Репликация ДНК – основные этапы. Репликация ДНК

Репликация - это механизм самокопирования и основное свойство наследственного материала, которым выступают молекулы ДНК.

Особенностью ДНК является то, что обычно ее молекулы состоит из двух комплементарных друг другу цепей, образующих двойную спираль. В процессе репликации цепи материнской молекулы ДНК расходятся, и на каждой строится новая комплементарная цепь. В результате из одной двойной спирали образуется две, идентичные исходной. Т. е. из одной молекулы ДНК образуются две, идентичные матричной и между собой.

Таким образом, репликация ДНК происходит полуконсервативным способом , когда каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую цепь и одну вновь синтезированную.

У эукариот репликация происходит в S-фазе интерфазы клеточного цикла.

Описанный ниже механизм и основные ферменты характерны для подавляющего большинства организмов. Однако бывают исключения, в основном среди бактерий и вирусов.

Расхождение цепей исходной молекулы ДНК обеспечивает фермент геликаза , или хеликаза , который в определенных местах хромосом разрывает водородные связи между азотистыми основаниями ДНК. Хеликазы перемещаются по ДНК с затратой энергии АТФ.

Чтобы цепочки снова не соединились, они удерживаются на расстоянии друг от друга дестабилизирующими белками . Белки выстраиваются в ряд со стороны пентозо-фосфатного остова цепи. В результате образуются зоны репликации, называемые репликационными вилками .

Репликационные вилки образуются не в любых местах ДНК, а только в точках начала репликации , состоящих из определенной последовательности нуклеотидов (около 300 штук). Такие места распознаются специальными белками, после чего образуется так называемый репликационный глаз , в котором расходятся две цепи ДНК.

Из точки начала репликация может идти как в одном, так и в двух направлениях по длине хромосомы. В последнем случае цепи ДНК расходятся вперед и назад, и из одного репликационного глазка образуются две репликационные вилки.

Репликон - единица репликации ДНК, от точки ее начала и до точки ее окончания.

Поскольку в ДНК цепи спирально закручены относительно друг друга, то разделение их хеликазой вызывает появление дополнительных витков перед репликационной вилкой. Чтобы снять напряжение, молекула ДНК должна была бы проворачиваться вокруг своей оси один раз на каждые 10 пар разошедшихся нуклеодидов, именно столько образуют один виток спирали. В таком случае ДНК бы быстро вращалась с затратой энергии. Но этого не происходит, т. к. природа нашла более эффективный способ справится с возникающим при репликации напряжением спирали.

Фермент топоизомераза разрывает одну из цепей ДНК. Отсоединенный участок проворачивается на 360° вокруг второй целой цепи и снова соединяется со своей цепью. Этим снимается напряжение, т. е. устраняются супервитки.

Каждая отдельная цепь ДНК старой молекулы используется в качестве матрицы для синтеза новой комплементарной себе цепи. Добавление нуклеотидов к растущей дочерней цепи обеспечивает фермент ДНК-полимераза . Существует несколько разновидностей полимераз.

В репликационной вилке к освободившимся водородным связям цепей согласно принципу комплиментарности присоединяются свободные нуклеотиды, находящиеся в нуклеоплазме. Присоединяющиеся нуклеотиды представляют собой дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дНТФ), а конкретно дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ.

После образования водородных связей фермент ДНК-полимераза связывает нуклеотид фосфоэфирной связью с последним нуклеотидом синтезируемой дочерней цепи. При этом отделяется пирофосфат, включающий два остатка фосфорной кислоты, который потом расщепляется на отдельные фосфаты. Реакция отщепления пирофосфата в результате гидролиза энергетически выгодна, так как связь между первым, который уходит в цепь, и вторым фосфатными остатками богата энергией. Эта энергия используется полимеразой.

Полимераза не только удлиняет растущую цепь, но и способна отсоединять ошибочные нуклеотиды, т. е. обладает корректирующей способностью. Если последний нуклеотид, который должен быть присоединен к новой цепи, не комплементарен матричному, то полимераза его удалит.

ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к -OH группе, находящейся при 3-м атоме углерода дезоксирибозы. Таким образом цепь синтезируется только со стороны своего 3´-конца. То есть синтез новой цепи ДНК идет в направлении от 5´- к 3´-концу. Поскольку в двуцепочечной молекуле ДНК цепи антипараллельны, то процесс синтеза по материнской, или матричной, цепи идет в обратном направлении – от 3´- к 5´-концу.

Поскольку цепи ДНК антипараллельны, а синтез новой цепи возможен только в направлении 5´→3´, то в репликационной вилке дочерние цепи будут синтезироваться в разных направлениях.

На матрице 3´→5´ сборка новой полинуклеотидной последовательности происходит по большей части непрерывно, так как эта цепь синтезируется в направлении 5´→3´. Антипараллельная матрица характеризуется 5´→3´ направлением, поэтому синтез дочерней цепи по ходу движения вилки здесь не возможен. Здесь он был бы 3´→5´, но ДНК-полимера не может присоединять к 5´-концу.

