang diperbaiki.

Namun, perbaikan eksisi DNA manusia melibatkan

25 polipeptida berbeda ,

16 di mana mereka berpartisipasi dalam pembelahan fragmen oligonukleotida, menjadi protomerexinuclease,

dan sisanya 9 sintesis wilayah molekul yang diperbaiki dilakukan.

Dalam sistem perbaikan DNA pada manusia, protein transkripsi memainkan peran yang sangat penting -

RNA polimerase II dan

TF mon - salah satu dari enam faktor transkripsi utama eukariota.

Perlu dicatat bahwa perbaikan eksisi pada prokariota, seperti pada eukariota, bergantung pada keadaan fungsional DNA:

dNA yang ditranskripsi diperbaiki lebih cepat,

daripada transkripsi tidak aktif.

Fenomena ini dijelaskan oleh faktor-faktor berikut:

struktur kromatin,

homologi rantai daerah DNA yang ditranskripsi,

efek kerusakan rantai dan efeknya pada RNA polimerase.

CATATAN PENTING:

DNA CODING CHAIN \u200b\u200b(rantai penyimpanan informasi)

RANTAI MATRIKS DNA (informasi disalin darinya)

Diketahui bahwa cedera besar seperti pembentukan dimer timinmemblokir transkripsi pada bakteri dan manusia, jika terjadi pada rantai matriks DNA (kerusakan pada pengkodean rantai tidak mempengaruhi di kompleks transkripsi). RNA polimerase berhenti di lokasi kerusakan DNA dan menghalangi kerja kompleks transkripsi.

Faktor kopling perbaikan transkripsi (TRCF) .

Pada E. coli, peningkatan perbaikan selama transkripsi dimediasi oleh satu protein khusus -faktor hubungan transkripsi (TRCF) .

Protein inilah yang berkontribusi :

1. memutuskan RNA polimerase dari DNA

2. secara bersamaan merangsang pembentukan kompleks protein,

Melakukan perbaikan area yang rusak.

Pada akhir perbaikan, RNA polimerase kembali ke tempatnya dan transkripsi berlanjut (lihat Gambar.).

Jadi, skema umum perbaikan eksisi

1. DNA-N -glikosilase menghilangkan dasar yang rusak

2. Endonuklease AP memutuskan rantai DNA

3. Eksonuklease menghilangkan sejumlah nukleotida

4. DNA polimerase mengisi area yang dikosongkan

Nukleotida komplementer

5. DNA ligase menghubungkan untai DNA yang diperbaiki

Perbaikan kesalahan replikasi DNA

dengan metilasi

Kesalahan dalam pemasangan basa nitrogen selama replikasi DNA cukup sering terjadi (pada bakteri, sekali per 10 ribu nukleotida), sebagai akibatnyamenjadi untai putri DNA nukleotida yang tidak melengkapi nukleotida rantai induk termasuk -ketidakcocokan (Bahasa Inggris mismatch n e pertandingan).

Terlepas dari kenyataan ituDNA polimerase I prokariota memiliki kemampuan untuk mengoreksi diri, upayanya untuk menghilangkan nukleotida yang terikat secara keliru terkadang tidak cukup, dan kemudian beberapa pasangan yang salah (non-komplementer) tetap ada di DNA.

Dalam hal ini, perbaikan terjadi menggunakan sistem tertentu yang terkait denganmetilasi DNA ... Tindakan sistem perbaikan ini didasarkan pada fakta bahwa setelah replikasi, setelah waktu tertentu (beberapa menit), DNA mengalami metilasi.

E. coli dimetilasi terutama adenin dengan pendidikan

N6-metil-adenin (N6-mA).

Sampai saat ini, baru disintesis(anak perusahaan) rantai tetap tidak termetilasi.

Jika rantai seperti itu mengandung nukleotida yang tidak berpasangan, maka rantai tersebut mengalami perbaikan: Jadimetilasi memberi label DNA dan

termasuk sistem koreksi kesalahan replikasi.

Dalam sistem reparasi ini, struktur khusus diakui:

urutanG-N6-mA-T-C dan lanjut deformasi di belakangnya

di heliks ganda di tempat kurangnya saling melengkapi (Gbr. di bawah).

Menghilangkan nukleotida yang tidak berpasangan dalam semi-termetilasi kompleks enzim perbaikan yang cukup kompleks mengambil bagian dalam molekul DNA, yang memindai permukaan molekul DNA,memotong sebagian dari rantai anak beralih ke ketidakcocokan, lalu membuat kondisi untuk bangunan

nukleotida (pelengkap) yang diinginkannya.

