§ 16. Клетачны цыкл. Рэплікацыя ДНК

Рэплікацыя ДНК. Успомнім, што падваенне малекул ДНК, якое ажыццяўляецца ў сінтэтычным (S) перыядзе клетачнага цыкла, называецца рэплікацыяй. *Пасля адкрыцця Д. Уотсанам і Ф. Крыкам структуры малекулы ДНК было прадстаўлена некалькі гіпотэз пра магчымы механізм працякання гэтага працэсу (мал. 16.2).

Паводле гіпотэзы кансерватыўнай рэплікацыі двухланцуговая мацярынская малекула ДНК як адно цэлае служыць матрыцай для ўтварэння даччынай малекулы, што складаецца з двух зусім новых ланцугоў. Паўкансерватыўны механізм рэплікацыі прадугледжвае раздзяленне ланцугоў зыходнай малекулы ДНК. Пры гэтым кожны мацярынскі ланцуг з'яўляецца матрыцай для сінтэзу даччынага ланцуга. Такім чынам, пры рэплікацыі ўтвараюцца дзве малекулы ДНК, кожная з якіх уключае адзін мацярынскі ланцуг і адзін новы — даччыны. Гіпотэза дысперснай рэплікацыі сцвярджало, што мацярынска ДНК распадаецца на фрагменты, якія выступаюць у ролі матрыц для пабудовы асобных участкаў новых малекул. Утвораныя такім спосабам малекулы ДНК павінны складацца з чаргавання фрагментаў зыходнай малекулы і толькі што сінтэзаваных.

У 1958 г. амерыканскія біёлагі М. Мезельсон і Ф. Сталь правялі эксперыментальную праверку гэтых гіпотэз. На працягу некалькіх пакаленняў яны вырошчвалі бактэрыі (а менавіта кішэчную палачку) у пажыўным асяроддзі, што змяшчала «цяжкі» азот ¹⁵N. За гэты час ¹⁵N увайшоў у састаў бактэрыяльных малекул ДНК. Далей бактэрыі былі перанесены ў асяроддзе, якое змяшчала ізатоп ¹⁴N. Такім чынам, у састаў толькі што сінтэзаваных ланцугоў ДНК уключаўся ўжо «лёгкі» азот. З бактэрыяльных клетак новых пакаленняў, якія ўтварыліся ў асяроддзі з ¹⁴N, вылучалі ДНК і цэнтрыфугавалі ў градыенце шчыльнасці хларыду цэзію (мал. 16.3).

Высветлілася, што ДНК даччыных клетак першага пакалення мела шчыльнасць, сярэднюю паміж шчыльнасцю «лёгкай» ДНК, якая змяшчае толькі ¹⁴N, і «цяжкай», якая ўключае толькі ¹⁵N. Гэта значыць, што такая «гібрыдная» ДНК змяшчала адначасова ¹⁴N і ¹⁵N. Гэта супярэчыла гіпотэзе пра кансерватыўны механізм рэплікацыі, згодна з якой ДНК павінна была падзяліцца на дзве фракцыі — «лёгкую» і «цяжкую».

ДНК, выдзеленая з клетак другога пакалення, падзялялася на «лёгкую» і «гібрыдную». Гэты факт цалкам адпавядаў гіпотэзе паўкансерватыўнай рэплікацыі і дазволіў выключыць дысперсны механізм падваення ДНК, паводле якога шчыльнасць ДНК другога пакалення бактэрый павінна быць сярэдняй паміж «лёгкай» і «гібрыднай». Такім чынам быў даказаны паўкансерватыўны механізм рэплікацыі ДНК.

*Да цяперашняга часу вядома, што ў ажыццяўленні рэплікацыі прымае ўдзел цэлы комплекс ферментаў. Таксама вядома, што гэты працэс пачынаецца ў строга вызначаных участках малекулы ДНК — так званых пунктах пачатку рэплікацыі. Бактэрыяльная храмасома, як правіла, мае адзін такі пункт. У ядзерных арганізмаў кожная малекула ДНК (храмасома) змяшчае мноства пунктаў пачатку рэплікацыі. Такім чынам, у эўкарыёт працэс рэплікацыі адначасова працякае на многіх участках адной і той жа храмасомы. Гэта значна скарачае час падваення малекул ДНК.

Працэс рэплікацыі ДНК падзяляюць на тры этапы: ініцыяцыю, элангацыю і тэрмінацыю.

