Матричные синтезы
Удвоение молекулы ДНК – репликация. В результате этого и последующего деления дочерние клетки наследуют геном родителей, в котором полный набор генов, или инструкция о строении РНК и всех белков организма. Это первый поток передачи информации.
Второй поток – происходит в процессе жизнедеятельности клетки. Происходит считывание, или транскрипция, генов в форме полинуклеотидных последовательностей мРНК и использование их как матрица для синтеза соответствующих белков. Т.е. происходит перевод, или трансляция информации с мРНК на язык аминокислот. Поток информации от ДНК через РНК на белок – центральная догма биологии.
Исправление ошибок в структуре ДНК, возникающих под действием внешних и внутренних факторов, осуществляет еще один матричный синтез – репарация.
Итак, к матричным синтезам относят репликацию, транскрипцию, трансляцию и репарацию.
Репликация
Хромосома содержит одну непрерывную двухцепочечную молекулу ДНК. При репликации каждая цепь родительской ДНК служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Вновь образованная двойная спираль имеет одну исходную и одну вновь синтезируемую цепь. Такой механизм носит название полуконсервативная репликация.
Репликация состоит из стадий:
Инициация – образование репликативной вилки
Элонгация – синтез новых цепей
Исключение праймеров
Терминация
Синтез ДНК происходит в S-фазу. Инициацию репликации регулируют специфические сигнальные белки – факторы роста. Они связываются с рецепторами мембран, передающих сигнал, побуждающий клетку к началу репликации. Синтез новых одноцепочечных молекул ДНК может произойти только при расхождении родительских цепей. В определенном сайте (точка начала репликации) происходит локальная денатурация ДНК, цепи расходятся и образуются две репликативные вилки, движущиеся в противоположных направлениях. Образование репликативной вилки:
ДНК-топоизомеразы (I, II, III) обладают нуклеазной активностью. ДНК-топоизомераза I разрывает фосфоэфирную связь в одной из из цепей и ковалентно присоединяется к 5’-концу в точке разрыва.По окончании формирования репликативной вилки фермент ликвидирует разрыв и отделяется от ДНК. Разрыв водородных связей в двухцепочечной ДНК осуществляет ДНК-хеликаза. Она использует АТФ для расплетения двойной спирали. В результате происходит раскручивание участков суперспирализованной молекулы. В поддержании этого участка в раскрученном состоянии участвуют SSВ-белки. Кготорые связываются с одноцепочечной нитью. Эти белки не закрывают азотистые основания, но не дают комплементарное скручивание и образование шпилек. Они обладают большим сродством к одноцепочечным участкам.
Репликация осуществляется ДНК-полимеразами. Субстратами и источниками энергии служат дезоксирибонуклеозидфосфаты дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ. Для их активации необходимы ионы магния, т.к. они нейтрализуют отрицательный заряд и повышают их реакционную способность. Синтез происходит в направлении 5’ → 3’ растущей цепи, т.е. очередной нуклеотид присоединяется к свободному 3’-ОН- концу предшествующего нуклеотида. Синтезируемая цепь всегда антипараллельна матричной цепи. В ходе репликации образуются 2 дочерние цепи, являющиеся копиями матричных цепей.
Существует 5 ДНК-полимераз (α, β, γ, δ, ε). Они различаются по числу суъединиц, молекулярной массе и функциональному назначению. ДНК-полимеразы α, β, δ, ε участвуют в синтезе ДНК в ядре, а γ в репликации митохондриальной ДНК.
Репликацию инициирует ДНК-полимераза α, т.к. коплементарна определенному сайту одноцепочечной ДНК. Она синтезирует небольшой фрагмент РНК – праймер, состоящий из 8-10 рибонуклеотидов. Далее она синтезирует олигонуклеотид их ≈ 60 нуклеотидных остатков. Первые 8-10 представлены рибонуклеотидами, остальные – дезоксирибонуклеотидами.
Этот олигонуклеотид, образующий небольшой двухцепочечный фрагмент с матрицей позволяет присоединиться ДНК-полимеразе δ и продолжить синтез новой цепи в направлении от 5’- к 3’- концу по ходу раскручивания репликативной вилки. В каждой репликативной вилке идет одновременно синтез двух новых цепей. Лишь для одной цепи совпадает движение с репликативной вилкой – это лидирующая цепь. Для другой цепи синтез осуществляется ДНК-полимеразой α и ε в направлении 5’- к 3’- концу, но против движения репликативной вилки. Поэтому вторая цепь синтезируется прерывисто, короткими фрагментами (фрагменты Оказаки). Эту цепь называют отстающей. Каждый фрагмент ≈ 100 нуклеотидови содержит праймер. Праймеры удаляет ДНК-полимераза β, постепенно отщепляя по одному рибонуклеотиду и присоединяет к ОН-группе на 3’- конце дезоксирибонуклеотиды. Далее ДНК-лигаза закрывает брешь и образуется непрерывная цепь ДНК.