Komponen yang berbeda dari kompleks ini memiliki aktivitas yang berbedatolong,

helikase,

ATDifferent,

diperlukan untuk memecah DNA dan pembelahan nukleotida, melepaskan heliks ganda DNA dan energi yang mendukung pergerakan kompleks di sepanjang bagian molekul yang diperbaiki.

Sebuah kompleks enzim perbaikan yang mirip dalam struktur dan fungsi telah ditemukan pada manusia.

Perbaikan rekombinan (pasca-replikatif)

Dalam kasus-kasus ketika, karena satu dan lain alasan, sistem perbaikan yang disebutkan di atas ternyata terganggu, celah (daerah yang kurang diperbaiki) dapat terbentuk dalam untaian DNA. terkadang ukurannya sangat besar, yang penuh dengan gangguan pada sistem replikasi dan dapat menyebabkan kematian sel.

Dalam hal ini, sel dapat menggunakan molekul DNA lain yang diperoleh setelah replikasi untuk perbaikan satu molekul DNA, yaitu untuk menarik mekanisme tersebut.rekombinasi.

Pada bakteri

Bakteri mengambil bagian dalam perbaikan rekombinanprotein Rec A... Ini mengikat sepotong DNA beruntai tunggal dan melibatkannya dalam rekombinasi dengandaerah homolog dari untaian utuh molekul DNA lain .

Akibatnya, rantai molekul DNA yang diperbaiki menjadi rusak (mengandung celah) dan tidak rusak berpasangan dengan daerah DNA komplementer utuh, yang membuka kemungkinan perbaikan oleh sistem yang dijelaskan di atas.

Pada kasus ini, pemotongan fragmen tertentu dan

isi dengan bantuannya, celah di sirkuit yang rusak.

Kesenjangan yang dihasilkan dan putusnya untaian DNA diisi dengan partisipasiDNA polimerase I dan DNA ligase .

Perbaikan SOS

Keberadaan sistem ini pertama kali didalilkan oleh M. Radman pada tahun 1974. Ia juga memberi nama mekanisme ini, termasuk sinyal marabahaya internasional "SOS" (save our souls).

Memang sistem ini menyala kapan kerusakan DNA menjadi begitu parah sehingga mengancam kehidupan sel... Dalam hal ini, terjadi induksi aktivitas berbagai kelompok gen yang terlibat dalam berbagai proses seluler yang terkait dengan perbaikan DNA.

Dimasukkannya gen tertentu, ditentukan oleh jumlah kerusakan pada DNA, mengarah pada respons seluler dengan signifikansi berbeda (dimulai dengan standar perbaikan yang rusak nukleotida dan akhiran penekanan pembelahan sel).

Paling banyak dipelajariPerbaikan SOS pada E. coli, partisipan utamanya adalah protein yang dikodekan gen Rek AdanLex A.

Yang pertama multifungsiprotein Rec Aberpartisipasi

di rekombinasi DNA, dan

di regulasi transkripsi gen phage lambdayang menginfeksi E. coli,

dan kedua (Protein Lex A) adalah penekantranskripsi sekelompok besar gen yang dimaksudkan untuk perbaikan DNA bakteri. Saat itu dihambat atau dibiarkan perbaikan diaktifkan.

Mengikat Rekam A dengan Lex A lead untuk memisahkan yang terakhir dan karenanya aktivasi gen perbaikan.

Pada gilirannya, sistem SOS dari bakteri berfungsi untuk induksiphage lambda sinyal bahaya dan mengarah pada fakta bahwa nubuat itu beralih dari pasif ke jalur aktif (litik) keberadaan, dengan demikian menyebabkan kematian sel inang.

Sistem perbaikan SOS telah diidentifikasi tidak hanya pada bakteri, tetapi juga pada hewan dan manusia.

Gen yang terlibat dalam perbaikan kerusakan DNA SOS

Kesimpulan

Memperbaiki kerusakan DNA terkait erat dengan proses genetik molekuler fundamental lainnya: replikasi, transkripsi dan rekombinasi.Semua proses ini ternyata terjalin ke dalam sistem interaksi umum yang dilayani oleh sejumlah besar berbagai protein, banyak di antaranya merupakan molekul polifungsional yang terlibat di dalamnya kontrol atas implementasi informasi genetik dalam sel pro dan eukariotik. Pada saat yang sama, jelaslah bahwa alam "tidak berhemat" pada elemen kontrol, menciptakan sistem yang paling kompleks untuk memperbaiki kerusakan pada DNA itu berbahaya untuk tubuh dan terutama untuk keturunannya. Di sisi lain, dalam kasus di mana kapasitas reparasi tidak cukup untuk mempertahankan status genetik organisme, ada kebutuhan untuk kematian sel terprogram -apoptosis..