Поэтому синтез на матрице 5´→3´ выполняется небольшими участками - фрагментами Оказаки (названы в честь открывшего их ученого). Каждый фрагмент синтезируется в обратном ходу образования вилки направлении, что обеспечивает соблюдение правила сборки от 5´- к 3´-концу.

Другим «недостатком» полимеразы является то, что она не может сама начать синтез участка дочерней цепи. Причина этого кроется в том, что ей необходим -OH-конец нуклеотида, уже соединенного с цепью. Поэтому необходима затравка , или праймер . Им выступает короткая молекула РНК, синтезируемые ферментом РНК-праймазой и спаренная с матричной цепью ДНК. Синтез каждого участка Оказаки начинается со своей РНК-затравки. Та цепь, которая синтезируется непрерывно, обычно имеет один праймер.

После удаления праймеров и застраивания брешей ДНК-полимеразой отдельные участки дочерней цепи ДНК сшиваются между собой ферментом ДНК-лигазой .

Непрерывная сборка идет быстрее, чем фрагментарная. Поэтому одна из дочерних цепей ДНК называется лидирующей , или ведущей, вторая - запаздывающей, или отстающей .

У прокариот репликация протекает быстрее: примерно 1000 нуклеотидов в секунду. В то время как у эукариот только около 100 нуклеотидов. Количество нуклеотидов в каждом фрагменте Оказаки у эукариот составляет примерно до 200, у прокариот - до 2000.

У прокариот кольцевые молекулы ДНК представляют собой один репликон. У эукариот каждая хромосома может содержать множество репликонов. Поэтому синтез начинается в нескольких точках, одновременно или нет.

Ферменты и другие белки репликации действуют совместно, образуя комплекс и двигаясь по ДНК. Всего в процессе участвует около 20 разных белков, здесь были перечислены лишь основные.

Репликация ДНК - это процесс ее удвоения перед делением клетки. Иногда говорят «редупликация ДНК». Удвоение происходит в S-фазе интерфазы клеточного цикла .

Очевидно, самокопирование генетического материала в живой природе есть необходимость. Только так дочерние образующихся при делении клетки могут содержать столько же ДНК, сколько его изначально было в исходной. Благодаря репликации все генетически запрограммированные особенности строения и метаболизма передаются в ряду поколений.

В процессе деления клетки каждая молекула ДНК из пары идентичных отходит в свою дочернюю клетку. Таким образом обеспечивается точная передача наследственной информации.

При синтезе ДНК потребляется энергия, т. е. это энергозатратный процесс.

Механизм репликации ДНК

Молекула ДНК сама по себе (без удвоения) представляет собой двойную спираль. В процессе редупликации водородные связи между двумя ее комплементарными цепями разрываются. И на каждой отдельной цепи, которая теперь служит шаблоном-матрицей, строится новая комплиментарная ей цепь. Таким образом образуются две молекулы ДНК. У каждой одна цепь достается ей от материнской ДНК, вторая - вновь синтезированная. Поэтому механизм репликации ДНК является полуконсервативным (одна цепь старая, одна новая). Такой механизм репликации был доказан в 1958 году.

В молекуле ДНК цепи антипараллельны. Это значит, что одна нить идет в направлении от 5" конца к 3", а комплементарная ей - наоборот. Цифры 5 и 3 обозначают номера атомов углерода в дезоксирибозе, входящей в состав каждого нуклеотида. Через эти атомы нуклеотиды связаны между собой фосфодиэфирными связями. И там, где у одной цепи 3" связи, у другой - 5", так как она перевернута, т. е. идет в другом направлении. Для наглядности можно представить, что вы положили руку на руку, как первоклашка, сидящий за партой.

Основной фермент, который выполняет наращивание новой нити ДНК, способен делать это только в одном направлении. А именно: присоединять новый нуклеотид только к 3" концу. Таким образом, синтез может идти только в направлении от 5" к 3".

Цепи антипараллельны, значит синтез должен идти на них в разных направлениях. Если бы цепи ДНК сначала полностью расходились, а потом на них уже строилась новая комплементарная, то это не было бы проблемой. В действительности же цепи расходятся в определенных точках начала репликации , и в этих местах на матрицах сразу начинается синтез.

Формируются так называемые репликационные вилки . При этом на одной материнской цепи синтез идет в сторону расхождения вилки, и этот синтез происходить непрерывно, без разрывов. На второй матрице синтез идет в обратную сторону от направления расхождения цепей исходной ДНК. Поэтому такой обратный синтез может идти только кусками, которые называются фрагментами Оказаки . Позже такие фрагменты «сшиваются» между собой.

Дочерняя цепь, которая реплицируется непрерывно, называется лидирующей, или ведущей . Та, которая синтезируется через фрагменты Оказаки, - запаздывающей, или отстающей , так как фрагментарная репликация выполняется медленнее.

