Расшифровка структуры молекулы ДНК помогла объяснить и принцип ее репликации (удвоения) в клетке. Этот принцип состоит в том, что каждая из двух полинуклеотидных нитей молекулы ДНК служит в качестве программы (матрицы) для синтеза новой (комплементарной) нити. В результате на основе одной двухцепочечной молекулы образуются две одинаковые двухцепочечные молекулы, в каждой из которых одна цепочка является старой, а другая - новой (вновь синтезированной). Такой принцип репликации ДНК был назван полуконсервативным (рис. 5.12). В соответствии с этим принципом нуклеотидная последовательность матричной (родительской) нити считывается в направлении 3"->5’, тогда как синтез новой (дочерней) нити идет в направлении 5"-?З". Поскольку две комплементарные цепочки родительской молекулы ДНК являются антипараллельными, то синтез новой полинуклеотидной цепочки на каждой из них идет в противоположном направлении.
Рис. 5.12.
Механизм репликации ДНК является достаточно сложным и, вероятно, различается в случае организмов, содержащих относительно небольшие по размерам молекулы ДНК в замкнутой (кольцевой) форме (многие вирусы и бактерии), и эукариот, клетки которых имеют молекулы огромных размеров, находящиеся в линейной (незамкнутой) форме.
Небольшая кольцевая молекула ДНК представляет собой одну структурную единицу репликации (репликон), имеющую единственную точку начала (инициации) репликации (0-пункт, состоящий примерно из 300 нуклеотидов), в которой начинается процесс расхождения (расплетания) двух нитей родительской молекулы и матричного синтеза комплементарных копий (реплик) дочерней ДНК. Этот процесс продолжается непрерывно по длине копируемой структуры и заканчивается в этом же репликоне образованием двух молекул «полуконсервативного» типа. В больших линейных молекулах ДНК эукариот имеется много точек начала репликации и соответствующих им репликонов (от нескольких сотен до десятков тысяч), т. е. такая ДНК является полирепликонной.
При рассмотрении современных представлений о механизме репликации ДНК эукариот можно условно выделить гри последовательных этапа этого процесса, происходящего в репликоне, в каждом из которых принимают участие те или иные белки (ферменты).
Первый этап связан с быстрым раскручиванием двух полинуклеотидных нитей спирализованной молекулы ДНК на определенном ее участке (в границах работающего репликона) и с их разделением путем разрушения водородных связей между парами комплементарных оснований. При этом образуются два одноцепочечных фрагмента родительской молекулы, каждый из которых может высту пать в роли матрицы для синтеза комплементарной (дочерней) нити. Этот этап инициируется в соответствующей точке начата репликации и обеспечивается комплексным участием нескольких различных белков. В результате их действия формируется У-образная структура, названная вилкой репликации, в которой две родительские цепочки ДНК уже отделены друг от друга (рис. 5.13). Образовавшаяся вилка репликации быстро продвигается вдоль двойной спирали родительской молекулы ДНК благодаря активности «расплетающего» фермента ДНК-гсликазы и при участии группы дестабилизирующих белков. Эти белки обладают способностью связываться только с одноцепочечными (уже раскрученными и разделенными) участками молекулы, препятствуя возникновению на них вторичных складчатых образований («шпилек») за счет случайных соединений между комплементарными нуклеотидами однони- тевой структуры. Следовательно, они способствуют выпрямлению однони- тевьгх участков молекулы, что необходимо для нормального выполнения ими матричных функций.
Рис. 5.13.
Быстрое расплетание ДНК с помощью геликазы без дополнительного вращения нитей по отношению друг к другу должно приводить к образованию на участках родительской молекулы перед движущейся вилкой репликации новых витков (узлов), создающих на них повышенное топологическое напряжение. Такое напряжение устраняется еще одним белком (ДНК-топоизомеразой), который, перемещаясь вдоль двухспиральной родительской ДНК перед вилкой репликации, вызывает временные разрывы в одной из цепочек молекулы, разрушая фосфодиэфирные связи и присоединяясь к разорванному концу. Возникший разрыв обеспечивает последующее вращение нити двойной спирали, что, в свою очередь, приводит к расплетанию образующихся супервитков (узлов). Поскольку разрыв поли- нуклеотидной цепочки, вызванный топоизомеразой, носит обратимый характер, то разорванные концы быстро воссоединяются сразу после разрушения комплекса этого белка с разорванным концом.
