Fermentatīvā katalīze, tās nozīme DNS replikācijas procesā Saturs Saturs..........................................................................................................................................2 Ievads..........................................................................................................................................3 1. Fermenti. Fermentatīvā katalīze...........................................................................................4 2. DNS........................................................................................................................................8 2.1 DNS replikācija..........................................................................................................................9 Kopsavilkums...........................................................................................................................12 Literatūras saraksts..................................................................................................................13 2 Ievads Viena no visu dzīvo organismu iezīmēm ir spēja augt un attīstīties, kā arī spēja vairoties un nodot savu ģenētisko informāciju nākamajām paaudzēm (gan šūnu līmenī – mātes šūna nodod informāciju meitšūnām - , gan arī organismu līmenī). Visi šie trīs procesi ir balstīti uz precīzu informācijas saglabāšanu un jaunu, organismam nepieciešamu vielu sintēzi, kas balstīta uz precīzu informācijas apstrādi un izmantošanu organisko vielu sintēzē. Gandrīz visu organismu, izņemot daļu no vīrusiem, ģenētiskā informācija ir iekodēta DNS molekulā, kas eikariotu šūnās interfāzes laikā atrodas kodolā hromatīna veidā, bet dalīšanās laikā - hromosomu veidā, bet prokariotu šūnās DNS atrodas brīvā veidā citoplazmā un veido nukleoīdu. Lai varētu veidoties jaunas šūnas, ir nepieciešama iespēja precīzi kopēt esošo DNS molekulu. Lai to varētu veikt, ir nepieciešams process, ko sauc par DNS replikāciju jeb DNS sintēzi. DNS replikācija ir ļoti sarežģīts, atbildīgs un organismā nozīmīgs process. Svarīgi ir tas, lai šis process notiktu ar ļoti niecīgu kļūdu skaitu un lai tas būtu veikts pareizajā ātrumā un veidā, jo kļūdas, kas rodas DNS replikācijas laikā un netiek labotas, sauc par mutācijām, kas var izraisīt negatīvas sekas jaunā organisma attīstībā, tādēļ šūnā ir nepieciešamas vielas, kas regulētu DNS replikācijas procesu. Šīs speciālās vielas, kas piedalās un regulē replikācijas procesu, ir biokatalizatori jeb fermenti, kas ir specifiski tieši DNS replikācijas procesam, jo kā zināms organismā ir ļoti daudz dažādu fermentu, kas regulē visdažādākos organismā norisošos procesus. Fermenti, kas specializēti DNS replikācijai ir ļoti nozīmīgi, jo interesanti ir tas, ka tie ne tikai nodrošina DNS replikāciju, bet gan arī labo lielāko daļu kļūdas, kas ieviesušās DNS sintēzes procesā. Jāatzīst, ka fermenti nenodrošina pilnīgi precīzu un nekļūdīgu DNS sintēzi, bet kā zināms, arī nelielas mutācijas ir nepieciešamas, jo tās ir vienas no galvenajiem evolūcijas virzītājspēkiem. Procesu, kad fermenti organismā nodrošina kādas reakcijas esamību vai arī palielina šīs reakcijas efektivitāti, sauc par fermentatīvo katalīzi, tādēļ lai izprastu kādā veidā šūnas kodolā norisinās DNS replikācija, ir jāizprot ne tikai DNS uzbūve, struktūra un novietojums šūnā, bet arī fermentu uzbūve un to darbības principi. 