На схеме нити родительской ДНК постепенно расходятся в направлении, в котором идет синтез ведущей дочерней цепи. Синтез отстающей цепи идет в обратную расхождению сторону, поэтому вынужден выполняться кусками.

Другой особенностью основного фермента синтеза ДНК (полимеразы) является то, что он не может сам начать синтез, только продолжить. Ему необходима затравка, или праймер . Поэтому на родительской нити сначала синтезируется небольшой комплементарный участок РНК, потом уже происходит наращивание цепи с помощью полимеразы. Позже праймеры удаляются, дыры застраиваются.

На схеме затравки показаны только на отстающей цепи. На самом деле они есть и на лидирующей. Однако здесь нужен только один праймер на вилку.

Поскольку цепи материнской ДНК не всегда расходятся с концов, а в точках инициализации, то на самом деле формируются не столько вилки, сколько глазки, или пузыри.

В каждом пузыре может быть две вилки, т. е. цепи будут расходиться в двух направлениях. Однако могут только в одном. Если все же расхождение двунаправлено, то из точки инициализации на одной нити ДНК синтез будет идти в двух направлениях - вперед и назад. При этом в одну сторону будет выполняться непрерывный синтез, а в другую - фрагментами Оказаки.

ДНК прокариот не линейна, а имеет кольцевую структуру и лишь одну точку начала репликации.

На схеме красным и синим цветом показаны две нити родительской молекулы ДНК. Новые синтезирующиеся нити показаны пунктиром.

У прокариот самокопирование ДНК выполняется быстрее, чем у эукариот. Если скорость редупликации у эукариот составляет сотни нуклеотидов в секунду, то у прокариот достигает тысячи и более.

Ферменты репликации

Репликацию ДНК обеспечивает целый комплекс ферментов, который называется реплисомой . Всего ферментов и белков репликации более 15. Ниже перечислены наиболее значимые.

Основным ферментом репликации является уже упомянутая ДНК-полимераза (на самом деле существует несколько разных), которая непосредственно осуществляет наращивание цепи. Это не единственная функция фермента. Полимераза способна «проверять», какой нуклеотид пытается присоединиться к концу. Если неподходящий, то она его удаляет. Другими словами, частичная репарация ДНК, т. е. ее исправление ошибок репликации, происходит уже на этапе синтеза.

Нуклеотиды, находящиеся в нуклеоплазме (или цитоплазме у бактерий), существуют в форме трифосфатов, т. е. это не нуклеотиды, а дезоксинуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дТТФ, дГТФ, дЦТФ). Они похожи на АТФ , у которой три фосфатных остатка, два из которых связаны макроэргической связью. При разрыве таких связей выделяется много энергии. Также и у дезоксинуклеозидтрифосфатов две связи макроэргические. Полимераза отделяет два последних фосфата и использует выделяющуюся энергию на реакцию полимеризации ДНК.

Фермент хеликаза разделяет нити матричной ДНК, разрывая водородные связи между ними.

Поскольку молекула ДНК представляет собой двойную спираль, то разрыв связей провоцирует еще большее ее скручивание. Представьте канат из двух закрученных относительно друг друга веревок, и вы с одной стороны за концы тянете одну вправо, другую - влево. Сплетенная часть станет еще больше скручиваться, будет более тугой.

Для устранения подобного напряжения необходимо, чтобы еще неразошедшаяся двойная спираль быстро крутилась вокруг своей оси, «сбрасывая» возникающую сверхспирализацию. Однако это слишком энергозатратно. Поэтому в клетках реализуется другой механизм. Фермент топоизомераза разрывает одну из нитей, пропускает через разрыв второю и снова сшивает первую. Чем и устраняются возникающие супервитки.

Разошедшиеся в результате действия хеликазы нити матричной ДНК пытаются опять соединиться своими водородными связями. Чтобы этого не произошло, в действие вступают ДНК-связывающие белки . Это не ферменты в том понимании, что реакций они не катализируют. Такие белки прикрепляются к нити ДНК на всем ее протяжении и не дают комплементарным цепям матричной ДНК сомкнуться.

Праймеры синтезируются РНК-праймазой . А удаляются экзонуклеазой . После удаления праймера «дыру» застраивает другой тип полимеразы. Однако при этом отдельные участки ДНК не сшиваются.

Отдельные части синтезируемой цепи сшиваются таким ферментом репликации как ДНК-лигаза .

Реплика́ция ДНК - процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15-20 различных белков, называемый реплисомой

История изучения

Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм репликации называется полуконсервативным. В настоящее время этот механизм считается доказанным благодаряопытам Мэтью Мезельсона и Франклина Сталя (1958 г.) . Ранее существовали и две другие модели: «консервативная» - в результате репликации образуется одна молекула ДНК, состоящая только из родительских цепей, и одна, состоящая только из дочерних цепей; «дисперсионная» - все получившиеся в результате репликации молекулы ДНК состоят из цепей, одни участки которых вновь синтезированы, а другие взяты из родительской молекулы ДНК.