На втором этапе происходит матричный синтез новых (дочерних) Полину клеотидных цепей на основе принципа комплементарного соответствия нуклеотидов старой (матричной) и новой цепей. Этот процесс осуществляется путем соединения (полимеризации) нуклеотидов новой цепи с помощью ферментов ДНК-полимераз нескольких типов (ферменты Pol a, Pol р, Pol у, Pol 6, Pol е). Следует отметить, что ни одна из известных сегодня ДНК-полимераз не способна начать синтез нового полинуклеотида путем простого соединения двух свободных нуклеотидов. Инициация этого процесса требует наличия свободного З"-конца какой-либо полинуклеотидной цепочки ДНК (либо РНК), которая соединена с другой (комплементарной) цепочкой ДНК. Иными словами, ДНК-полимераза способна лишь добавлять новые нуклеотиды к свободному З"-концу имеющегося полинуклеотида и, следовательно, наращивать эту структуру только в направлении 5*-*?3".
С учетом указанного обстоятельства становится понятным асимметричный характер функционирования вилки репликации (рис. 5.13, 5.14). Как видно из приведенных схем, на одной из матричных нитей вилки (3"-*5") идет относительно быстрый и непрерывный синтез дочерней нити (ведущей, или лидирующей, цепочки) в направлении 5"->3’, тогда как на другой матрице (5"->3") идет более медленный и прерывистый синтез отстающей цепочки короткими фрагментами (100-200 нуклеотидов), получившими название фрагментов Оказаки, и также в направлении 5’-?3". Считается, что синтез ведущей и отстающей цепочек осуществляют ДНК-полимеразы разных типов. Свободный З’-конец, необходимый для начала синтеза фрагмента Оказаки, обеспечивается короткой нитью РНК (около 10 нуклеотидов), получившей название РНК-праймера (РНК-затравки), которая синтезируется с помощью фермента РНК-праймазы. РНК- праймеры могут комплементарно спариваться сразу с несколькими участками на матричной нити ДНК, создавая условия для одновременного синтеза нескольких фрагментов Оказаки при участии ДНК-полимеразы Ш (рис. 5.14). Когда синтезированный фрагмент Оказаки достигает 5"-конца очередного РНК-праймера, начинает проявляться 5"-экзонуклеазиая активность ДНК-полимеразы I, которая последовательно выщепляет нуклеотиды РНК в направлении 5*-?З*. При этом удаляемый РНК-праймер замещается соответствующим фрагментом ДНК.
Последний (третий) этап рассматриваемого процесса связан с действием фермента ДНК-лигазы, который соединяет З"-ОН-конец одного из фрагментов Оказаки с 5"-Р04-концом соседнего фрагмента с образованием фос- фодиэфирной связи, восстанавливая таким образом первичную структуру отстающей цепочки, синтезируемой в функционирующем репликоне. Дальнейшая спирализация появившегося «полуконсервативного» участка ДНК (закручивание спирали) происходит с участием ДНК-гиразы (катализирует формирование негативных супервитков в ДНК) и некоторых других белков.
Рис. 5.14.
Полирепликонный принцип организации молекулы ДНК различных эукариот, в том числе человека, обеспечивает возможность последовательного копирования генетического материала этих организмов без одновременного раскручивания (деспирализации) всей огромной по размерам и сложно упакованной молекулы, что значительно сокращает время ее репликации.