3 1. Fermenti. Fermentatīvā katalīze Katalīze ir process, kuru veic katalizatori. Katalizatori ir vielas, kas piedalās ķīmiskajā reakcijā un palielina tās ātrumu, bet pēc reakcijas tās ir neizmainītā stāvoklī. Katalizatori ir vielas, kas nemaina ķīmisko līdzsvaru.(1) Fermentatīvo katalīzi jeb mikroheterogēno katalīzi veic īpaši biokatalizatori – enzīmi jeb fermenti. Fermenti ir īpaši katalītiskie proteīni. Fermentatīvā katalīze norisinās dzīvajos organismos un ir ļoti svarīga metabolisma sastāvdaļa, jo tā samazina aktivācijas enerģijas daudzumu, kas nepieciešama reakcijas veikšanai.(2) Lai izprastu fermentu darbību, ir jāizprot to uzbūve. Ir divu veidu fermenti – vienkāršie fermenti, kas sastāv no olbaltumvielām, un saliktie fermenti, kas sastāv gan no olbaltumvielām, gan kofaktora daļas. Kofaktors ir fermenta daļa, kas nav proteīns. Šī daļa var būt veidota gan no neorganiskām vielām, piemēram, metāla atomiem – cinka, dzelzs vai vara - , gan arī no organiskām molekulām. Ja kofaktors ir organiska molekula, tad to sauc par koenzīmu. Kofaktoram ir liela nozīme fermenta aktivitātes palielināšanā. (2) Ferments ir ļoti liela molekula, tāpēc katalīze nepiedalās visa molekula, bet gan tikai aktīvais centrs, kas saista substrātu – molekulu, kas jāpārveido. Parasti fermentam ir tikai viens aktīvais centrs, bet retos gadījumos var būt arī vairāki aktīvie centri, jo tas palielina reakcijas ātrumu. Saliktajos fermentos aktīvo centru parasti veido kofermenta daļa, bet vienkāršajos fermentos aktīvo centru veido noteiktā secībā sakārtotas aminoskābju funkcionālās grupas. Lai varētu notikt fermentatīvā katalīze, ir nepieciešami stingri noteikti apstākļi. Fermentiem ir ļoti šaurs intervāls, kurā tie ir aktīvi. Parasti tie darbojas temperatūrā, kas svārstās no 35 – 420C. Tā ir vidēja dzīvnieku ķermeņa temperatūra. Bet, ir arī īpaši fermenti, kuriem optimālā temperatūra ir ap 700C. Tie ir fermenti, kas atrodami baktēriju šūnās, jo daudzas no zināmajām baktērijām dzīvo vidē, kurā ir paaugstināta temperatūra. (2) Svarīgs ir arī pH diapazons. Optimālai fermentu aktivitātei pH diapazons svārstās no 6 – 8. Mainoties apstākļiem fermenta aktivitāte samazinās vai arī ferments pilnībā beidz funkcionēt. Nemainīgu pH nodrošina organisma iekšējās bufersistēmas – sistēmas, kurām ir noteikts pH un pievienojot nedaudz skābes vai bāzes sistēmas pH nemainās. Temperatūras paaugstināšanās izraisa fermenta denaturāciju – struktūras izmaiņas un degradāciju - , pH svārstības izsauc reakcijas, kad vidē esošie OH- vai H- joni reaģē ar fermenta funkcionālajām grupām. (3) Bet, ja ferments ir noteiktajos apstākļos, tad tā aktivitāte ir daudz lielāka nekā parastajiem katalizatoriem. Jāatzīst, ka fermentu darbība ir ļoti specifiska, jo