Инициация ДНК происходит в нескольких сайтах хромосомы. Их называют сайтами репликации, или ориджинами. Последовательность ДНК, ограниченную двумя ориджинами, называют единицей репликации, или репликоном. Две репликативные вилки двигаются в противоположных направлениях до тех пор пока не встретяться.
После завершения репликации происходит метилирование нуклеотидных остатков вновь образованных цепей. Метильные группы присоединяются ко всем остаткам аденина в последовательности GATC с образованием
N 6 -метиладенин или возможно метилирование цитозина в последовательностиGC с образованием N 5 -метилцитозина. Количество метилированных оснований равно ≈ 1-8%. Модификация происходит при участии ферментов. Использующих метильные группы S-аденозилметионина (SАМ). Присоединение метильных групп к остаткам аденина и цитозина не нарушает комплементарности цепей.
Наличие метильных групп в цепях ДНК необходимо для формирования структуры хромосом и для регуляции транскрипции генов.
В течение непродолжительного времени в молекуле ДНК последовательности –GATC- метилированы по аденину только в матричной цепи. Это различие используется ферментами репарации для исправления ошибок репликации.
На каждом конце хромосомы присутствует специфическая нуклеотидная последовательность. Она представлена многочисленными повторами (сотни или тысячи раз) олигонуклеотидов –GGGTTA-. Это сочетание называют теломерной последовательностью, или теломерной ДНК. Наличие теломер необходимо для завершения репликации концевых информативных последовательностей хромосом, т.е. для сохранения генетической информации. После завершения репликации хромосомы 5’-конца дочерних цепей ДНК недостроены, т.к. после удаления праймеров эти фрагменты оказываются недореплицированными, потому что ДНК-полимераза β, ответственная за заполнение бреши не может вести синтез цепи ДНК от
3’- к 5’- концу. Таким образом в ходе каждого цикла репликации 5’- концы синтезированных цепей укорачиваются. Эти потери не представляют опасности для генетической информации, т.к. укорочение идет за счет теломер.
Т.о. с каждым клеточным делением ДНК хромосом будут последовательно укорачиваться. Укорочении теломер в большинстве клеток по мере их старения – важный фактор, определяющий продолжительность жизни организма.
Однако в эмбриональных и других быстро делящихся клетках потери концов хромосом недопустимы. В клетках имеется фермент теломераза (нуклеотидилтрансфераза), которая восстанавливает недореплецированные
5’-концы. В ферменте в качестве простетической группы присутствует РНК. Она находится в активном центре фермента и служит матрицей при синтезе теломерных повторов хромосом, т.е. постепенно наращивает гексануклеотид –GGGTTA-. В большинстве клеток она не активна. Однако небольшая ее активность обнаруживается в лимфоцитах, стволовых клетках костного мозга. клетках эпителия, эпидермисе кожи.
Каким образом в митотическом цикле происходит удвоение ДНК? Объясните, в чём заключается биологический смысл этого процесса
Ответы:
Удвоение ДНК происходит в синтетической фазе интерфазы. Каждая молекула ДНК превращается в две одинаковые дочерние молекулы ДНК. Это нужно для того, чтобы во время деления клетки каждая дочерняя клетка получила свою копию ДНК. Фермент ДНК-хеликаза разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, двойная цепочка ДНК расплетается на две одинарных. Затем фермент ДНК-полимераза достраивает каждую одинарную цепочку до двойной по принципу комплементарности. Каждая дочерняя ДНК содержит одну цепочку из материнской ДНК и одну новосинтезированную – это принцип полуконсервативности. Согласно принципу антипараллельности цепочки ДНК лежат друг к другу противоположными концами. ДНК может удлиняться только 3-концом, поэтому в каждой репликационной вилке только одна из двух цепочек синтезируется непрерывно. Вторая цепочка (отстающая) растет в 5-направлении с помощью коротких (100-200 нуклеотидов) фрагментов Оказаки, каждый из которых растет в 3-направлении, а затем с помощью фермента ДНК-лигазы присоединяется к предыдущей цепочке. Скорость репликации у эукариот – 50-100 нуклеотидов в секунду. В каждой хромосоме имеется множество точек начала репликации, от каждой из которых расходятся 2 репликационные вилки; за счет этого вся репликация занимает около часа. Удвоением ДНК называется сложный процесс её самовоспроизведения. Благодаря свойству молекул ДНК самоудваиваться возможно размножение, а также передача наследственности организмом своему потомству, ведь полные данные о строении и функционировании находятся в закодированном виде в генной информации организмов. ДНК – является основой наследственных материалов большинства микро- и макроорганизмов. Правильное название процесса удвоения ДНК - репликация (редупликация).
