Репликация ДНК - процесс биосинтеза дезоксирибонуклеиновой кислоты. Материалом для является аденозин-, гуанозин- цитидин- и тимидинтрифосфорная кислота или АТФ, ГТФ, ЦТФ и ТТФ.
Механизм репликации ДНК
Биосинтез осуществляется при наличии так называемой «затравки» - некоторого количества однониточной трансформированной дезоксирибонуклеиновой кислоты и катализатора. В качестве катализатора выступает ДНК-полимераза. Данный фермент принимает участие в соединении нуклеотидных остатков. За одну минуту соединяется более 1000 нуклеотидных остатков. Нуклеотидные остатки в молекуле фрагмента дезоксирибонуклеиновой кислоты соединены между собой 3’, 5’-фосфодиэфирными связями. ДНК-полимераза катализирует присоединение остатков мононуклеотидов до свободного 3-гидроксильного конца трансформированной дезоксирибонуклеиновой кислоты. Сначала синтезируются небольшие части молекулы ДНК. Они поддаются действию ДНК-лигазы и образуют более долгие фрагменты дезоксирибонуклеиновой кислоты. Оба фрагмента локализируются в Преобразованная дезоксирибонуклеиновая кислота используется как точка роста будущей молекулы ДНК и является также матрицей, на которой образуется антипараллельная цепь дезоксирибонуклеиновой кислоты, которая идентична трансформированной ДНК по строению и последовательности размещения нуклеотидных остатков. Репликация ДНК происходит во время интерфазы митотического Дезоксирибонуклеиновая кислота концентрируется в хромосомах и хроматине. После формирования односпиральной дезоксирибонуклеиновой кислоты образуется ее вторичная и третичная структуры. Две нити дезоксирибонуклеиновой кислоты соединяются между собой по правилу комплементарности. Репликация ДНК происходит в ядрах клеток.
Материалом для биосинтеза разных групп и видов РНК является макроэргические соединения: АТФ, ГТФ, ЦТФ и ТТФ. может синтезироваться в них при участии одного из трех указанных фрагментов: ДНК-зависимой РНК-полимеразы, полинуклеотид-нуклеотидилтрансферазы и РНК-зависимой РНК-полимеразы. Первая из них содержится в ядрах всех клеток, открытая также в митохондриях. РНК синтезируется на ДНК-матрице при наличии рибонуклеозидтрифосфатов, ионов Мангана и Магния. Образуется молекула РНК, комплементарная ДНК-матрице. Для того, чтобы произошла репликация ДНК в ядрах образуются р-РНК-, т-РНК-, и-РНК- и РНК-затравки. Первые три транспортируются в цитоплазму, где и принимают участие в биосинтезе белка.
Репликация ДНК происходит почти также как и трансляция дезоксирибонуклеиновой кислоты. Передача, а также сохранение наследственной информации осуществляется в два этапа: транскрипция и трансляция. Что же такое ген? Ген - это материальная единица, которая является частью молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (РНК у некоторых вирусов). Содержится в хромосомах ядер клеток. Генетическая информация передается от ДНК через РНК до белка. Транскрипция осуществляется в и состоит в синтезе и-РНК на участках молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. Следует сказать, что последовательность нуклеотидов дезоксирибонуклеиновой кислоты «переписывается» в нуклеотидную последовательность молекулы и-РНК. РНК-полимераза присоединяется к соответствующему участку ДНК, «расплетает» ее двойную спираль и копирует структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты, присоединяя нуклеотиды по принципу комплементарности. По мере перемещения фрагмента цепь синтезированной РНК отдаляется от матрицы, а двойная спираль ДНК позади фермента сразу же восстанавливается. Если РНК-полимераза достигает конца копированного участка, РНК отдаляется от матрицы в кариоплазму, после чего перемещается в цитоплазму, где и принимает участие в биосинтезе белка.
Во время трансляции последовательность размещения нуклеотидов в молекуле и-РНК переводится в последовательность аминокислотных остатков в белковой молекуле. Этот процесс происходит в цитоплазме, и-РНК здесь объединяется, и образуется полисома.
Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение - некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК - 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами - 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес - десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека - около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.
Репликацией называется процесс удвоения ДНК. Принципиальный механизм репликации вытекает из строения молекулы ДНК. Для того, чтобы объяснить, каким образом может самокопироваться (редуплицироваться), такая стабильная и замкнутая на себя структура, как двойная спираль ДНК, Уотсон и Крик предположили, что ее цепи способны к раскручиванию и последующему частичному разделению вследствие разрыва водородных связей в каждой комплементарной паре оснований . Образовавшиеся одноцепочечные участки родительской молекулы могут служить матрицей, к которой по принципу комплементарности оснований присоединяются соответствующие нуклеотиды. Эти нуклеотиды соединяются между собой фосфодиэфирными связями с образованием новой цепи, комплементарной родительской.
Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены: (1) Запаздывающая нить, (2) Лидирующая нить, (3) ДНК-полимераза (Polα), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза (Polδ), (9) Хеликаза, (10) Белки, связывающие одноцепочечную ДНК, (11) Топоизомераза
Так как этот процесс происходит на каждой разделившейся цепи исходной молекулы, то в результате образуются две двухцепочечные структуры , идентичные родительской ДНК. Такой способ репликации получил название полуконсервативного , поскольку в каждой из вновь образовавшихся молекул одна цепь является старой (родительской), а другая – вновь синтезированной (дочерней). Этот механизм обеспечивает возможность такого распределения ДНК между делящимися клетками, при котором каждая дочерняя клетка получает гибридную двухцепочечную молекулу ДНК, состоящую из родительской и вновь синтезированной цепей.
Независимо от того, содержит клетка только одну хромосому (как у прокариот) или много хромосом (как у эукариот) за период времени, соответствующий одному клеточному делению, весь геном должен быть реплицирован только один раз. Репликация происходит в S-фазу клеточного цикла и влечет за собой деление прокариотической или эукариотической клетки. Процесс репликации состоит из трех стадий:
- инициации (начало процесса),
- элонгации (собственно синтез),
- терминации (окончание процесса).
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 понятие репликон . Репликон - это участок ДНК, который содержит сайт инициации репликации и реплицируется после начала синтеза ДНК с этого сайта.
На разных этапах процесса участвуют большое число разных ферментов, а также белки, препятствующие, например, запутыванию цепей ДНК . В зависимости от формы ДНК – кольцевой или линейной – способы репликации имеют свои особенности. Репликация может осуществляться одновременно на многих участках одной молекулы ДНК.
Две замечательные особенности характеризуют процесс репликации – высокая скорость и высокая точность . Так, вся молекула ДНК кишечной палочки (состоит из 4ґ106 пар нуклеотидов) реплицируется за 20 мин, т. е. в одну секунду образуется участок ДНК размером приблизительно в 3000 пар нуклеотидов. Такая скорость возможна только при чрезвычайно «согласованном» действии всего комплекса ферментов, ведущих репликацию. У эукариот скорость репликации ниже – 100–300 пар нуклеотидов в секунду. Высокую точность репликации, столь важную для сохранения специфичной для каждого биологического вида наследственной информации, обеспечивают комплементарное спаривание нуклеотидов (возможная ошибка – одно неправильное спаривание на 108 -109) и наличие ферментов, способных узнавать и исправлять (вырезать) ошибки репликации.
Репликацией называют также матричный биосинтез РНК на РНК (у некоторых, т. н. РНК-содержащих вирусов) и удвоение хромосом, которому предшествует репликация ДНК .
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’ |
Репликация ДНК
Схематическое изображение процесса репликации: (1) запаздывающая нить, (2) лидирующая нить, (3) ДНК-полимераза, (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) праймаза, (7) фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза, (9) хеликаза, (10) одиночная нить со связанными белками, (11) топоизомераза.
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.
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.