katrs ferments 4 atbild tikai par noteikta substrāta saistīšanu un noteiktas saites sadalīšanu. To varētu uzskatīt, kā organisma aizsargreakciju pret kļūdām, kas varētu rasties, ja viens ferments spētu pārveidot vairākas substrāta molekulas. (1) Fermenta spēja pārveidot substrāta molekulu, ir saistīta ar to, ka ferments un substrāts ir apgriezti līdzīgi. Šo līdzību sauc par atslēgas – slēdzenes līdzības principu. Tikai jāatceras, ka fermenta un substrāta apgrieztā līdzība nav pilnīgi identiska, jo tādā gadījumā substrāts tik labi saistīsies ar fermentu, ka vēlamā reakcija nenotiks. (3) 1. att. Fermenta darbības princips. Atslēgas – slēdzenes līdzības principa shēma. Fermentatīvās katalīzes ātrumu nosaka vairāki apstākļi. o Ja substrāta koncentrācija ir neliela, tad katalīzes ātrums ir proporcionāls tā koncentrācijai. o Ja substrāta molekulu ir daudz, tad katalīzes ātruma pieaugums nav saistīt ar substrāta koncentrācijas pieaugumu, jo substrātam ir jāmeklē brīvi fermenta aktīvie centri, kuriem piesaistīties. o Ja substrāta molekulu daudzums šķīdumā ir tik liels, ka nav vairs brīvu fermenta aktīvo centru, tad reakcijas ātrums ieņem līdzsvara stāvokli un vairs nemainās. (3) Ne vienmēr fermenta darbība ir vēlama, tāpēc ir iespēja šo procesu arī palēnināt – inhibēt. Var procesu inhibēt atgriezeniski, tas nozīmē, ka fermenta aktivitāte zūd tikai uz laiku, bet var inhibēt arī neatgriezeniski, un tas nozīmē, ka šī fermenta struktūra tiek izmainīta tik ļoti, ka tā aktivitāte zūd pilnībā. (3) Ir vairāki atgriezeniskās inhibēšanas veidi: 1. Inhibēšana ar reakcijas produktiem. Tas ir organisma pašregulācijas princips. Ja kāda produkta ir par daudz, tad organismā tiek pārtraukta attiecīgā fermenta aktivitāte. 5 2. Konkurentā inhibēšana. Tas ir veids, kad organismā tiek ievadīts noteikts daudzums inhibitora, kas saistās ar fermentu. Kad pieaug substrāta koncentrācija līdz noteiktam līmenim, tad tas atdala inhibitoru no fermenta un stājas tā vietā. 3. Nekonkurentā inhibēšana. Tas nozīmē to, ka inhibitora molekula ar fermenta molekulu saistās tik ļoti, ka substrāts nespēj to aizstāt. Šis inhibēšanas process ir tik ilgs, kamēr inhibitorā molekula pārveidojas un tiek izvadīta no organisma. (1., 3.) Substrāts Aktīvais saits Enzīma inhibitors Enzīma aktivators Aktīvais saits, kas nav saistīts ar substrātu Substrāts Aktīvais saits Enzīms Substrāts saistās ar aktīvo centru Produkti atdalās no fermenta Inhibitors Aktīvais centrs Enzīms Inhibitors saistās ar aktīvo centru Inhibitors neļauj substrātam saistīties ar fermentu 2. att. fermentu aktivācijas un inaktivācijas shēma.(8) 6 Secinājumi: 1. 2. 3. Fermentatīvā katalīze ir ļoti svarīgs process visos dzīvajos organismos, jo tas Fermentatīvā katalīze ir sarežģīts process, kuru kontrilē gan pats organisms, veselā organismā katalīzes process tiek kontrolēts dažādos veidos, lai tas nodošina pietiekamu metabolisma ātrumu. gan ir iespēja to kontrolēt no ārienes. neizraisītu organisma bojāeju, bet gan palielinātu tā dzīvotspēju. 