SKEMA PERBAIKAN EXCISI NUKLEOTIDA PADA PT E. COLI DENGAN PARTISIPASI EXINUCLEASE

1. MEKANISME INDEPENDEN TRANSKRIPSI

2. MEKANISME BERGANTUNG TRANSKRIPSI

3. TAHAP PERBAIKAN UMUM

SIMBOL

A - proteinuvr SEBUAH

B - proteinuvr DI

C - proteinuvr DARI

segitiga hitam kecil - tandanya menunjukkan tempat kerusakan

SKEMA PERBAIKAN YANG TERKAIT DENGAN METILASI DNA

Reparasi

disebut kemampuan molekul DNA untuk "mengoreksi" perubahan yang terjadi pada rantainya. Setidaknya 20 protein terlibat dalam pemulihan struktur asli: mereka mengenali daerah DNA yang diubah dan melepaskannya dari rantai, mengembalikan urutan nukleotida yang benar dan menjahit fragmen yang dipulihkan dengan sisa molekul DNA.

Ciri-ciri yang terdaftar dari struktur kimia dan sifat DNA menentukan fungsi yang dilakukannya. Catatan DNA, menyimpan, mereproduksi informasi genetik, berpartisipasi dalam proses penerapannya antara generasi baru sel dan organisme.

Asam ribonukleat - RNA -

diwakili oleh molekul dengan berbagai ukuran, struktur dan fungsi. Semua molekul RNA adalah salinan dari bagian tertentu dari molekul DNA dan, selain perbedaan yang telah disebutkan, lebih pendek darinya dan terdiri dari satu untai. Pasangan basa (A dengan Y, G dengan C) dan pembentukan daerah heliks dimungkinkan antara daerah komplementer individu dari untai RNA yang sama. Akibatnya, molekul memperoleh konformasi tertentu.

Matriks, atau informasional, RNA (mRNA, mRNA) disintesis dalam nukleus di bawah kendali enzim RNA polimerase yang melengkapi urutan DNA informasional, mentransfer informasi ini ke ribosom, di mana ia menjadi matriks untuk sintesis molekul protein . Bergantung pada jumlah informasi yang disalin, molekul mRNA dapat memiliki panjang yang berbeda dan membentuk sekitar 5% dari semua RNA seluler.

Ribogenic RNA (rRNA) disintesis terutama di nukleolus, di wilayah gen rRNA dan diwakili oleh molekul dengan berbagai berat molekul yang merupakan bagian dari subunit ribosom besar dan kecil. RRNA menyumbang 85% dari semua RNA sel.

Transport RNA (tRNA) membentuk sekitar 10% dari RNA seluler. Ada lebih dari 40 jenis tRNA. Saat menerapkan informasi genetik, setiap tRNA menempelkan asam amino tertentu dan mengangkutnya ke tempat perakitan polipeptida. Pada eukariota, tRNA memiliki panjang 70-90 nukleotida.

Struktur sel

Jenis organisasi seluler.

Di antara semua jenis organisme yang saat ini ada di Bumi, ada dua kelompok yang dibedakan: virus dan fag yang tidak memiliki struktur seluler; semua organisme lain diwakili oleh berbagai bentuk kehidupan seluler. Ada dua jenis organisasi seluler: prokariotik

dan eukariotik (

lihat gbr 1 ).

Sel jenis prokariotik memiliki struktur yang relatif sederhana. Mereka tidak memiliki inti yang diisolasi secara morfologis, satu-satunya kromosom yang dibentuk oleh DNA melingkar dan terletak di dalam sitoplasma; organel membran tidak ada (fungsinya dilakukan oleh berbagai invaginasi membran plasma); ada banyak ribosom kecil di sitoplasma; mikrotubulus tidak ada, oleh karena itu sitoplasma tidak bergerak, dan silia dan flagela memiliki struktur khusus. Bakteri disebut sebagai prokariota.

Sebagian besar organisme hidup modern termasuk dalam salah satu dari tiga kerajaan - tumbuhan, jamur, atau hewan, yang disatukan dalam super-kerajaan eukariota.

Bergantung pada jumlah organisme yang tersusun, yang terakhir dibagi menjadi uniseluler dan multiseluler. Organisme bersel tunggal terdiri dari satu sel tunggal yang melakukan semua fungsi. Banyak dari sel-sel ini jauh lebih kompleks daripada sel organisme multiseluler. Semua prokariota uniseluler, serta protozoa, beberapa alga hijau dan jamur.