Репликон - это участок ДНК, который содержит сайт инициации репликации и реплицируется после начала синтеза ДНК с этого сайта.
Репликация начинается в сайте инициации репликации с расплетания двойной спирали ДНК, при этом формируется репликационная вилка - место непосредственной репликации ДНК.
Суть репликации днк заключается в том, что специальный фермент разрывает слабые водородные связи, которые соединяют между собой нуклеотиды двух цепей. В результате цепи ДНК разъединяются, и из каждой цепи «торчат» свободные азотистые основания (возникновение так называемой вилки репликации). Особый фермент ДНК-полимераза начинает двигаться вдоль свободной цепи ДНК от 5"- к З"-концу (лидирующая цепь), помогая присоединиться свободным нуклеотидам, постоянно синтезируемым в клетке, к З"-концу вновь синтезируемой цепи ДНК. На второй нити ДНК (отстающая нить) новая ДНК образуется в виде небольших сегментов, состоящих из 1000-2000 нуклеотидов (фрагменты Оказаки).
Для начала репликации ДНК фрагментов этой нити требуется синтез коротких фрагментов РНК как затравок, для чего используется особый фермент - РНК-полимераза (праймаза). Впоследствии праймеры РНК удаляются, в образовавшиеся бреши встраивается ДНК с помощью ДНК полимеразы I. Таким образом, каждая цепь ДНК используется как матрица или шаблон для построения комплементарной цепи.
Основные ферменты репликации ДНК:
ДНК - полимераза
ДНК-полимераза - фермент, участвующий в репликации ДНК. Ферменты этого класса катализируют полимеризацию дезоксирибонуклеотидов вдоль цепочки нуклеотидов ДНК, которую фермент «читает» и использует в качестве шаблона. ДНК-полимераза начинает репликацию ДНК, связываясь с отрезком цепи нуклеотидов.
ДНК - лигазы
Лигаза - фермент, катализирующий соединение двух молекул с образованием новой химической связи (лиᴦᴎҏование). ДНК-лигазы -- ферменты, катализирующие ковалентное сшивание цеᴨȇй ДНК при репликации.
ДНК - хеликазы
ДНК хеликазы - ферменты раскручивающие двуцепочечную спираль ДНК.
ДНК-топоизомеразы
ДНК-топоизомеразы-ферменты, изменяющие стеᴨȇньсверхспиральности и тип сверхспирали. Путём одноцепочечного разрыва они создают шарнир, вокруг которого нереплецированный дуплекс ДНК, находящейся ᴨȇред вилкой, может свободно вращаться. Это снимает механическое напряжение, возникающее при раскручивании двух цеᴨȇй в репликативной вилке, что является необходимым условием для её непрерывного движения.
Праймаза
Праймаза - фермент, обладающий РНК-полимеразной активностью; служит для образования РНК-праймеров, необходимых для инициации синтеза ДНК в точке ori и дальнейшем для синтеза отстающей цепи.
Основные пути передачи наследственной информации.
Особенности строения митохондриальной ДНКа
Свойства и функции ДНКа
Молекулы включают 2 полинуклеотидной цепи, связанные между собой определенным образом.
Аденин – Тимин - двойная водородная связь
Гуанин – Цитозин - тройная водородная связь
А,Г- пуриновые – одно бензольное кольцо
Т,Ц - перемединовые - два бензольных кольца.
Очень важно!
· Объединение 2х полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК: антипараллельность полинуклеотидных цепей. 5" конец одной цепи соединен с 3" концом другой
· Состав нуклеотидов в ДНК подчиняется правилам Чаргаффа- комплиментарность цепей двойной спирали
· Существует в двух формах: право-закрученной спирали B-форма, левозакрученная спираль-Z-форма, в основном природная ДНК- B-форма
· Лабильность-допускание конфармационных превращений (из B-формы в Z-форму при определенных условиях)
Свойства ДНК:
· Репликация(самоудвоение)- проходит полуконсервативным методом.
