В каква последователност протича процесът на редупликация на ДНК? Какво е редупликация на ДНК? Молекулен механизъм на репликация

репликация на ДНК- Това е процесът на нейното удвояване преди клетъчното делене. Понякога казват "редупликация на ДНК". Дублирането се случва в S фазата на интерфазата на клетъчния цикъл.

Очевидно е необходимо самокопиране на генетичен материал в живата природа. Само по този начин дъщерните клетки, образувани по време на деленето, могат да съдържат същото количество ДНК, каквото е било първоначално в първоначалната. Благодарение на репликацията, всички генетично програмирани структурни и метаболитни характеристики се предават през няколко поколения.

По време на клетъчното делене всяка ДНК молекула от двойка еднакви преминава в своята дъщерна клетка. Това гарантира точното предаване на наследствената информация.

Синтезът на ДНК консумира енергия, т.е. това е енергоемък процес.

Механизъм за репликация на ДНК

Самата ДНК молекула (без дублиране) е двойна спирала. По време на процеса на редупликация водородните връзки между двете му допълващи се вериги се разкъсват. И върху всяка отделна верига, която сега служи като шаблон-матрица, се изгражда нова верига, допълваща я. По този начин се образуват две ДНК молекули. Всеки получава една верига от ДНК на майка си, втората е новосинтезирана. Следователно механизмът на репликация на ДНК е полуконсервативен(едната верига е стара, едната е нова). Този механизъм на репликация е доказан през 1958 г.

В една ДНК молекула веригите са антипаралелни. Това означава, че едната нишка върви в посока от 5" края към 3", а допълващата се движи в обратната посока. Числата 5 и 3 показват броя на въглеродните атоми в дезоксирибозата, която е част от всеки нуклеотид. Чрез тези атоми нуклеотидите са свързани помежду си чрез фосфодиестерни връзки. И където едната верига има 3" връзки, другата има 5" връзки, тъй като е обърната, тоест върви в другата посока. За по-голяма яснота можете да си представите, че слагате ръка върху ръката си, като първокласник, който седи на бюро.

Основният ензим, който осъществява растежа на нова верига на ДНК, може да направи това само в една посока. А именно: прикрепете нов нуклеотид само към 3" края. Така синтезата може да продължи само в посока от 5" към 3".

Веригите са антипаралелни, което означава, че синтезът трябва да протича по тях в различни посоки. Ако ДНК веригите първо се разминат напълно, а след това върху тях се изгради нова комплементарна, тогава това няма да е проблем. В действителност веригите се разминават в някои случаи произход на репликация, и на тези места на матриците веднага започва синтез.

Така нареченият репликационни вилици. В този случай на една майчина верига синтезът протича в посока на отклонение на вилицата и този синтез се извършва непрекъснато, без прекъсвания. При втория шаблон синтезът протича в посока, обратна на посоката на дивергенция на оригиналните ДНК вериги. Следователно такъв обратен синтез може да се случи само на парчета, които се наричат фрагменти от Оказаки. По-късно такива фрагменти се „зашиват“ заедно.

Нарича се дъщерна верига, която се репликира непрекъснато водещ, или водещ. Този, който се синтезира чрез фрагменти от Оказаки, е изоставащ или изоставащ, тъй като фрагментираната репликация е по-бавна.

На диаграмата родителските ДНК вериги постепенно се разминават в посоката, в която се синтезира водещата дъщерна верига. Синтезът на изоставащата верига върви в обратна посока на дивергенцията, така че е принуден да се извършва на парчета.

Друга особеност на основния ензим за синтез на ДНК (полимераза) е, че той не може да започне самия синтез, а само да продължи. Той се нуждае семена или грунд. Следователно, малък комплементарен участък от РНК първо се синтезира върху родителската верига и след това веригата се удължава с помощта на полимераза. По-късно грундовете се отстраняват и дупките се запълват.

На диаграмата семената са показани само на изоставащата нишка. Всъщност те също са на водещата. Тук обаче се нуждаете само от един грунд на вилица.

Тъй като майчините ДНК вериги не винаги се отклоняват от краищата, а в точките на инициализация, всъщност не се образуват толкова вилици, колкото очи или мехурчета.

Всеки балон може да има две вилици, т.е. веригите ще се разминават в две посоки. Те обаче могат да направят само едно. Ако все пак дивергенцията е двупосочна, тогава от точката на инициализация на една ДНК верига синтезът ще продължи в две посоки - напред и назад. В този случай непрекъснатият синтез ще се извършва в едната посока, а фрагментите на Оказаки в другата.

Прокариотната ДНК не е линейна, а има кръгова структура и само един източник на репликация.

Диаграмата показва двете вериги на родителската ДНК молекула в червено и синьо. Новосинтезираните нишки са показани с пунктирани линии.

При прокариотите самокопирането на ДНК е по-бързо, отколкото при еукариотите. Ако скоростта на редупликация при еукариотите е стотици нуклеотиди в секунда, то при прокариотите тя достига хиляда или повече.

Репликационни ензими

Репликацията на ДНК се осигурява от цял ​​комплекс от ензими, т.нар репликома. Има повече от 15 ензима и най-важните протеини са изброени по-долу.

Основният репликационен ензим е вече споменатият ДНК полимераза(всъщност има няколко различни), което директно разширява веригата. Това не е единствената функция на ензима. Полимеразата е в състояние да "провери" кой нуклеотид се опитва да се прикрепи към края. Ако не е подходящо, тя го изтрива. С други думи, частичният ремонт на ДНК, т.е. нейната корекция на грешки при репликация, се случва още на етапа на синтез.