Angka: 3.14. Diagram proses koreksi untuk sintesis DNA:

I-inklusi dalam rantai DNA nukleotida dengan bentuk sitoein yang diubah (tautomerik), yang berpasangan "secara ilegal" dengan adenin; II - transisi cepat sitosin ke bentuk normalnya mengganggu pemasangannya dengan adenin; ujung 3 "-OH yang tidak berpasangan dari rantai yang disintesis mencegah pemanjangan lebih lanjut di bawah aksi DNA polimerase; III - DNA polimerase menghilangkan nukleotida ilegal, sebagai akibatnya ujung 3" -OH yang dipasangkan dengan templat muncul kembali; IV - DNA polimerase terus membangun rantai di ujung 3'-OH

Mengembalikan struktur DNA asli membutuhkan partisipasi sejumlah enzim. Poin penting dalam memulai mekanisme perbaikan adalah deteksi kesalahan dalam struktur DNA. Seringkali kesalahan seperti itu terjadi dalam rantai yang baru disintesis selama replikasi. Enzim perbaikan harus mendeteksi rantai ini. Pada banyak spesies organisme hidup, untai DNA yang baru disintesis berbeda dari tingkat metilasi basa nitrogen maternal, yang tertinggal di belakang sintesis. Dalam hal ini, rantai yang tidak termetilasi diperbaiki. Putusnya untai DNA juga dapat berfungsi sebagai objek pengenalan oleh enzim perbaikan. Pada organisme tingkat tinggi, di mana sintesis DNA tidak terjadi secara terus menerus, tetapi dengan replikasi terpisah, untai DNA yang baru disintesis telah putus, yang memungkinkannya untuk mengenalinya.

Memulihkan struktur DNA dengan hilangnya basa purin di salah satu rantainya melibatkan pendeteksian cacat menggunakan enzim endonuklease, yang memutus ikatan fosforester di lokasi kerusakan rantai. Kemudian daerah yang berubah dengan beberapa nukleotida yang berdekatan dihilangkan oleh enzim eksonuklease, dan sebagai gantinya, sesuai dengan urutan basa untai komplementer, urutan nukleotida yang benar terbentuk (Gbr. 3.15).

Angka: 3.15. Skema perbaikan DNA eksisi, pra-replikatif

Ketika salah satu basa dalam rantai DNA diubah, sekitar 20 enzim DNA glikosilase terlibat dalam pemulihan struktur aslinya. Mereka secara khusus mengenali kerusakan yang disebabkan oleh deaminasi, alkilasi, dan transformasi struktural basa lainnya. Basis yang dimodifikasi seperti itu dihilangkan. Area tanpa basa muncul, yang diperbaiki, seperti hilangnya purin. Jika pemulihan struktur normal tidak dilakukan, misalnya, dalam kasus deaminasi basa nitrogen, beberapa pasang basa pelengkap diganti dengan yang lain - pasangan C-G dapat diganti dengan pasangan T-A, dll. (lihat bagian 3.4.2.3).

Pembentukan dimer timin (T-T) dalam rantai polinukleotida di bawah pengaruh sinar UV memerlukan partisipasi enzim yang tidak mengenali basa yang diubah secara individu, tetapi kerusakan yang lebih luas pada struktur DNA. Proses reparatif dalam hal ini juga terkait dengan penghilangan daerah yang membawa dimer dan pemulihan urutan nukleotida normal dengan sintesis pada untai DNA komplementer.

Dalam kasus ketika sistem perbaikan eksisi tidak mengoreksi perubahan yang muncul dalam satu untai DNA, selama replikasi, perubahan ini diperbaiki dan menjadi milik kedua untai DNA. Hal ini menyebabkan penggantian satu pasang nukleotida komplementer dengan yang lain, atau munculnya patahan (celah) pada untai yang baru disintesis terhadap daerah yang diubah. Pemulihan struktur DNA normal dalam hal ini juga dapat terjadi setelah replikasi.

Perbaikan pasca-replikatif dilakukan dengan rekombinasi (pertukaran fragmen) antara dua heliks ganda DNA yang baru terbentuk. Contoh perbaikan pasca-replikatif adalah pemulihan struktur DNA normal setelah munculnya dimer timin (T-T), ketika mereka tidak dihilangkan secara spontan oleh cahaya tampak (perbaikan ringan) atau selama perbaikan eksisi pra-replikatif.