Генетический анализ процесса репликации ДНК у эукариот по сравнению с прокариотами выявил в основных чертах общность синтеза ДНК у этих объектов. В эукариотических клетках были выявлены и выделены в чистом виде ферменты, обладающие геликазной и топоизомеразной активностями, а также белки, специфически связывающиеся с одноцепочечными участками ДНК. Обнаружено три вида ДНК-полимеразной активности: ферменты Pol а (основная полимераза), Pol р (участвует в репарационных процессах), Pol у (митохондриальная полимераза).
Иными словами, в тот или иной момент времени в одной группе репликонов молекулы процесс копирования может быть уже завершен объединением и спирализацией соответствующих участков, тогда как в другой группе - только начинаться расплетанием двухнитевых структур.
Репликация - процесс передачи генетической информации от ДНК к ДНК. Протекает в S-фазу клеточного цикла.
Репликация происходит полуконсервативным способом. Полуконсервативный способ означает, что цепи материнской молекулы ДНК расходятся и каждая служит матрицей для синтеза новой комплементарной последовательности. Две образовавшиеся двуспиральные молекулы ДНК, каждая из которых состоит из одной родительской и одной вновь синтезированной комплементарной цепи, распределяются между двумя дочерними клетками. Таким образом, каждая из дочерних клеток получают информацию, идентичную той, которой обладала родительская клетка.
Полуконсервативный механизм репликации у бактерий E.coli был однозначно продемонстрирован в классическом эксперименте М.Мезельсона и Ф.Сталя в 1957 г. с применением тяжелого изотопа азота в сочетании с равновесным центрифугированием. E.coli выращивали в течение ряда поколений на среде, содержащей в качестве источника азота хлористый аммоний (NH 4 Cl) с "тяжелым" изотопом 15 N. Вследствие этого все азотсодержащие соединения, в том числе и основания ДНК, включали этот изотоп в свой состав. Затем E.coli переносили на среду, в которой находился NH 4 Cl с изотопом 14 N. После первого деления обе молекулы ДНК содержали одну "легкую" и одну "тяжелую" цепи. После второго удвоения образовались две молекулы "легкой" ДНК и две гибридные (одна "легкая" и одна "тяжелая" цепи).
Механизм репликации. Механизм репликации у прокариот изучен лучше, чем у эукариот. Основные условия и компоненты репликации ДНК одинаковы у прокариот, таких как E.coli, и эукариот, включая человека. Основное функциональное значение процесса репликации ДНК заключается в снабжении потомства генетической информацией. Для обеспечения генетической стабильности организма и вида ДНК должна реплицироваться полностью и с очень высокой точностью.
Условия, необходимые для репликации
1.Матрица, которой является неспаренная цепь ДНК.
2. Субстраты синтеза , которыми являются дезоксинуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, ТТФ). Синтез идет по схеме: d(НМФ)n+dНТФ=d(НМФ)n+1+PPn, где d(НМФ)n – ДНК до удлинения, d(НМФ)n+1 – ДНК после удлинения, dНТФ – дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, РРn – пирофосфат. Нуклеозидтрифосфаты необходимы в качестве источника энергии, т.к. при расщеплении пирофосфата выделяется энергия для образования фосфодиэфирных связей.
3. Ферменты и белковые факторы , участвующие в синтезе ДНК:
1) ДНК-полимеразы I и III (у прокариот), которые участвуют в образовании 3",5"-фосфодиэфирных связей и обладают 3"®5" и 5"®3" экзонуклеазными активностями; ДНК-полимераза II является минорной ДНК-полимеразой, которая может участвовать в процессе репарации у эукариот найдено пять типов ДНК-полимераз: α, ε, β, γ и δ;
2) rep-белок (хеликаза) – расплетает двойную спираль ДНК;
3) ДНК-связывающий белок – стабилизирует расплетенные одноцепочечные участки ДНК и повышает активность хеликазы
4) ДНК-гираза (топоизомераза II) вводит отрицательные супервитки в ДНК, выполняя функцию шарнира при продвижении репликационных вилок;
5) праймаза (ДНК-зависимая РНК-полимераза) синтезирует РНК-затравку (праймер);
Репликация – передача информации от ДНК к ДНК, самоудвоение ДНК (биосинтез ДНК).