7 2. DNS DNS (dezoksiribonukleīnskābe) ir nukleīnskābe, kuras monomēri ir nukleotīdi. Tā ir gandrīz visu dzīvo organismu, izņemot daļu vīrusu, ģenētiskās informācijas nesēja šūnas kodolā. 1953. gadā dezoksiribonukleīnskābes struktūru atklāja divi zinātnieki – Džeimss Vatsons un Frānsiss Kriks. Par šo atklājumu zinātnieki 1962. gadā saņēma Nobela prēmiju fizioloģijā un medicīnā. Lielu ieguldījumu DNS dubultspirāles atklāšanā ieguldīja arī zinātniece Rozalinda Franklina. (2) Pēc uzbūves DNS ir lineārs polimērs. DNS nukleotīds sastāv no slāpekļa purīnbāzes (adenīna un guanīna) un piramidinbāzes (timīna un citozīna), monosaharīda – dezoksiribozes – un fosforskābes atlikuma. DNS nukleotīdu secība veido gēnus – vienību, kas atbild par noteikta proteīna sintēzi. (9) DNS struktūra ir dubulspiralizēta molekula. Abas DNS ķēdes savieno ūdeņraža saites starp slāpekļa bāzēm, kuras savienojas pēc komplimentaritātes principa – adenīns savienojās ar timīnu, bet guanīns ar citozīnu. Jāatzīmē tas, ka abas DNS ķēdes ir antiparalēlas. Tas ir ļoti svarīgi, jo šis fakts apgrūtina DNS replikāciju – DNS sintēzi, kas ir svarīga, lai varētu nodot šūnas ģenētisko informāciju meitšūnām.(5) Komplimentārais bāzu pāris Fosforskābes atlikums Nukleotīds Monosaharīd sdezoksiriboz e Dubultspiralizēta DNS molekula DNS struktūra. 3. att. DNS uzbūves shēma. 8 2.1 DNS replikācija DNS replikācija ir DNS sintēze, kas skaidrojama kā jaunas komplimentāras DNS ķēdes veidošana uz jau esošas DNS ķēdes pamata. DNS sintēze parasti notiek tad, kad šūna atrodas interfāzes S stadijā. (7) DNS replikācija ir ļoti svarīgs process, jo visa organisma ģenētiskā informācija glabājas iekodēta DNS nukleotīdu secībā. Ja DNS replikācijā tiek pielaista kāda kļūda, kas netiek izlabota, tad tās ietekmē veidojas mutācijas. Lai DNS spētu replicēties, ir nepieciešami vairāki fermenti, kas nodrošina replikācijas sākšanu un precīzu izpildi. Ļoti svarīgi fermenti ir DNS polimerāze, DNS helikāze, praimāze un DNS ligāze. Šie ir fermenti, bez kuriem nevarētu notikt DNS replikācija. DNS helikāze. DNS helikāze ir ferments, bez kura būtībā DNS replikācija nemaz nevarētu notikt, jo kā iepriekš minēts, tad DNS ir dubultspirāles struktūra, kas rada situāciju, ka to nemaz nevar nokopēt, pirms šī dubultspirāles struktūra nav izjaukta. Šo procesu – DNS dubultspirāles izjaukšanu – no drošina ferments DNS helikāze. Tad, kad DNS helikāze ir izjaukusi DNS dubultspirāles struktūru, tad ir iegūtas divas vienpavediena DNS matricas, uz kurām var sākt sintezēt jauno DNS ķēdi. To dara DNS polimerāze.(2) DNS polimerāze. DNS polimerāze ir ferments (enzīms), kurš katalizē jaunsintezējamā DNS pavediena elongāciju, tas ir, DNS ķēdes pagarināšanos, pievienojot DNS ķēdei jaunus nukleotīdus. DNS polimerāze vienmēr sintezē DNS pavedienu virzienā no 5'-3' galu. (4) Sintēzes procesā parasti rodas arī kļūdas, bet lielāko daļu no tām, DNS polimerāze ir spējīga pati arī izlabot. To sauc par eksonukleolītisko korektūru. Lielākā daļa no visām kļūdām parasti tiek izlabotas, paliek tikai apmēram 1 % kļūdu, kas kļūst par DNS mutācijām. (6) Tā