Ikatan kovalen yang timbul antara residu timin yang berdekatan membuatnya tidak mampu mengikat nukleotida komplementer. Akibatnya, kerusakan (celah) muncul pada untai DNA yang baru disintesis, yang dikenali oleh enzim perbaikan. Pemulihan integritas rantai polinukleotida baru dari salah satu DNA anak dilakukan melalui rekombinasi dengan rantai ibu normal yang sesuai dari DNA anak perempuan lainnya. Celah yang terbentuk pada rantai ibu kemudian diisi oleh sintesis pada rantai polinukleotida yang melengkapi rantai tersebut (Gbr. 3.16). Pertukaran material yang sering diamati antara kromatid sister dapat dianggap sebagai manifestasi dari perbaikan pasca-replikatif, yang dilakukan dengan rekombinasi antara rantai dua molekul DNA anak (Gbr. 3.17).

Angka: 3.16. Skema perbaikan DNA pasca-replikatif:

I - penampilan dimer timin di salah satu untai DNA;

II - pembentukan "celah" dalam rantai yang baru disintesis terhadap bagian molekul induk yang diubah setelah replikasi (tanda panah menunjukkan pengisian "celah" selanjutnya dengan sebagian dari rantai yang sesuai dari molekul DNA anak kedua) ;

III - pemulihan integritas rantai anak dari molekul atas karena rekombinasi dan di molekul bawah karena sintesis pada rantai komplementer

Angka: 3.17. Pertukaran interchromatid (ditunjukkan dengan panah)

Selama perbaikan pra-replikatif dan pasca-replikasi, sebagian besar kerusakan pada struktur DNA dipulihkan. Namun, jika terlalu banyak kerusakan terjadi pada bahan keturunan sel dan beberapa di antaranya tidak dihilangkan, sistem enzim perbaikan yang diinduksi (terstimulasi) (sistem-SOS) diaktifkan. Enzim-enzim ini mengisi celah, memulihkan integritas rantai polinukleotida yang disintesis tanpa secara ketat mengikuti prinsip saling melengkapi. Itulah mengapa terkadang proses perbaikan itu sendiri dapat menjadi sumber perubahan permanen pada struktur DNA (mutasi). Reaksi bernama juga mengacu pada sistem SOS.

pasangan oleh orang lain. Perubahan ini memang menyertai setiap siklus replikasi DNA, tetapi frekuensinya jauh lebih rendah dari yang seharusnya. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa sebagian besar perubahan semacam ini dihilangkan karena aksi mekanisme perbaikan (pemulihan molekuler) dari urutan nukleotida DNA asli.

Mekanisme perbaikan didasarkan pada adanya dua untai komplementer dalam molekul DNA. Distorsi urutan nukleotida di salah satunya dideteksi oleh enzim tertentu. Kemudian daerah yang sesuai dihilangkan dan diganti dengan yang baru yang disintesis pada untai DNA komplementer kedua. Perbaikan semacam itu disebut eksisi, mis. dengan "pemotongan" (Gbr. 3.15). Ini dilakukan sebelum siklus replikasi berikutnya, oleh karena itu disebut juga

prereplikatif.

Angka: 3.14. Skema proses koreksi selama sintesis DNA: I-inklusi ke dalam rantai DNA nukleotida dengan bentuk sitoein yang dimodifikasi (tautomerik), yang berpasangan secara “ilegal” dengan adenin; II - transisi cepat

sitosin dalam bentuk biasanya mengganggu pemasangannya dengan adenin; tidak berpasangan 3 "- ujung OH dari rantai yang disintesis mencegah pemanjangan lebih lanjut di bawah aksi DNA polimerase; III - DNA polimerase menghilangkan nukleotida ilegal, akibatnya ujung 3" - OH yang dipasangkan dengan templat muncul kembali; IV - DNA polimerase terus membangun rantai di ujung 3'-OH

Mengembalikan struktur DNA asli membutuhkan partisipasi sejumlah enzim. Poin penting dalam memulai mekanisme perbaikan adalah deteksi kesalahan dalam struktur DNA. Seringkali kesalahan seperti itu terjadi dalam rantai yang baru disintesis selama replikasi. Enzim perbaikan harus mendeteksi rantai ini. Pada banyak spesies organisme hidup, untai DNA yang baru disintesis berbeda dari tingkat metilasi basa nitrogen maternal, yang tertinggal di belakang sintesis. Dalam hal ini, rantai yang tidak termetilasi diperbaiki. Putusnya rantai DNA juga dapat berfungsi sebagai objek pengenalan oleh enzim perbaikan. Pada organisme tingkat tinggi, di mana sintesis DNA tidak terjadi terus menerus, tetapi oleh replikasi individu, untai DNA yang baru disintesis telah putus, yang memungkinkannya untuk mengenalinya.