1. Ініцыяцыя (запуск). Асаблівыя ферменты пачынаюць раскручваць малекулу ДНК ад пункта пачатку рэплікацыі. Затым фермент хеліказа раз'ядноўвае ланцугі зыходнай мацярынскай малекулы, разрываючы вадародныя сувязі паміж камплементарнымі азоцістымі асновамі. Пры гэтым два ланцугі разыходзяцца пад пэўным вуглом і ўтвараюць так званую рэплікацыйную вілку, якая нагадваае літару Y (мал. 16.4). Хеліказа, падобна да бегунка зашпількі «маланка», рухаецца ўздоўж малекулы ДНК, падзяляючы камплементарныя ланцугі. Гэта суправаджаецца перамяшчэннем рэплікацыйнай вілкі і, вобразна кажучы, расшпільваннем «маланкі». Далей з ланцугамі, якія разышліся, звязваюцца малекулы ДНК-полімеразы — галоўнага ферменту рэплікацыі.

2. Элангацыя (падаўжэнне, нарошчванне даччыных ланцугоў ДНК). Малекулы ДНК-полімеразы пачынаюць рухацца ўздоўж мацярынскіх ланцугоў, выкарыстоўваючы іх у якасці матрыц для пабудовы новых даччыных ланцугоў. Гэта значыць, што ў даччыныя ланцугі ДНК, якія растуць, уключаюцца толькі тыя нуклеатыды, якія камплементарныя адпаведным нуклеатыдам мацярынскіх ланцугоў. Таму рэплікацыю залічваюць да рэакцый матрычнага сінтэзу.

Трэба адзначыць, што ў працэсе рэплікацыі матэрыялам для сінтэзу даччыных ланцугоў ДНК з'яўляюцца не нуклеатыды самі па сабе, а нуклеазідтрыфасфаты. Ад звычайных нуклеатыдаў іх адрознівае наяўнасць трох астаткаў фосфарнай кіслаты (як у малекуле АТФ) замест аднаго. Сувязі паміж гэтымі астаткамі з'яўляюцца макраэргічнымі. Такім чынам, нуклеазідтрыфасфаты — злучэнні, багатыя энергіяй. У працэсе іх далучэння да даччыных ланцугоў ДНК, якія растуць, адбываецца адшчапленне дзвюх «лішніх» астаткаў фосфарнай кіслаты. У выніку вылучаецца энергія, якая выкарыстоўваецца для працякання рэакцыі (г. зн. для ўтварэння фосфаэфірных сувязей), і нуклеазідтрыфасфаты становяцца стандартнымі нуклеатыдамі новых ланцугоў ДНК.

Асаблівасць ДНК-полімеразы складаецца ў тым, што яна можа рухацца ўздоўж існуючага ланцуга ДНК толькі ў напрамку 3' → 5'. Пры гэтым нарошчванне даччынага ланцуга заўсёды адбываецца антыпаралельна: ад 5'-канца да 3'-канца (г. зн. новыя нуклеатыды дабаўляюцца да 3'-канца сінтэзаванага ланцуга). Напрыклад, калі ўчастак мацярынскага ланцуга ДНК змяшчае паслядоўнасць нуклеатыдаў 3'ГТАЦАГ5', то пры нарошчванні адпаведнага яму ўчастка даччынага ланцуга нуклеатыды будуць далучацца ў наступным парадку: 5'ЦАТГТЦ3'.

Здольнасць ДНК-полімеразы да перамяшчэння ўздоўж ланцуга ДНК толькі ў адным напрамку прыводзіць да наступнага. Уздоўж аднаго мацярынскага ланцуга (таго, у якога напрамак 3' → 5' супадае з напрамкам перамяшчэння рэплікацыйнай вілкі) фермент рухаецца бесперапынна. Даччыны ланцуг ДНК, які пры гэтым сінтэзуецца, называецца лідзіруючым ці вядучым (мал. 16.5).