Общие представления

Репликация ДНК - ключевое событие в ходе деления клетки. Принципиально, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определёнными механизмами регуляции репликации ДНК. Репликация проходит в три этапа:

инициация репликации

элонгация

терминация репликации.

Регуляция репликации осуществляется в основном на этапе инициации. Это достаточно легко осуществимо, потому что репликация может начинаться не с любого участка ДНК, а со строго определённого, называемого сайтом инициации репликации. В геноме таких сайтов может быть как всего один, так и много. С понятием сайта инициации репликации тесно связано понятиерепликон . Репликон - это участок ДНК, который содержит сайт инициации репликации и реплицируется после начала синтеза ДНК с этого сайта. Геномы бактерий, как правило, представляют собой один репликон, это значит, что репликация всего генома является следствием всего одного акта инициации репликации. Геномы эукариот (а также их отдельные хромосомы) состоят из большого числа самостоятельных репликонов, это значительно сокращает суммарное время репликации отдельной хромосомы. Молекулярные механизмы, которые контролируют количество актов инициации репликации в каждом сайте за один цикл деления клетки, называются контролем копийности. В бактериальных клетках помимо хромосомной ДНК часто содержатся плазмиды, которые представляют собой отдельные репликоны. У плазмид существуют свои механизмы контроля копийности: они могут обеспечивать синтез как всего одной копии плазмиды за клеточный цикл, так и тысяч копий .

Репликация начинается в сайте инициации репликации с расплетания двойной спирали ДНК, при этом формируется репликационная вилка - место непосредственной репликации ДНК. В каждом сайте может формироваться одна или две репликационные вилки в зависимости от того, является ли репликация одно- или двунаправленной. Более распространена двунаправленная репликация. Через некоторое время после начала репликации в электронный микроскоп можно наблюдать репликационный глазок - участок хромосомы, где ДНК уже реплицирована, окружённый более протяжёнными участками нереплицированной ДНК .

В репликационной вилке ДНК копирует крупный белковый комплекс (реплисома), ключевым ферментом которого является ДНК-полимераза. Репликационная вилка движется со скоростью порядка 100 000 пар нуклеотидов в минуту у прокариот и 500-5000 - у эукариот .

Молекулярный механизм репликации

Ферменты (хеликаза, топоизомераза) и ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностью ДНК-полимеразы, способной распознать и исправить ошибку. Репликация у эукариот осуществляется несколькими разными ДНК-полимеразами. Далее происходит закручивание синтезированных молекул по принципусуперспирализации и дальнейшей компактизации ДНК. Синтез энергозатратный.

Цепи молекулы ДНК расходятся, образуют репликационную вилку, и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.

Характеристики процесса репликации

матричный - последовательность синтезируемой цепи ДНК однозначно определяется последовательностью материнской цепи в соответствии с принципом комплементарности;

полуконсервативный - одна цепь молекулы ДНК, образовавшейся в результате репликации, является вновь синтезированной, а вторая - материнской;

идёт в направлении от 5’-конца новой молекулы к 3’-концу;

полунепрерывный - одна из цепей ДНК синтезируется непрерывно, а вторая - в виде набора отдельных коротких фрагментов (фрагментов Оказаки);

начинается с определённых участков ДНК, которые называются сайтами инициации репликации

Нуклеиновые кислоты играют большую роль в обеспечении жизнедеятельности клеток живых организмов. Важным представителем этой группы органических соединений является ДНК, которая несет всю генетическую информацию и отвечает за проявление необходимых признаков.

Что такое репликация?

В процессе деления клеткам необходимо увеличить количество нуклеиновых кислот в ядре, чтобы не произошла потеря генетической информации в процессе. В биологии репликация - это удвоение ДНК путем синтеза новых цепей.

Основная цель этого процесса заключается в передаче генетической информации дочерним клеткам в неизменном виде без каких-либо мутаций.

Ферменты и белки репликации

Удвоение молекулы ДНК можно сравнить с любым метаболическим процессом в клетке, для которого необходимы соответствующие белки. Так как в биологии репликация - это важная составляющая клеточного деления, соответственно, немало вспомогательных пептидов здесь участвуют.

• ДНК-полимераза - важнейший фермент редупликации, который отвечает за синтез дочерней цепи В цитоплазме клетки в процессе репликации обязательно присутствие нуклеиновых трифосфатов, которые приносят все нуклеиновые основания.

Эти основания являются мономерами нуклеиновой кислоты, поэтому из них строится вся цепочка молекулы. ДНК-полимераза отвечает за процесс сборки в правильном порядке, иначе неизбежно появление всевозможных мутаций.