Молекула ДНК, состоящая из двух спиралей, удваивается при делении клетки. Удвоение ДНК основано на том, что при расплетении нитей к каждой нити можно достроить комплементарную копию , таким образом, получая две нити молекулы ДНК, копирующие исходную.
Условия необходимые для репликации: 1.) Матрица - нити ДНК. Расщепление нити называется репликативная вилка . Она может образовываться внутри молекулы ДНК. Они движутся в разных направлениях, образуя репликативный глазок . Таких глазков в молекуле ДНК эукариот несколько, каждый имеет две вилки. 2.) Субстрат . Пластическим материалом являются дезоксинуклеотидтрифосфаты : дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ. Затем происходит их распад до дезоксинуклеотидмонофосфатов , двух молекул фосфата неорганического с выделением энергии, т.е. они одновременно являются источником и энергии , и пластического материала . 3.) Ионы магния . 4.) Репликативный комплекс ферментов . а) ДНК – раскручивающие белки : - DNA-A (вызывает расхождение нитей); - хеликазы (расщепляют цепь ДНК); - топоизомеразы 1 и 2 (раскручивают сверх спирали). Разрывают (3",5")-фосфодиэфирные связи . Топоизомераза 2 у прокариот называется гираза . б) Белки, препятствующие соединению нитей ДНК (SSB-белки ). в) ДНК-полимераза (катализирует образование фосфодиэфирных связей). ДНК-полимераза только удлиняет уже существующую нить, но не может соединить два свободных нуклеотида. г) Праймаза (катализирует образование «затравки» к синтезу). Это по своей структуре РНК-полимераза, которая соединяет одиночные нуклеотиды. д) ДНК-лигаза . 5.) Праймеры - «затравка» для репликации. Это короткий фрагмент, состоящий из рибонуклеотидтрифосфатов (2 - 10). Образование праймеров катализируется праймазой .
Этапы репликации: 1.) Инициация (образование репликативной вилки); 2.) Элонгация (синтез новых нитей); 3.) Исключение праймеров ; 4.) Терминация (завершение синтеза двух дочерних цепей).
Инициация репликации: - регулируют сигнальные белковые молекулы – факторы роста ;- обеспечивают ферменты и специальные белки .
Необходимые ферменты: ДНК-топоизомеразы - ферменты раскручивающие суперспирали ДНК. ДНК-хеликаза – осуществляет разрыв водородных связей в молекуле двухцепочечной ДНК. В результате образуется репликативная вилка (репликативный глазок ).
Белки, связывающиеся с одноцепочечными нитями ДНК, связываются с одноцепочечными ДНК и препятствуют их комплементарному соединению.
Элонгация репликации. Субстратами синтеза являются дезоксинуклеозидтрифосфаты , выполняющие роль строительного материала и источников энергии.
Необходимые ферменты: ДНК-праймаза , который катализирует синтез коротких молекул РНК-затравок для ДНК-полимеразы. ДНК-полимераза обеспечивает включение в растущую «новую» цепь нуклеотидов комплементарных «старой», то есть матричной цепи.
Синтез новых цепей ДНК может протекать только в направлении от 5’-конца в сторону 3’-конца . На одной цепи ДНК синтезируется непрерывно «лидирующая» цепь , а на другой образуются короткие фрагменты - «запаздывающая» цепь (фрагменты Оказаки ).
После удаления праймеров ДНК-лигаза сшивает короткие фрагменты Оказаки между собой (терминация ).
Информация передается матричным способом . Полуконсервативный механизм репликации ДНК.
| Синтез отстающей цепи |
| 3’ |
| 3’ |
| 5’ |
| 5’ |
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.
1. Когда происходит репликация? - В синтетической фазе интерфазы, задолго до деления клетки. Период между репликацией и профазой митоза называется постсинтетическая фаза интерфазы, в нем клетка продолжает расти и проверяет, правильно ли произошло удвоение.