У той жа час рух ДНК-полімеразы, якая працуе над стварэннем іншага даччынага ланцуга, не можа быць бесперапынным. Па меры зрушвання рэплікацыйнай вілкі фермент «забягае наперад» і потым, вяртаючыся назад, сінтэзуе новы ланцуг асобнымі фрагментамі. У гонар першаадкрывальнікаў — мужа і жонкі Р. і Ц. Аказáкі — гэтыя ўчасткі называюць фрагментамі Аказáкі. Такім чынам, другі даччыны ланцуг будуецца перарывіста з істотным адставаннем ад ланцуга, які лідзіруе. Таму дадзены ланцуг атрымаў назву адстаючага ці спазняльнага. Пасля фрагменты адстаючага ланцуга сшывае адзін з адным фермент ДНК-лігаза.*

*Адкрыццё ферменту, які каталізуе біясінтэз ДНК, належыць амерыканскаму біяхіміку А. Корнбергу. Энзім, выдзелены з клетак кішэчнай палачкі, вучоны назваў ДНК-полімеразай. У 1957 г. з дапамогай ДНК-полімеразы А. Корнберг упершыню ажыццявіў сінтэз ДНК у лабараторных умовах, а ў 1959 г. за адкрыццё механізмаў біясінтэзу нуклеінавых кіслот ён разам з біяхімікам С. Ачоа быў удастоены Нобелеўскай прэміі.*

*3. Тэрмінацыя (спыненне). Калі рэплікацыйная вілка дасягае суседняга ўчастка ДНК, на якім таксама ажыццяўлялася рэплікацыя, ферменты завяршаюць сваю работу.* У выніку рэплікацыі ўтвараюцца дзве малекулы ДНК, ідэнтычныя адна адной і зыходнай мацярынскай малекуле. У склад кожнай з іх уваходзіць адзін ланцуг мацярынскай малекулы ДНК і адзін толькі што сінтэзаваны даччыны ланцуг.

*Кожная клетка існуе пэўны час, па заканчэнні якога або дзеліцца, або гіне. Адрозніваюць два тыпы клетачнай гібелі — некроз і апаптоз.

Некроз — гэта гібель клетак, абумоўленая дзеяннем шкодных фактараў. Прычынамі некрозу можа быць уплыў на клеткі высокіх ці нізкіх тэмператур, іянізуючых выпрамяненняў, таксічных рэчываў, у тым ліку тых, што выдзяляюцца хваробатворнымі мікраарганізмамі. Некратычная гібель клетак назіраецца таксама ў выніку іх механічнага пашкоджання, парушэння інервацыі і кровазабеспячэння тканак, у склад якіх яны ўваходзяць і г. д.

Пры некрозе звычайна адбываецца гібель не асобных клетак, а цэлых іх груп. Напрыклад, у выніку апёку масава гінуць клеткі скуры, якія папалі пад дзеянне высокай тэмпературы. Пры інфаркце міякарда з прычыны спынення забеспячэння кіслародам адмірае ўчастак сардэчнай мышцы, што складаецца з мноства клетак. У пашкоджаных клетках парушаецца пранікальнасць плазмалемы і ўнутрыклетачных мембран, спыняецца сінтэз бялкоў і іншыя працэсы метабалізму, адбываецца разбурэнне ядра і арганоідаў. Клеткі гінуць, і прадукты іх распаду, як правіла, стымулююць запуск запаленчай рэакцыі ў зоне некрозу.

Апаптоз, які часам называюць клетачным самагубствам, уяўляе сабой запраграміраваную гібель клетак, якая рэгулюецца арганізмам. Гэты працэс выяўлены ў розных груп жывых арганізмаў, у тым ліку і аднаклетачных. У жывёл і раслін апаптоз назіраецца на ўсіх этапах індывідуальнага развіцця, нават у эмбрыянальны перыяд. Вядома, напрыклад, што ў арганізме дарослага чалавека штодня ў выніку апаптозу запланавана гіне 50—70 млрд клетак.

Знішчэнне клеткі шляхам апаптозу могуць запускаць як пэўныя пазаклетачныя сігналы, так і ўнутрыклетачныя фактары. У выніку апаптозу клетка распадаецца на асобныя фрагменты, акружаныя плазмалемай. Потым гэтыя фрагменты паглынаюцца лейкацытамі ці суседнімі клеткамі без запуску запаленчай рэакцыі.

Дзякуючы апаптозу ў арганізме падтрымліваецца клетачны гамеастаз, г. зн. пэўныя суадносіны паміж рознымі тыпамі клетак. Апаптоз адыгрывае важную ролю ў працэсах клетачнай дыферэнцыроўкі, патрэбнай для правільнага развіцця і функцыявання тканак і органаў. Ён таксама забяспечвае знішчэнне розных дэфектных клетак, напрыклад мутантных. За адкрыццё механізмаў апаптозу і генетычнай рэгуляцыі развіцця органаў брытанскія біёлагі С. Брэнер і Д. Салстан, а таксама амерыканскі вучоны Р. Хорвіц у 2002 г. былі ўдастоены Нобелеўскай прэміі.*