• Праймаза - белок, который отвечает за формирование затравки на матричной цепи ДНК. Эта затравка называется также праймер, она имеет Для фермента ДНК-полимераза важно наличие начальных мономеров, с которых возможен дальнейший синтез всей полинуклеотидной цепочки. Эту функцию выполняет праймер и соответствующий ему фермент.
• Хеликаза (геликаза) формирует репликационную вилку, которая представляет собой расхождение матричных цепей путем разрыва водородных связей. Так полимеразам проще подойти к молекуле и начать синтез.
• Топоизомераза. Если представить молекулу ДНК в виде закрученной веревки, при продвижении полимеразы по цепи будет формироваться положительное напряжение из-за сильного скручивания. Эту проблему решает топоизомераза - фермент, который на короткое время разрывает цепочку и разворачивает при этом всю молекулу. После чего поврежденное место сшивается вновь, а ДНК не испытывает напряжения.
• Ssb-белки, как грозди, присоединяются к цепям ДНК в репликационной вилке, чтобы предупредить повторное формирование водородных связей раньше окончания процесса редупликации.
• Лигаза. заключается в сшивании фрагментов Оказаки на отстающей цепи молекулы ДНК. Происходит это путем вырезания праймеров и встраивания на их месте нативных мономеров дезоксирибонуклеиновой кислоты.

В биологии репликация - это сложный многоступенчатый процесс, который предельно важен при делении клеток. Поэтому использование различных белков и ферментов необходимо для эффективного и правильного синтеза.

Механизм редупликации

Существует 3 теории, которые объясняют процесс удвоения ДНК:

1. Консервативная утверждает, что одна дочерняя молекула нуклеиновой кислоты имеет матричную природу, а вторая полностью синтезирована с нуля.
2. Полуконсервативная предложена Уотсоном и Криком и подтверждена в 1957 году в опытах на E. Coli. Эта теория гласит, что обе дочерние молекулы ДНК имеют одну старую цепочку и одну новосинтезированную.
3. Дисперсивный механизм основан на теории о том, что дочерние молекулы имеют по всей длине чередующиеся участки, состоящие как из старых, так и из новых мономеров.

Сейчас научно доказана полуконсервативная модель. Что такое репликация на молекулярном уровне? В начале хеликаза разрывает водородные связи молекулы ДНК, открывая тем самым обе цепи для фермента полимеразы. Последние после формирования затравок начинают синтез новых цепей в направлении 5’-3’.

Свойство антипараллельности ДНК является основной причиной формирования, лидирующей и отстающей цепей. На лидирующей цепи ДНК-полимераза движется беспрерывно, а на отстающей она формирует фрагменты Оказаки, которые в будущем будут соединены с помощью лигазы.

Особенности репликации

Сколько молекул ДНК в ядре после репликации? Сам процесс подразумевает удвоение генетического набора клетки, поэтому в синтетический период митоза диплоидный набор имеет в два раза больше молекул ДНК. Такая запись обычно помечается как 2n 4c.

Кроме биологического смысла репликации ученые нашли применение процесса в различных сферах медицины и науки. Если в биологии репликация - это удвоение ДНК, то в лабораторных условиях размножение молекул нуклеиновой кислоты используется для создания нескольких тысяч копий.

Такой метод получил название полимеразной цепной реакции (ПЦР). Механизм этого процесса схож с репликацией in vivo, поэтому для его протекания применяются аналогичные ферменты и буферные системы.

Выводы

Репликация имеет важное биологическое значение для живых организмов. Передача при делении клеток не обходится без удвоения молекул ДНК, поэтому на всех этапах важна слаженная работа ферментов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургская Химико-Фармацевтическая Академия

Кафедра биологической химии

на тему: Молекулярный механизм репликации ДНК

Выполнила:

студентка 3 курса 328 группы

Дубовая Юлия

Введение

Цель работы:

· самостоятельно освоить элективный курс по биохимии, который называется «Биохимия с основами молекулярной биологии», по выбранной теме; инициация биосинтез молекула

· представить материал руководящему данным курсом преподавателю.

Репликация

Репликация - это такой матричный процесс, в ходе которого на основе одной молекулы ДНК синтезируется 2 дочерние молекулы ДНК, идентичные друг другу и материнской копии. Следовательно, биологический смысл репликации заключается в удвоении генетического материала, который необходимо распределить по дочерним клеткам.

По имеющимся данным, в репликации ДНК, включающей узнавание точки начала процесса, расплетение родительских цепей ДНК в репликационной вилке, инициацию биосинтеза дочерних цепей и дальнейшую их элонгацию и, наконец, окончание (терминация) процесса, участвует более 40 ферментов и белковых факторов, объединенных в единую ДНК-репликазную систему, называемую реплисомой.

Процесс идет по правилу комплементарности полуконсервативным способом. Полуконсервативность означает, что в состав дочерней молекулы входит одна материнская цепь и одна дочерняя. Именно это обеспечивает идентичность дочерних молекул.