kā DNS ir dubultspirāles struktūra, kurā abas ķēdes ir asimetriskas, tas rada situāciju, ka DNS polimerāze vienu DNS pavedienu var sintezēt nepārtraukti (vadošā ķēde), jo tas tiek veidots DNS replikācijas dakšas virzienā, bet otras ķēdes (atpaliekošā ķēde) sintēze ir apgrūtināta, jo tā ir jāsāk no replikācijas dakšas, pretējā virzienā. Tas rada situāciju, kuras rezultātā DNS polimerāze veido vairākus DNS fragmentus, jo DNS sintēze tiek uzsākta vairākās vietās vienlaicīgi, un ķēde tiek sintezēta līdz vietai, kur ir sākusies nākošās DNS ķēdes sintēze. 9 Tā rezultātā rodas daudzi DNS fragmenti – Okazaki fragmenti - , kas ir jāapvieno vienotā DNS ķēdē, tādēļ ir nepieciešams ferments, kas to realizē. DNS ligāze. DNS ligāze ir ferments (enzīms), kurš katalizē kovalentās saites veidošanos starp jaunsintezēta DNS fragmenta 3' galu un augošās DNS ķēdes 5' galu. Šim procesam DNS ligāze patērē ATP enerģiju. (2) Tas ir ferments, kas apvieno daudzos Okazaki fragmentus un izveido vienotu DNS ķēdi. DNS ligāze apvieno arī tos garos fragmentus, kas rodas vadošajā ķēdē, jo, lai nodrošinātu pietiekamu DNS replikācijas ātrumu, sintēze tiek uzsākta ļoti daudzās DNS spirāles vietās, un tad, kad DNS polimerāze nokļūst līdz vietai, kur sākta sintezēt nākamā DNS ķēde, tā pārtrauc sintēzi. Šajā procesā veidojas vairāki gari DNS posmi, kurus apvieno DNS ligāze. DNS ligāze „sašuj” arī tās DNS vietas, kurās veidojās pārrāvumi reparācijas gadījumā. Reparācija ir DNS ķēdes labošana, mutāciju iespējamības samazināšana. Reparācijas gadījumā bieži tiek „izgriezts” nepareizā sekvence – nukleotīdu secība – un aizstāta ar pareizu. (6) Praimāze. Praimāze ir ļoti svarīgs ferments, DNS replikācijā, jo būtībā bez tās nevarētu sākties DNS sintēze. DNS polimerāze sintezē jauno DNS ķēdi, bet tā nevar uzsākt sintēzi, ja tai nav kāda specializēta vieta šī procesa uzsākšanai. DNS polimerāzei ir nepieciešams praimeris, kas būtībā ir RNS sekvence, un šo mazo sekvencīti uzsintezē praimāze.(2) Pēc šīs sekvences DNS polimerāze atpazīst pareizo vietu uz DNS ķēdes un sāk pievienot tai jaunus nukleotīdus. Jāatzīst, ka RNS praimerī ir ļoti daudz ģenētisku kļūdu, kuras ir pielaidusi praimāze, bet tas nav tik svarīgi, jo pēc DNS ķēdes uzsintezēšanas, praimeris tiek nogriezts un tā vietā tiek uzsintezēta jauna DNS ķēde, kas vēlāk ar DNS ligāzes palīdzību tiek „sašūta” kopā ar kādu citu DNS jaunsintezēto ķēdi. Topoizomerāze. Topoizomerāze ir ferments, kas būtībā nodrošina DNS replikācijas drošību. Tā kā DNS ir dubultspirāle, tā mēdz savīties. Šādu savijušos dubultspirāli nevar atvērt DNS helikāze, tādēļ topoizomerāzes piestiprinās pie DNS savijumu vietām un atvij tās. Tas atkal nodrošina DNS helikāzes iespējas atdalīt DNS dubultspirāles struktūru. DNS fotoliāze. DNS fotoliāze ir ferments, kas nepiedalās DNS ķēdes sintēzē, bet gan tās labošanā – reparācijas procesā. 10 Piemēram, UV staru ietekmē no slāpekļa bāzēm – piramidīniem – var veidotirs dimēri. Šādā gadījumā DNS fotoliāze atrod dimēru un to atdala.(2) Secinājumi: 1. 2. 