Memulihkan struktur DNA dengan hilangnya basa purin di salah satu rantainya melibatkan pendeteksian cacat menggunakan enzim endonuklease, yang memutus ikatan fosforester di lokasi kerusakan rantai. Kemudian daerah yang berubah dengan beberapa nukleotida yang berdekatan dihilangkan oleh enzim eksonuklease, dan sebagai gantinya, sesuai dengan urutan basa untai komplementer, urutan nukleotida yang benar terbentuk (Gbr. 3.15).

Angka: 3.15. Skema eksisi, perbaikan DNA pra-replikatif Ketika salah satu basa dalam rantai DNA berubah dalam pemulihan aslinya

enzim DNA glikosilase, berjumlah sekitar 20, mengambil bagian dalam struktur, secara khusus mengenali kerusakan yang disebabkan oleh deaminasi, alkilasi dan transformasi struktural basa lainnya. Basis yang dimodifikasi seperti itu dihilangkan. Area tanpa basa muncul, yang diperbaiki, seperti hilangnya purin. Jika pemulihan struktur normal tidak dilakukan, misalnya, dalam kasus deaminasi basa nitrogen, beberapa pasangan basa pelengkap diganti dengan yang lain - pasangan C-G dapat diganti dengan pasangan T-A, dll. (lihat bagian 3.4.2.3).

Pembentukan dimer timin (T-T) dalam rantai polinukleotida di bawah pengaruh sinar UV memerlukan partisipasi enzim yang tidak mengenali basa yang diubah secara individu, tetapi kerusakan yang lebih luas pada struktur DNA. Proses reparatif dalam hal ini juga terkait dengan penghilangan daerah yang membawa dimer dan pemulihan urutan nukleotida normal dengan sintesis pada untai DNA komplementer.

Jika sistem perbaikan eksisi tidak memperbaiki perubahan yang muncul dalam satu untai DNA, selama fiksasi replikasi terjadi

perubahan ini dan menjadi milik kedua untai DNA. Hal ini menyebabkan penggantian satu pasang nukleotida komplementer dengan yang lain, atau munculnya celah (celah) pada untai yang baru disintesis terhadap daerah yang diubah. Pemulihan struktur DNA normal dalam hal ini juga dapat terjadi setelah replikasi.

Perbaikan pasca-replikasidilakukan dengan rekombinasi (pertukaran fragmen) antara dua heliks DNA ganda yang baru terbentuk. Contoh perbaikan pasca-replikatif tersebut adalah pemulihan struktur DNA normal setelah munculnya dimer timin (T-T), ketika tidak dihilangkan secara spontan di bawah aksi cahaya tampak ( perbaikan ringan) atau selama perbaikan eksisi pra-replikatif.

Ikatan kovalen yang muncul antara residu timin yang berdekatan membuatnya tidak mampu mengikat nukleotida komplementer. Akibatnya, kerusakan (celah) muncul pada untai DNA yang baru disintesis, yang dikenali oleh enzim perbaikan. Pemulihan integritas rantai polinukleotida baru dari salah satu DNA anak dilakukan melalui rekombinasi dengan rantai ibu normal yang sesuai dari DNA anak perempuan lainnya. Celah yang terbentuk pada rantai ibu kemudian diisi oleh sintesis pada rantai polinukleotida yang melengkapi rantai tersebut (Gbr. 3.16). Pertukaran material yang sering diamati antara kromatid sister dapat dianggap sebagai manifestasi dari perbaikan pasca-replikatif, yang dilakukan dengan rekombinasi antara rantai dua molekul DNA anak (Gbr. 3.17).

Angka: 3.16. Skema perbaikan DNA postreplicative: I - munculnya dimer timin di salah satu untai DNA;

II - pembentukan "celah" dalam rantai yang baru disintesis terhadap bagian molekul induk yang diubah setelah replikasi (tanda panah menunjukkan pengisian "celah" selanjutnya dengan sebagian dari rantai yang sesuai dari molekul DNA anak kedua) ;

III - pemulihan integritas rantai anak dari molekul atas karena rekombinasi dan di molekul bawah karena sintesis pada rantai komplementer

Angka: 3.17. Pertukaran interchromatid (ditunjukkan dengan panah)

Selama perbaikan pra-replikatif dan pasca-replikasi, sebagian besar kerusakan pada struktur DNA dipulihkan. Namun, jika terlalu banyak kerusakan terjadi pada bahan keturunan sel dan beberapa di antaranya tidak dihilangkan, sistem enzim perbaikan yang diinduksi (terstimulasi) (sistem SOS) diaktifkan. Enzim-enzim ini mengisi celah tersebut, memulihkan integritas rantai polinukleotida yang disintesis tanpa secara ketat mengikuti prinsip saling melengkapi. Itulah mengapa terkadang proses perbaikan itu sendiri dapat menjadi sumber perubahan permanen pada struktur DNA (mutasi). Reaksi bernama juga mengacu pada sistem SOS.