Полуконсервативный характер репликации был доказан Дж. Тейлором (в 1958 г.) на митотических клетках корешков бобов Vicia faba. Семена проращивали на среде, содержащей меченый 3Н- тимидин (ТТФ, содержащий радиоактивный водород). Радиоактивная метка включалась в ДНК, и обнаруживалась в хромосомах делящихся клеток с помощью радиоаутографии. Когда корешки перенесли в среду без метки, во вновь синтезированные цепи ДНК включался только немеченый тимидин. После одного деления клеток в нормальной среде метку обнаруживали в обеих хроматидах метафазных хромосом, однако ее количество было меньшим наполовну, так как метка оставалась только в «материнской» нити ДНК, а вновь синтезированная нить была уже без метки. А после второго деления - одна хроматида содержала метку, другая не содержала метки. Эти результаты согласуются с представлением о том, что хроматида состоит из одной молекулы ДНК, и ДНК реплицируется полуконсервативно. Позднее Дж. Тэйлор показал, что таким же образом реплицируются молекулы ДНК при удвоении хроматид (в S-фазе клеточного цикла) перед мейотическим делением.

Инициация репликации

Синтез ДНК у эукариотов происходит в S-фазу клеточного цикла. Инициацию репликации регулируют специфические сигнальные белковые молекулы - факторы роста. Факторы роста связываются рецепторами мембран клеток, которые передают сигнал, побуждающий клетку к началу репликации.

Синтез новых одноцепочечных молекул ДНК может произойти только при расхождении родительских цепей. В определённом сайте (точка начала репликации или «сайт инициации» или ориджины) происходит локальная денатурация ДНК, цепи расходятся и образуются две репликативные вилки, движущиеся в противоположных направлениях.

В образовании репликативной вилки принимает участие ряд белков и ферментов. Так, семейство ДНК-топоизомераз (I, II и III), обладая нуклеазной активностью, участвует в регуляции суперспирализации ДНК. Например, ДНК-топоизомераза I разрывает фосфоэфирную связь в одной из цепей двойной спирали и ковалентно присоединяется к 5"-концу в точке разрыва. По окончании формирования репликативной вилки фермент ликвидирует разрыв в цепи и отделяется от ДНК.

Участие ДНК-топоизомеразы I в образовании репликативной вилки. 1 - фермент расщепляет одну цепь ДНК; между остатком тирозина молекулы фермента и фосфорным остатком цепи образуется ковапентная связь; 2 - происходит локальное раскручивание двойной спирали при участии ДНК-хеликазы; ДНК-топоизомераза I восстанавливает фосфоэфирную связь.

Разрыв водородных связей в двухцепочечной молекуле ДНК осуществляет ДНК-хеликаза. Фермент ДНК-хеликаза использует энергию АТФ для расплетения двойной спирали ДНК.

В результате происходит раскручивание участка суперспирализованной молекулы ДНК. В поддержании этого участка ДНК в раскрученном состоянии участвуют SSB-белки (от англ, single strand binding proteins, т.е. белки, связывающиеся с одноцепочечными нитями ДНК). SSB-белки, не закрывая азотистых оснований, связываются с одноцепочечной ДНК по всей длине разделившихся цепей и таким образом предотвращают их комплементарное скручивание и образование "шпилек". Они обладают большим сродством к одноцепочечным участкам ДНК, независимо от первичной структуры цепей.

Элонгация

Репликация ДНК осуществляется ДНК-зависимыми ДНК-полимеразами. Данный фермент обладает некоторыми свойствами:

1. Фермент не может начинать синтез. Он не умеет присоединяться к одноцепочечному участку, он может сесто только на двойную цепь. Поэтому синтез начинает фермент РНК-полимераза, который синтезирует небольшой фрагмент РНК, что дает возможность сесть ДНК-полимеразе.

2. Фермент осуществляет синтез только в одном направлении, причем от 5" к 3" концу, т.е. фермент всегда наращивает 3" конец копии. Нет ферментов, способных наращивать 5" конец.

3. Субстратом для работы фермента является энергия нуклеотидтрифосфатов (АТФ, ГТФ)

В синтезе эукариотических ДНК принимают участие 5 ДНК-полимераз (б, в, г, д, е). ДНК-полимеразы различают по числу субъединиц, молекулярной массе, ассоциации с разными вспомогательными белками, ускоряющими процесс биосинтеза ДНК, и функциональному назначению. ДНК-полимеразы б (альфа), в (бета), д (дельта), е (эпсилон) участвуют в синтезе ДНК в ядре клеток, ДНК-полимераза г (гамма) - в репликации митохондриальной ДНК.

ДНК-полимеразы в, д, е не могут инициировать образование дочерних цепей, так как не имеют сродства к одиночной нити ДНК. Инициирует репликацию ДНК-полимераза б, которая комплементарна определённому сайту одноцепо-чечной ДНК. Присоединяясь к нему, ДНК-полимераза а синтезирует небольшой фрагмент РНК - праймер, состоящий из 8-10 рибонуклеотидов. ДНК-полимераза а состоит из четырёх субъединиц. Каждая из субъединиц фермента выполняет определённую функцию: "узнавание" сайта репликации, синтез праймера (8-10 рибонуклеотидов), синтез фрагмента цепи ДНК, около 50 дезоксирибонуклеотидов. Таким образом, ДНК-полимераза б синтезирует олигонуклеотид, содержащий примерно 60 нуклеотидных остатков; первые 8-10 представлены рибонуклеотидами (праймер), а остальные - дезоксирибонуклеотидами.