2. Если до удвоения было 46 хромосом, то сколько будет после удвоения? - Количество хромосом при удвоении ДНК не изменяется. До удвоения у человека 46 одинарных хромосом (состоящих из одной двойной цепочки ДНК), а после удвоения - 46 двойных хромосом (состоящих из двух одинаковых двойных цепочек ДНК, соединенных между собой в центромере).
3. Зачем нужна репликация? - Чтобы во время митоза каждая дочерняя клетка могла получить свою копию ДНК. При митозе каждая из 46 двойных хромосом делится на две одинарные; получается два набора по 46 одинарных хромосом; эти два набора расходятся в две дочерние клетки.
Три принципа строения ДНК
Полуконсервативность - каждая дочерняя ДНК содержит одну цепочку из материнской ДНК и одну новосинтезированную.
Комплементарность - АТ/ЦГ. Напротив аденина одной цепи ДНК всегда стоит тимин другой цепи ДНК, напротив цитозина всегда стоит гуанин.
Антипараллельность - цепочки ДНК лежат друг к другу противоположными концами. Эти концы не изучают в школе, поэтому чуть подробнее (и далее - в дебри).
Мономером ДНК является нуклеотид, центральной частью нуклеотида - дезоксирибоза. У неё 5 атомов углерода (на ближайшем рисунке у левой нижней дезоксирибозы атомы пронумерованы). Смотрим: к первому атому углерода присоединяется азотистое основание, к пятому - фосфорная кислота данного нуклеотида, третий атом готов присоединить фосфорную кислоту следующего нуклеотида. Таким образом, у любой цепочки ДНК есть два конца:
- 5"-конец, на нем располагается фосфорная кислота;
- 3"-конец, на нем располагается рибоза.
Правило антипараллельности состоит в том, что на одном конце двойной цепи ДНК (например, на верхнем конце ближайшего рисунка) одна цепь имеет 5"-конец, а другая 3"-конец. Для процесса репликации важно, что ДНК-полимераза может удлинять только 3"-конец. Цепочка ДНК может расти только своим 3"-концом.
На этом рисунке процесс удвоения ДНК идет снизу вверх. Видно, что левая цепочка растет в том же направлении, а правая – в противоположном.
На следующем рисунке вверхняя новая цепочка
("ведущая цепь") удлиняется в том же направлении, в котором происходит удвоение. Нижняя новая цепочка
("отстающая цепь") не может удлиняться в том же направлении, потому что там у нее 5"-конец, который, как мы помним, не растёт. Поэтому нижняя цепочка растет с помощью коротких (100-200 нуклеотидов) фрагментов Оказаки, каждый из которых растет в 3"-направлении. Каждый фрагмент Оказаки растет от 3"-конца праймера ("РНК-затравки", на рисунке праймеры красные).
Ферменты репликации
Overall direction of replication
- направление, в котором происходит удвоение ДНК.
Parental DNA
- старая (материнская) ДНК.
Зеленое облако рядом с надписью "Parental DNA"
- фермент хеликаза, который разрывает водородные связи между азотистыми основаниями старой (материнской) цепочки ДНК.
Серые овальчики на только что оторванных друг от друга цепочках ДНК
- дестабилизирующие белки, которые не дают цепочкам ДНК соединиться.
DNA pol III
- ДНК-полимераза, которая присоединяет новые нуклеотиды к 3"-концу верхней (лидирующей, синтезирующейся неприрывно) цепочки ДНК (Leading strand)
.