ДНК является надежным хранилищем генетической информации. Но ее нужно не только держать в сохранности, но и передавать потомству. От этого зависит выживаемость вида. Ведь родители должны передать детям все то, чего они достигли в ходе эволюции. В ней записано все: начиная от количества конечностей и заканчивая цветом глаз. Конечно, у микроорганизмов этой информации гораздо меньше, но и ее нужно передать. Для этого клетка делится. Чтобы генетическая информация досталась обеим дочерним клеткам, ее нужно удвоить, этот процесс называется "репликация ДНК". Она происходит перед делением клетки, неважно, какой именно. Это может быть бактерия, которая решила размножиться. Или это может быть рост новой кожи на месте пореза. Процесс удвоения дезоксирибонуклеиновой кислоты должен четко отрегулироваться и завершиться до начала деления клетки.
Где происходит удвоение
Репликация ДНК происходит непосредственно в ядре (у эукариот) или в цитоплазме (у прокариот). Нуклеиновая кислота состоит из нуклеотидов - аденина, тимина, цитозина и гуанина. Обе цепочки молекулы построены по принципу комплиментарности: аденину в одной цепи соответствует тимин, а гуанину - цитозин. Удвоение молекулы должно пройти таким образом, чтобы и у дочерних спиралей сохранился принцип комплиментарности.
Начало репликации - инициация
Дезоксирибонуклеиновая кислота представляет собой двуцепочечную спираль. Репликация ДНК происходит путем достраивания дочерних цепей по каждой родительской цепочке. Чтобы этот синтез стал возможен, спирали нужно «распутать», а цепочки отделить друг от друга. Эту роль выполняет геликаза - она раскручивает спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты, вращаясь с большой скоростью. Начало удвоения ДНК не может начаться с любого места, такой сложный процесс требует определенного участка молекулы - сайта инициации репликации. После того как была определена начальная точка удвоения, а геликаза начала свою работу по распутыванию спирали, цепочки ДНК расходятся в стороны, образуя репликативную вилку. На них садятся ДНК-полимеразы. Именно они и будут синтезировать дочерние цепочки.
Элонгация
В одной молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты может образоваться от 5 до 50 репликативных вилок. Синтез дочерних цепочек происходит одновременно в нескольких участках молекулы. Но это непросто достраивание комплиментарных нуклеотидов. Цепочки нуклеиновой кислоты антипараллельны друг другу. Разная направленность родительских цепей сказывается при удвоении, это обусловило сложный механизм репликации ДНК. Одна из цепей достраивается дочерней непрерывно и называется лидирующей. Оно и правильно, ведь полимеразе очень удобно присоединять свободный нуклеотид к 3’-ОН концу предыдущего. Такой синтез идет непрерывно, в отличие от процесса на второй цепи.
Запаздывающая цепь, фрагменты О’Казаки
С другой цепочкой возникают сложности, ведь там свободным оказывается 5’-конец, к которому невозможно прикрепить свободный нуклеотид. Тогда ДНК полимераза действует с другой стороны. Для того чтобы достроить дочернюю цепочку, создается праймер, комплиментарный родительской цепи. Он образуется у самой репликативной вилки. С него и начинается синтез маленького кусочка, но уже по «верному» пути - присоединение нуклеотидов происходит к 3’-концу. Таким образом, достраивание цепочки у второй дочерней спирали происходит прерывисто и имеет направление, противоположное движению репликативной вилки. Эти фрагменты были названы фрагментами О’Казаки, они имеют длину около 100 нуклеотидов. После того как фрагмент достроился до предыдущего готового кусочка, праймеры вырезаются специальным ферментом, место выреза заполняется недостающими нуклеотидами.