3. DNS ir sarežģīts organiskais savienojums, kas nodrošina ģenētiskās informācijas DNS replikācijai ir nepieciešami ļoti daudzi un dažādu funkciju fermenti. Visiem fermentiem, kas piedalās DNS replikācijā ir vienlieli svarīga nozīme. Ja glabāšanu un tās nodošanu meitšūnām. nebūtu kāds no fermentiem DNS replikācija nevarētu notikt vai arī jaunsintezētā DNS ķēde nebūtu derīga, jo tajā būtu pārāk daudz kļūdu. 4. DNS replikācija ir ļoti augsti koordinēts un regulēts process, kura rezultātā veidojas divas jaunas DNS ķēdes, kas nodrošina ģenētiskās informācijas nodošanu meitšūnām. Jāatzīst, ka nekad nodotā informācija nav pilnīgi identiska mātšūnas ģenētiskajai informācijai, jo vienmēr rodas kaut mazākās kļūdas DNS replikācijā, kas tiek nodotas tālāk mutāciju veidā, tikai svarīgi ir tas, vai šī mutācija ir nozīmīga un izraisa kādu būtisku procesu izmaiņas. 11 Kopsavilkums Darbā apkopota informācija par fermentu uzbūvi un to darbības pamatprincipiem, kā arī veidots apskats par DNS uzbūvi, tā replikāciju un fermentu nozīmi tajā. Darbs ir veidots ar mērķi izprast DNS replikācijas pamatprocesus un noskaidrot, cik liela nozīme DNS replikācijas procesā ir biokatalizatoriem jeb fermentiem. Pēc informācijas apkopošanas un analizēšanas var secināt, ka DNS replikācija ir viens no svarīgākajiem procesiem gan šūnā, gan arī visā organismā, jo tas nodrošina iespēju nodot ģenētisko informāciju nākamajām paaudzēm, kā arī DNS ir tā struktūra, kas sevī glabā visu informāciju par organismā nepieciešamajiem proteīniem un to precīzu sintēzi un apstrādi. Tas ir ļoti svarīgs process, jo proteīni ir viens no vissvarīgākajiem organiskajiem savienojumiem organismā, jo proteīni ir ne tikai organisma šūnu galvenā sastāvdaļa, bet no proteīniem sastāv arī lielākā daļa hormonu un fermentu, kas nodrošina gan organisma homeostāzi – iekšējās vides nemainīgumu -, gan arī daudzu citu organismam svarīgu funkciju precīzu un saskaņotu darbību. DNS replikācijas procesa precīzu un saskaņotu darbību nodrošina daudzi iepriekš pieminētie fermenti, kas vienlaikus nodrošina gan jaunas DNS ķēdes sintēzi, gan arī atbild par jaunuzsintezētās DNS ķēdes pareizību. Organismā visi procesi notiek saskaņoti un, ja kāds process vairs nerisinās noteiktajā sistēmā, tad organisma pastāvēšana ir apdraudēta. Visa organisma saskaņotu darbību nodrošina vielas un procesi, kas ir balstīti uz ķīmiskām likumsakarībām. 12 Literatūras saraksts 1. Bergmanis U., Meirovics I., Vītols P., Jansons E. Ķīmija. Rokasgrāmata skolēniem – R: Zvaigzne, 1994 2. Neil A. Campbell Biology (fourth edition)– Riversaid, University of California, 1996 3. Rauhvargers A. Vispārīgā ķīmija – R: Zinātne, 1996 4. http://latvijas.daba.lv/vardnica/lat-ang/03160320.htm 5. http://lv.wikipedia.org/wiki/Dezoksiribonukle%C4%ABnsk%C4%81be 6. http://priede.bf.lu.lv/grozs/MolekularasBiologijas/Ievads%20MolGen/LV/ 7. http://www.dzm.lv/bio/IT/B_11/images/Anim/5%20%20eikarotu%20shunu %20cikls%20_new.swf 8. http://www.miracleoftheenzyme.com/6_clip_image009.jp 9. http://www.neslimo.lv/client/product_guest_doc_data.php?doc_id=4013 13