ДНК-полимераза д последовательно наращивает цепь, шаг за шагом присоединяя к ней соответствующие дезоксинуклеотиды. Выбор ДНК-полимеразой д очередного нуклеотида определяется матрицей. Включение дезоксирибонуклеозидмонофосфатов в растущую цепь ДНК сопровождается гидролизом макроэргических связей соответствующих нуклеозидтрифосфатов и отщеплением пирофосфата (Н4Р2О7). Энергия макроэргических связей расходуется на образование 3",5"-фосфодиэфирной связи между последним нуклеотидом растущей цепи ДНК и присоединяемым нуклеотидом. Включение нуклеотида в синтезируемую цепь ДНК невозможно без предварительного связывания азотистого основания водородными связями с комплементарным нуклеотидом матричной цепи. ДНК-полимеразы (б, в, г, д, е) могут синтезировать нуклеотидную цепь только в направлении 5">3", матричная цепь всегда считывается в направлении 3">5".

В каждой репликативной вилке идёт одновременно синтез двух новых (дочерних) цепей. Направление синтеза цепи ДНК совпадает с направлением движения репликативной вилки лишь для одной из вновь синтезируемых цепей (лидирующая цепь). На второй матричной цепи синтез дочерней ДНК осуществляется двумя ферментами: ДНК-полимеразой б и ДНК-полимеразой е в направлении 5">3", но против движения репликативной вилки.

Поэтому вторая цепь синтезируется прерывисто, короткими фрагментами, которые называют "фрагменты Оказаки" (по имени открывшего их исследователя). Дочерняя цепь ДНК, синтез которой происходит фрагментами, называют отстающей цепью. Каждый фрагмент Оказаки, примерно 100 нуклеотидных остатков, содержит праймер. Праймеры удаляет ДНК-полимераза в, постепенно отщепляя с 3"-конца фрагмента по одному рибонуклеотиду. К ОН-группе на 3"-конце предыдущего фрагмента ДНК-полимераза в присоединяет дезоксирибонуклеотиды в количестве, равном вырезанному праймеру и таким образом заполняет брешь, возникающую при удалении рибонуклеотидов.

Фермент ДНК-лигаза катализирует образование фосфодиэфирной связи между 3"-ОН-группой дезоксирибозы одного фрагмента цепи ДНК и 5"-фосфатом следующего фрагмента. Реакция протекает с затратой энергии АТФ. Таким образом, из множества фрагментов Оказаки образуется непрерывная цепь ДНК.

Терминация

После завершения репликации хромосомы 5"-концы дочерних цепей ДНК недостроены, так как после удаления праймеров эти фрагменты оказываются недореплицированными. Это происходит потому, что ДНК-полимераза в, отвечающая за заполнение бреши, образованной после удаления праймера, не может вести синтез цепи ДНК от 3"- к 5"-концу (рис. А).

Таким образом, в ходе каждого цикла репликации 5"-концы синтезированных цепей укорачиваются. Но такие потери не представляют опасности для генетической информации хромосом, потому что укорочение ДНК идёт за счёт теломер. Во время следующего цикла репликации 5"-концы цепей ДНК опять остаются недостроенными. Таким образом, с каждым клеточным делением ДНК хромосом будут последовательно укорачиваться. Укорочение теломер в большинстве клеток по мере их старения - важный фактор, определяющий продолжительность жизни организма.

Однако в эмбриональных и других быстроделящихся клетках потери концов хромосом недопустимы, потому что укорочение ДНК будет происходить очень быстро. В эукариотических клетках имеется фермент теломераза (нуклеотидилтрансфераза), обеспечивающий восстановление недореплицированных 5"-концов. К особенностям этого фермента относят присутствие в качестве простетической группы РНК. Фрагмент РНК в активном центре теломеразы служит матрицей при синтезе теломер-ных повторов хромосом.

С помощью РНК фермент комплементарно прикрепляется к 3"-концу недостроенной дочерней цепи ДНК. Теломераза по принципу комплементарности последовательно удлиняет 3"-конец цепи ДНК на один гексануклеотид -GGGTTA-. Синтез всегда идёт от 5"- к 3"-концу. Затем теломераза смещается по цепи ДНК на один теломер и начинает синтез нового фрагмента -GGGTTA- (рис. Б).