· Репарация (восстановление)
Функция: хранение и передача наследственной информации
Наследственная информация в эукариотической клетке находится в основном в ядре 99,5 %, это называется ядерная генетическая информация. Другая часть ДНКа 0,5 % находится в цитоплазме, в митохондриях.
Благодаря митохондриям ДНКа синтезируются митохондриальные белки, они могут быть источником наследственных заболеваний при мутациях митохондриального ДНКа.
Митохондриальная ДНК не связана с белками («голая»), прикреплена к внутренней мембране митохондрии и несет информацию о строении примерно 30 белков. Для построения митохондрии требуется гораздо больше белков, поэтому информация о большинстве митохондриальных белков содержится в ядерной ДНК, и эти белки синтезируются в цитоплазме клетки. Митохондрии способны автономно размножаться путем деления надвое с помощью ДНКа. Между наружной и внутренней мембранами находится протонный резервуар, где происходит накопление Н+
Наследственная информация – хранится в молекулах ДНК.
Наследственная информация- это инструкция для нормального развития и функции клетки. Роль посредника передачи наследственной информации выполняет РНК , благодаря РНК наследственная информация выводится из ядра в цитоплазму и реализуется в виде конкретного белка.
Репликация - проходит полуконсервативным путем. Для репликации цепи материнской ДНК должно произойти отделение цепей друг от друга, каждая отделившаяся цепь становится матричной (матрицей), на которых будут синтезироваться комплиментарные цепи дочерних молекул ДНК.
После каждого деления материнской клетки и репликации ее ДНК, дочерние клетки содержат молекулу ДНК, состоящую из материнской цепи и вновь синтезированной дочерней цепи.
Для того чтобы осуществилась репликация имеются на молекулах ДНК так называемые участки ори (ori-origin), они включают последовательность, состоящих из 300 нуклеотидных пар, узнаваемых специфическими белками.
Двойная спираль ДНК в этих участках разделяется на 2 цепи, образуются 2 репликационные вилки, которые движутся в противоположных направлениях от участка ori, между репликационными вилками образуется структура – называемая репликационным глазком.
С помощью фермента геликазы разрываются водородные связи и двойная спираль ДНК расплетается в точках начала репликации-точки ori.
Образующиеся при этом одинарные цепи ДНК связываются специальными дестабилизирующими белками , которые растягивают остовы цепей ДНК, делая их доступными для связывания с комплиментарными нуклеотидами.
На каждой из цепей в области репликационной вилки при участии фермента ДНК-полимераза осуществляет синтез комплиментарных цепей.
Разделение , спирально-закрученных цепей, родительской ДНК при помощи фермента геликазы вызывает появление супервитков . Но благодаря ферментам ДНК-топоизомеразы , которые перерезают одну из нитей ДНК и ослабляют напряжение, накопившееся в двойной цепи ДНК.
Еще в синтезе в процессе репликации используется ДНК-лигаза в сшивании отдельных участков ДНК в одну цепь. На одной молекуле ДНК может находиться одновременно несколько точек ori – ускорение процесса синтеза .
В каждом репликационном глазке начинают работать 2 ферментативных комплекса :
1) Комплекс перемещается в одну сторону
2) В противоположную
Ферментативный комплекс функционирует так, что одна из 2-х синтезируемых ими цепей растет с некоторым опережением – лидирующая
А вторая отстает – запаздывающая
Фермент ДНК полимераза осуществляет синтез полинуклеотида от 5” к 3” концу . Постепенно происходит удлинение цепи, такая цепь называется лидирующая. На другой цепи синтез 2-й цепи ДНК осуществляется короткими фрагментами, их называют фрагменты оказаки. В направлении от 5” к 3” по типу шитья назад иголкой. Фрагменты оказаки содержат от 1000 до 2000 нуклеотидов у прокариот, у эукариот от 100 до 200.
Синтезу такого фрагмента предшествует образование РНК затравки , длиной около 10 нуклеотидов.
С помощью фермента ДНК-лигазы , образуется фрагмент, соединенный с предшествующим фрагментом, после удаления РНК-затравки.