Терминация
Удвоение завершается, когда обе цепочки достроили себе дочерние, а все фрагменты О’Казаки сшиты между собой. У эукариотов репликация ДНК заканчивается, когда репликативные вилки встречаются друг с другом. А у прокариот эта молекула кольцевая, а процесс ее удвоения происходит без предварительного разрыва цепи. Получается, что вся дезоксирибонуклеиновая кислота является одним большим репликоном. И удвоение заканчивается тогда, когда репликативные вилки встречаются на противоположной стороне кольца. После окончания репликации обе цепочки родительской дезоксирибонуклеиновой кислоты должны быть сцеплены обратно, после чего обе молекулы закручиваются до образования суперспиралей. Далее происходит метилирование обеих молекул ДНК по аденину в участке -ГАТЦ-. Это не разъединяет цепи и не мешает их комплиментарности. Это необходимо для складывания молекул в хромосомы, а также для регуляции чтения генов.
Скорость и точность репликации
Вторая стадия удваивания ДНК (элонгация) проходит со скоростью около 700 нуклеотидов в секунду. Если вспомнить, что на один виток нуклеиновой кислоты приходится 10 пар мономеров, то выходит, что во время «расплетания» молекула вращается с частотой 70 оборотов в секунду. Для сравнения: скорость вращения кулера в системном блоке компьютера составляет примерно 500 оборотов в секунду. Но несмотря на высокие темпы, ДНК полимераза практически никогда не ошибается. Ведь она просто подбирает комплиментарные нуклеотиды. Но даже если она совершает ошибку, ДНК-полимераза ее распознает, делает шаг назад, отрывает неправильный мономер и заменяет его верным. Механизм репликации ДНК очень сложен, но основные моменты мы смогли разобрать. Важно понимать его значение как для микроорганизмов, так и для многоклеточных существ.
Удвоение с образованием двух идентичных копий - явление вполне нормальное в Часто такое удвоение называют репликацией. Последняя может происходить на разных уровнях организации материи - от непосредственно ДНК до хромосом и целых клеток. При этом, если процесс прошел без сбоев, получаются две идентичные единицы. Репликация - это ювелирно точное удвоение.
Как нигде точно
Самым интересным и базовым для всех других видов считается ДНК-репликация. Это процесс, происходящий в течение нескольких стадий, на каждой из которых точность критична, ведь неточность спровоцирует синтез абсолютно неправильного белка, непригодного для использования в клетке и в организме в целом.
Начало начал
Репликация клетки начинается с которое имеет последствием удвоение хромосом. Но репликация - это краеугольный камень всего процесса. Он состоит из трех стадий: во-первых, инициация, во-вторых, элонгация, в-третьих, терминация. Работа ферментов начинается с особых точек - репликаторов и только с них. Начало в неправильном месте исказило бы весь процесс. Фермент-катализатор активирует особые белки, формирующие пререпликационный комплекс, необходимый для удвоения ДНК. Перед размножением ДНК разрезается на две части специальными ферментами.
Дополняющая цепочка
При элонгации на матрице строится комплементарная материнской цепь. То есть такая, которая потом может сформировать целостную молекулу. Процесс заканчивается терминацией, которая тоже происходит в определенной точке. Существует особая единица - репликон. Это тот фрагмент ДНК, который отстраивается за раз. Репликация ДНК - основа, без нее невозможна репликация хромосом. Последняя происходит тогда, когда клетка готовится к делению.
Белок как признак
Начинается удвоение хромосомы буквально через несколько часов после того, как произошло удвоение ДНК. Чтобы отстроилась хромосома, нужны не только новые комплекты но еще и белки, входящие в состав хромосомного аппарата, а их синтез требует времени. Ускоренная репликация - это признак онкологических заболеваний. Если обнаруживается слишком много белка, характерного для интенсивного врач начинает бить тревогу.
Пространства достаточно
Есть в процессе репликации интересная особенность - в пространстве ядра точки синтеза новых ДНК расположены довольно равномерно, таким образом, не происходит искажений, которые могло бы спровоцировать взаимное влияние. Точек довольно много, как правило, полтора-два десятка.
Как именно будут организованы хромосомы, зависит от того, происходит в клетке митоз или мейоз. В первом случае в образовавшейся клетке будет обычный набор, во втором - половинчатый. Ведь оставшуюся половину принесет клетка второго партнера в Если же в мейозе вдруг получится полный набор, или будет нежизнеспособной, или произойдет зачатие больного ребенка. Впрочем, такие дети все равно чаще всего не рождаются, происходит выкидыш на ранней стадии беременности, которые мать может принять за месячные или овуляционное