Jika jumlah kerusakan pada struktur DNA tetap tinggi di dalam sel, meskipun sudah dilakukan perbaikan, proses replikasi DNA terhalang di dalamnya. Sel seperti itu tidak membelah, yang berarti ia tidak mentransmisikan perubahan yang muncul pada keturunannya.

Penangkapan siklus sel yang disebabkan oleh kerusakan DNA, dikombinasikan dengan ketidakmungkinan perbaikan molekuler dari bahan keturunan yang diubah, dengan partisipasi protein yang sintesisnya dikendalikan oleh gen p53, dapat menyebabkan aktivasi proses penghancuran diri. (apotosis) dari sel yang rusak untuk menghilangkannya dari tubuh.

Dengan demikian, sejumlah besar enzim perbaikan yang berbeda melakukan "pemeriksaan" DNA secara terus menerus, menghilangkan area yang rusak darinya dan membantu menjaga stabilitas bahan keturunan. Aksi gabungan dari enzim replikasi (DNA polimerase dan pengeditan endonuklease) dan enzim perbaikan memberikan tingkat kesalahan yang cukup rendah dalam molekul DNA, yang dipertahankan pada tingkat 1 · 10-9 pasang nukleotida yang diubah per genom. Dengan ukuran genom manusia 3 × 109 pasangan nukleotida, ini berarti munculnya sekitar 3 kesalahan per genom yang bereplikasi. Pada saat yang sama, tingkat inipun cukup untuk pembentukan keragaman genetik yang signifikan dalam bentuk mutasi gen selama keberadaan kehidupan di Bumi.

3.4.2.3. Perubahan urutan nukleotida DNA. Mutasi gen

Perubahan yang tidak dikoreksi dalam struktur kimia gen yang direproduksi dalam siklus replikasi berturut-turut dan dimanifestasikan pada keturunan dalam bentuk varian baru dari sifat yang disebut mutasi gen.

Perubahan struktur DNA yang menyusun gen dapat dibagi menjadi tiga kelompok. Mutasi kelompok pertama terdiri dari penggantian beberapa basis dengan yang lain. Mereka menyumbang sekitar 20% dari perubahan gen yang terjadi secara spontan. Mutasi kelompok kedua disebabkan oleh pergeseran kerangka pembacaan yang terjadi ketika jumlah pasangan nukleotida dalam suatu gen berubah. Akhirnya, kelompok ketiga diwakili oleh mutasi yang terkait dengan perubahan urutan urutan nukleotida dalam gen (inversi).

Mutasi menurut jenis substitusi basa nitrogen. Mutasi ini terjadi karena sejumlah alasan tertentu. Salah satunya mungkin perubahan struktur basa yang sudah termasuk dalam heliks DNA, yang terjadi secara tidak sengaja atau di bawah pengaruh zat kimia tertentu. Jika bentuk basa yang berubah seperti itu tetap tidak diketahui oleh enzim perbaikan, maka selama siklus replikasi berikutnya ia dapat menempel pada dirinya sendiri nukleotida lain. Contohnya adalah deaminasi sitosin, yang diubah menjadi urasil secara spontan atau di bawah pengaruh asam nitrat (Gbr. 3.18). Urasil yang dihasilkan, tidak diperhatikan oleh enzimDNA glikosilase, selama replikasi, ia mengikat ke adenin, yang kemudian mengikat nukleotida timidil. Hasilnya, pasanganC-G diganti dalam DNA dengan sepasangT-A (Gbr. 3.19, I ). Deaminasi sitosin termetilasi mengubahnya menjadi timin (lihat Gambar 3.18). Nukleotida timidil, sebagai komponen alami DNA, tidak terdeteksi oleh enzim perbaikan sebagai perubahan dan menempelkan nukleotida adenil selama replikasi berikutnya. Hasilnya, bukannya berpasanganC-G sepasang juga muncul dalam molekul DNAT-A (Gbr. 3.19, II).

Angka: 3.18. Deaminasi sitosin secara spontan

Alasan lain untuk substitusi basa mungkin karena kesalahan inklusi dalam untai DNA yang disintesis dari nukleotida yang membawa bentuk basa yang diubah secara kimiawi atau analognya. Jika kesalahan ini tetap tidak diketahui oleh replikasi dan perbaikan enzim, basa yang berubah termasuk dalam proses replikasi, yang sering mengarah pada penggantian satu pasangan dengan pasangan lainnya. Contohnya adalah perlekatan selama replikasi ke adenin dari rantai induk nukleotida dengan 5-bromourasil (5-BU), yang dianalogikan dengan nukleotida timidil. Selama replikasi berikutnya, 5-BU lebih mudah menempel bukan adenin, tetapi guanin. Dalam proses penggandaan lebih lanjut, guanin membentuk pasangan komplementer dengan sitosin. Akibatnya, pasangan AT diganti dalam molekul DNA oleh pasangan G-C (Gbr. 3.20).