Primase
- фермент праймаза, которая делает праймер (красную деталь от Лего). Теперь считаем праймеры слева направо:
- первый праймер еще недоделан, его как раз сейчас делает праймаза;
- от второго по счету праймера ДНК-полимераза строит ДНК - в направлении, противоположном направлению удвоения ДНК, но зато в направлении 3"-конца;
- от третьего по счету праймера цепочка ДНК уже построена (Lagging strand) , она подошла вплотную к четвертому по счету праймеру;
- четвертый по счету праймер короче всех, потому что ДНК-полимераза (DNA pol I) удаляет его (он же РНК, в ДНК ему делать нечего, от него нам был нужен только правильный конец) и заменяет на ДНК;
- пятого праймера на рисунке уже нет, он вырезан полностью, на его месте остался разрыв. ДНК-лигаза (DNA ligase) сшивает этот разрыв, чтобы нижняя (отстающая) цепочка ДНК была целой.
На суперкартине не обозначен фермент топоизомераза, но дальше а тестиках он будет фигурировать, так что скажем и про него пару слов. Вот вам веревка, состоящая из трех больших жил. Если три товарища возьмутся за эти три жилы и начнут тянуть их в три разные стороны, то очень скоро веревка перестанет расплетаться и завьется в тугие петли. С ДНК, которая представляет собой двухжильную веревку, могло бы произойти то же самое, если бы не топоизомераза.
Топоизомереза разрезает одну из двух нитей ДНК, после чего (второй рисунок, красная стрелка) ДНК проворачивается вокруг одной из своих цепей, так что тугие петли не образуются (топологический стресс снижается).
Концевая недорепликация
Из суперкартины с ферментами репликации понятно, что на месте, оставшемся после удаления праймера, ДНК-полимераза достраивает следующий по счету фрагмент Оказаки. (Правда понятно? Если что, фрагменты Оказаки на суперкартине обозначены цифрами в кружочках.) Когда репликация на суперкартине дойдет до своего логического (левого) конца, то у последнего (крайнего левого) фрагмента Оказаки не будет «следующего», поэтому некому будет достроить ДНК на пустом месте, получившемся после удаления праймера.
Вот вам еще рисунок. Черная цепочка ДНК - старая, материнская. Удвоение ДНК, в отличие от суперкартины, происходит слева направо. Поскольку у новой (зеленой) ДНК справа 5"-конец, то она является отстающей и удлиняется отдельными фрагметами (Оказаки). Каждый фрагмент Оказаки растет от 3"-конца своего праймера (синего прямоугольника). Праймеры, как мы помним, удаляются ДНК-полимеразой, которая на этом месте достраивает следующий фрагмент Оказаки (этот процесс обозначен красным многоточием). На конце хромосомы некому заделать этот участок, так как нету следующего фрагмента Оказаки, там уже пустое место (Gap) . Таким образом, после каждой репликации у дочерних хромосом укорачиваются оба 5"-конца (концевая недорепликация) .
Стволовые клетки (в коже, красном костном мозге, семенниках) должны делиться гораздо больше, чем 60 раз. Поэтому в них функционирует фермент теломераза, который после каждой репликации удлиняет теломеры. Теломераза удлиняет выступающий 3"-конец ДНК, так что он увеличивается до размера фрагмента Оказаки. После этого праймаза синтезирует на нем праймер, и ДНК-полимераза удлиняет недореплицированный 5"-конец ДНК.
Тестики
1. Репликация - это процесс, в котором:
А) происходит синтез транспортных РНК;
Б) происходит синтез (копирование) ДНК;
В) рибосомы узнают антикодоны;
Г) образуются пептидные связи.
2. Соотнесите функции ферментов, участвующих в репликации прокариот, с их названиями.
3. Во время репликации в эукариотических клетках удаление праймеров
А)
осуществляется ферментом только с ДНК-азной активностью
Б)
образует фрагменты Оказаки
В)
происходит только в отстающих цепях
Г)
происходит только в ядре
4. Если Вы проэкстрагируете ДНК бактериофага fX174, вы обнаружите, что в его составе находится 25% A, 33% T, 24% G, и 18% C. Как Вы могли бы обьяснить эти результаты?
А)
Результаты эксперимента неправильные; где-то произошла ошибка.
Б)
Можно было бы допустить, что процентное содержание A приблизительно равно таковому T, что также справедливо для C и G. Следовательно, правило Чаргаффа не нарушается, ДНК является двуцепочечной и реплицируется полуконсервативно.