А - на рисунке показано укорочение вновь синтезированных цепей ДНК после удаления праймеров; Б - в состав теломеразы входит короткая молекула РНК, содержащая в активном центре последовательность нук-леотидов, комплементарную теломерному повтору; 1 - фермент прикрепляется за счёт взаимодействия РНК с существующей теломерой и добавляет последовательно по одному нуклеотиду фрагмент -GGGTTA-. Матрицей служит простетическая группа теломеразы - фрагмент РНК; 2 - фермент перемещается по нити ДНК таким образом, что РНК-матрица в составе теломеразы постоянно комплементарно связана с концом вновь синтезированного теломерного повтора. Заново синтезированная тело-мерная ДНК служит матрицей для удлинения второй цепи ДНК, но уже в ходе следующего цикла клеточного деления. Теломер-ный повтор на рисунке взят в квадратные скобки --.

В большинстве соматических клеток теломераза неактивна, так как соматическая клетка имеет длину теломерной ДНК, достаточную для времени жизни клетки и её потомства. Однако небольшую активность теломеразы обнаруживают в клетках с высокой скоростью обновления, таких как лимфоциты, стволовые клетки костного мозга, клетки эпителия, эпидермиса кожи и др.

Список использованной литературы

1. Биохимия: Учебник / Под ред. Е.С.Северина. - 3-е изд., испр. - М.: Гэотар-Медиа, 2005. - 784 с

2. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами./ Под ред. Е.С.Северина и А.Я.Николаева. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Гоэтар Мед, 2002.- 448 с.

3. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химии: Учебник. -3-е изд. переработ. и доп.- М.: Медицина, 1998. -704 с.

4. Комов В.П. Биохимия: Учебник для вузов / В.П.Комов, В.Н.Шведова. - М.: Дрофа, 2004. - 640 с.

5. Николаев А.Я. Биологическая химия. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.:2004. - 556 с.

6. Строев Е.А. Биологическая химия: Учебник для фармац. ин-тов и фармац. фак. мед. ин-тов. - М.: Высшая школа, 1986. - 479 с.

7. Сайт http://www.xumuk.ru/biologhim/

8. Презентация с сайта http://www.bio.bsu.by/genetics/files/molbiol_of_the_gene_10.pdf

9. Картинки с сайта http://yandex.ru/

10. Материалы лекций (неакадемические)

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Основные виды нуклеиновых кислот. Строение и особенности их строения. Значение нуклеиновых кислот для всех живых организмов. Синтез белков в клетке. Хранение, перенос и передача по наследству информации о структуре белковых молекул. Строение ДНК.

презентация , добавлен 19.12.2014


Анализ белковых веществ. Определение количества белков в тканях по содержанию в них общего азота. Молекулярный вес белков. Цифры, характеризующие молекулярные вес. Форма белковых молекул, их растворимость. Первые исследования о составе белковых веществ.

реферат , добавлен 24.03.2009


Процесс самовоспроизведения ДНК, удвоение молекул нуклеиновых кислот. Механизм и принципы репликации (редупликации). Строение репликативной вилки и ферменты; ДНК-полимераза. Образование репликационного глазка с одной или двумя репликационными вилками.

презентация , добавлен 24.11.2014


Регуляция метаболизма как управление скоростью биохимических процессов. Регуляция биосинтеза белков и особенности процесса репликации. Транскрипция генетической информации, механизм катаболитной репрессии, регуляция на этапе терминации транскрипции.

контрольная работа , добавлен 26.07.2009


Пространственное упорядочение двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот в результате "энтальпийной конденсации" и наноконструкции на основе этих молекул. Области применения наноконструкции на основе двухцепочечных молекул ДНК. Нуклеиновые кислоты.

курсовая работа , добавлен 15.12.2014


История изучения нуклеиновых кислот как биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды, функции и значение в жизнедеятельности организма. Правила Чаргаффа. Первичная и вторичная структура ДНК. Особенности репликации у эукариот, ее разновидности.

презентация , добавлен 05.11.2014


Понятие и закономерности репликации как процесса образовании идентичных копий ДНК для передачи генетической информации в поколениях клеток и организмов. Схема полуконсервативной репликации, ее основные этапы и принципы, участвующие цепи, факторы влияния.

презентация , добавлен 17.11.2015


Лизосомы как гетерогенные органеллы, разнообразие их форм и типов, роль и значение в организме. Механизм транспорта молекул в лизосомы и зависимость данного процесса от источника молекул. Этапы образования лизосом. Механизм узнавания лизосомных белков.

реферат , добавлен 25.11.2010


Роль ДНК при хранении и передаче генетической информации в живых организмах. Основные свойства нуклеиновых кислот. Рентгеноструктурный анализ молекул ДНК. Исследование пространственной структуры белков. Создание трёхмерной модели ДНК Криком-Уотсоном.

презентация , добавлен 14.12.2011


Информация о строении белков. Матричный принцип. Генетическая роль нуклеиновых кислот. Центральная догма молекулярной биологии. Репликция, репарация и полуконсервативность. Недорепликация концов линейных молекул, теломераза. Технология амплификации ДНК.