Angka: 3. 19. Mutasi menurut jenis substitusi basa (deaminasi basa nitrogen dalam rantai DNA):

I - transformasi sitosin menjadi urasil, penggantian pasangan C-G dengan pasangan T-A;

II - konversi metil-sitosin menjadi timin, penggantian pasangan C-G oleh pasangan T-A

Dapat dilihat dari contoh yang diberikan bahwa perubahan struktur molekul DNA menurut jenis substitusi basa terjadi baik sebelum atau selama replikasi, awalnya dalam satu rantai polinukleotida. Jika perubahan seperti itu tidak diperbaiki selama perbaikan, maka selama replikasi berikutnya mereka menjadi milik kedua untai DNA.

Angka: 3.20. Mutasi substitusi basa

(dimasukkannya analog basa nitrogen selama replikasi DNA)

Konsekuensi dari penggantian satu pasang nukleotida komplementer dengan yang lain adalah terbentuknya triplet baru dalam urutan nukleotida DNA yang menyandi urutan asam amino dalam rantai peptida. Ini mungkin tidak mempengaruhi struktur peptida jika triplet baru "identik" dengan yang sebelumnya, yaitu akan menyandikan asam amino yang sama. Misalnya, asam amino valin dienkripsi dengan empat triplet: CAA, TsAG, TsAT, TsAC. Mengganti basa ketiga pada salah satu dari triplet ini tidak akan mengubah maknanya (kemunduran kode genetik).

DI dalam kasus ketika triplet yang baru terbentuk mengenkripsi asam amino lain, struktur rantai peptida dan sifat protein yang sesuai berubah. Bergantung pada sifat dan tempat penggantinya, sifat spesifik protein berubah ke berbagai tingkat. Ada kasus ketika penggantian hanya satu asam amino dalam peptida secara signifikan mempengaruhi sifat protein, yang dimanifestasikan dalam perubahan sifat yang lebih kompleks. Contohnya adalah perubahan sifat hemoglobin manusia ketikaanemia sel sabit (Gbr. 3.21). Dalam hemoglobin- (HbS) (sebagai lawan dari HbA normal) - dalam rantai p-globin di posisi keenam, asam glutamat digantikan oleh valin. Ini adalah konsekuensi dari penggantian salah satu basa di triplet yang mengkode asam glutamat (CTT atau CTC). Hasilnya adalah triplet yang mengenkripsi valine (CAT atau CAC). Dalam hal ini, penggantian satu asam amino dalam peptida secara signifikan mengubah sifat globin, yang merupakan bagian dari hemoglobin (kemampuannya untuk mengikat 02 berkurang), dan seseorang mengembangkan tanda-tanda anemia sel sabit.

DI dalam beberapa kasus, mengganti satu basis dengan yang lain dapat menyebabkan munculnya salah satu basistriplet nonsense (ATT, ATC, ACT), yang tidak mengenkripsi asam amino apa pun. Konsekuensi dari penggantian tersebut adalah terputusnya sintesis rantai peptida. Diperkirakan bahwa substitusi nukleotida dalam satu triplet memimpin dalam 25% kasus pembentukan triplet sinonim; pada 2-3 kembar tiga tak berperasaan, pada 70-75% terjadinya mutasi gen sejati.

Jadi, mutasi substitusi basa dapat terjadi baik sebagai akibat dari perubahan spontan dalam struktur basa di salah satu untai heliks ganda DNA yang sudah ada, dan selama replikasi di untai yang baru disintesis. Jika perubahan ini tidak diperbaiki selama proses perbaikan (atau, sebaliknya, terjadi selama perbaikan), mereka diperbaiki di kedua rantai dan kemudian akan direproduksi di siklus replikasi berikutnya. Akibatnya, sumber penting mutasi tersebut adalah gangguan replikasi dan proses perbaikan.

Mutasi pergeseran bingkai. Jenis mutasi ini menyebabkan sebagian besar mutasi spontan. Mereka terjadi karena kehilangan atau penyisipan satu atau lebih pasangan nukleotida komplementer ke dalam urutan nukleotida DNA. Sebagian besar mempelajari mutasi yang menyebabkannya