В)
Поскольку процентные соотношения A и T и, соответственно, C и G различные, ДНК представляет собой одну цепь; она реплицируется при помощи особенного фермента, следующего особенному механизму репликации с одной цепью в качестве матрицы.
Г)
Поскольку ни A не равно T, и ни G не равно C, то ДНК должна быть одноцепочечной, она реплицируется путем синтеза комплементарной цепи и использованием этой двуцепочечной формы как матрицы.
5. Диаграмма относится к репликации двуцепочечной ДНК. Для каждого из квадратов I, II, III выберите один фермент, который функционирует на этом участке.
А) Теломераза
Б) ДНК-топоизомераза
В) ДНК-полимераза
Г) ДНК-геликаза
Д) ДНК-лигаза
6. Культура бактерий из среды с легким изотопом азота (N-14) перенесли в среду, содержащую тяжелый изотоп (N-15) на время, соответствующее одному делению, а затем вернули в среду с легким изотопом азота. Анализ состава ДНК бактерий после периода, соответствующего двум репликациям, показал:
| Варианты ответа |
ДНК | ||
| легкая | средняя | тяжелая | |
| А | 3/4 | 1/4 | - |
| Б | 1/4 | 3/4 | - |
| В | - | 1/2 | 1/2 |
| Г | 1/2 | 1/2 | - |
7. Одно редкое генетическим заболевание характеризуется иммунодефицитом, отставанием в умственном и физическом развитии и микроцефалией. Предположим, что в экстракте ДНК пациента с этим синдромом вы обнаружили почти одинаковые количества длинных и очень коротких отрезков ДНК. Какой фермент у этого пациента наиболее вероятно отсутствует/дефектный?
А)
ДНК-лигаза
Б)
Топоизомераза
В)
ДНК-полимераза
Г)
Геликаза
8. Молекула ДНК, представляет собой двойную спираль, содержащую четыре различных типа азотистых оснований. Какое из следующих утверждений в отношении как репликации, так и химического строения ДНК, является правильным?
A) Последовательности оснований двух цепей одни и те же.
B) В двойной цепи ДНК содержание пуринов равно содержанию пиримидинов.
C) Обе цепи синтезируются в направлении 5’→3’ непрерывно.
D) Присоединение первого основания вновь синтезируемой нуклеиновой кислоты катализируется ДНК-полимеразой.
E) Активность ДНК-полимеразы по исправлению ошибок осуществляется в направлении 5’→3’.
9. Большинство ДНК-полимераз обладает также активностью:
А) лигазной;
Б) эндонуклеазной;
В) 5"-экзонуклеазной;
Г) 3"-экзонуклеазной.
10. ДНК-хеликаза - это ключевой фермент репликации ДНК, раскручивающий двуцепочечную ДНК до одноцепочечной. Ниже описан эксперимент, посвященный выяснению свойств этого фермента.
Какое из следующих утверждений относительно этого эксперимента является правильным?
А) Полоса, появляющаяся в верхней части геля, является только ssДНК, величиной 6,3 kb.
Б) Полоса, появляющаяся в нижней части геля, это меченная 300bp ДНК.
В) Если гибридизованную ДНК обработать только ДНК хеликазой и довести реакцию до конца, расположение полос выглядит так, как изображено на дорожке 3 на рисунке b.
Г) Если гибридизованную ДНК обработать только кипячением без обработки хеликазой, расположение полос выглядит как изображено на дорожке 2 на рисунке b.
Д) Если гибридизованную ДНК обработать только прокипяченной хеликазой, расположение полос выглядит как изображено на дорожке 1 на рисунке b.
Окружная олимпиада 2001
- всероссийская олимпиада 2001
- международная олимпиада 2001
- международная олимпиада 1991
- международная олимпиада 2008
- окружная олимпиада 2008
- международная олимпиада 2010
Полные тексты этих олимпиад можно найти .