Нуклеотидите, намиращи се в нуклеоплазмата (или цитоплазмата при бактериите), съществуват под формата на трифосфати, т.е. те не са нуклеотиди, а дезоксинуклеозидни трифосфати (dATP, dTTP, dGTP, dCTP). Те са подобни на АТФ, който има три фосфатни остатъка, два от които са свързани чрез високоенергийна връзка. Когато такива връзки се разкъсат, се освобождава много енергия. Също така, дезоксинуклеозид трифосфатите имат две високоенергийни връзки. Полимеразата отделя последните два фосфата и използва освободената енергия за реакцията на полимеризация на ДНК.

Ензим хеликазаразделя шаблонните ДНК вериги чрез разкъсване на водородните връзки между тях.

Тъй като молекулата на ДНК е двойна спирала, разкъсването на връзките предизвиква още по-голямо усукване. Представете си въже от две въжета, усукани едно спрямо друго, и от едната страна дърпате единия край надясно, другия наляво. Тъканата част ще се накъдри още повече и ще стане по-стегната.

За да се елиминира такова напрежение, е необходимо все още неразкъсаната двойна спирала бързо да се завърти около оста си, „пренастройвайки“ получената суперспирализация. Това обаче е твърде енергоемко. Следователно в клетките се прилага различен механизъм. Ензим топоизомеразаскъсва една от нишките, прекарва втората през пролуката и зашива първата отново. По този начин се елиминират получените супернамотки.

Отделилите се в резултат на действието на хеликазата шаблонни ДНК вериги се опитват да се свържат отново с водородните си връзки. За да не се случи това, те предприемат действия ДНК свързващи протеини. Това не са ензими в смисъл, че не катализират реакции. Такива протеини се прикрепят към ДНК веригата по цялата й дължина и предотвратяват затварянето на комплементарните вериги на шаблонната ДНК.

Синтезират се праймери РНК примаза. И те се изтриват екзонуклеаза. След отстраняване на праймера, дупката се запълва от друг тип полимераза. В този случай обаче отделните участъци от ДНК не са зашити заедно.

Отделни части от синтезираната верига са омрежени чрез репликационен ензим като напр ДНК лигаза.

1. Кога се случва репликацията?- В синтетичната фаза на интерфазата, много преди клетъчното делене. Периодът между репликацията и профазата на митозата се нарича постсинтетична фаза на интерфазата, по време на която клетката продължава да расте и проверява дали дублирането е настъпило правилно.

2. Ако е имало 46 хромозоми преди удвояването, колко ще бъдат след удвояването?- Броят на хромозомите не се променя, когато ДНК се удвои. Преди дублиране, човек има 46 единични хромозоми (състоящи се от една двойна верига на ДНК), а след дублиране, 46 двойни хромозоми (състоящи се от две идентични двойни вериги на ДНК, свързани една с друга в центромера).

3. Защо е необходима репликация?- За да може по време на митозата всяка дъщерна клетка да получи собствено копие на ДНК. По време на митозата всяка от 46-те двойни хромозоми се разделя на две единични хромозоми; получават се два набора от 46 единични хромозоми; тези два комплекта се разделят в две дъщерни клетки.

Три принципа на структурата на ДНК

Полуконсервативен- всяка дъщерна ДНК съдържа една верига от майчината ДНК и една новосинтезирана.

Допълване- AT/CG. Срещу аденина на една ДНК верига винаги има тимин на друга ДНК верига, а срещу цитозина винаги има гуанин.

Антипаралелизъм- ДНК веригите лежат срещуположно една на друга. Тези краища не се изучават в училище, така че малко по-подробно (и след това в дивата природа).

Мономерът на ДНК е нуклеотид, централната част на нуклеотида е дезоксирибоза. Има 5 въглеродни атома (на най-близката снимка долната лява дезоксирибоза има номерирани атоми). Да видим: азотна основа е прикрепена към първия въглероден атом, фосфорната киселина на даден нуклеотид е прикрепена към петия, третият атом е готов да прикрепи фосфорната киселина на следващия нуклеотид. Така всяка верига на ДНК има два края:

• 5" край, върху него е разположена фосфорна киселина;
• Краят 3" съдържа рибоза.

Антипаралелното правило е, че в единия край на двойна верига на ДНК (например в горния край на най-близката снимка), едната верига има 5" край, а другата има 3" край. За процеса на репликация е важно ДНК полимеразата да може да удължи само 3" края. Една ДНК верига може да расте само в своя 3" край.

На тази снимка процесът на дублиране на ДНК се извършва отдолу нагоре. Вижда се, че лявата верига расте в същата посока, а дясната - в обратната посока.

На следващата снимка топ нова верига("водеща нишка") се удължава в същата посока, в която се случва дублирането. Долната нова верига("изоставаща нишка") не може да се простира в същата посока, защото там има 5" край, който, както си спомняме, не расте. Следователно долната нишка расте с помощта на къси (100-200 нуклеотиди) Okazaki фрагменти, всеки от които расте в посока 3". Всеки фрагмент на Okazaki расте от 3" края на праймера ("РНК праймери", праймерите са червени на фигурата).

Репликационни ензими

Обща посока на репликация- посоката, в която се случва дублирането на ДНК.
Родителска ДНК- стара (майчина) ДНК.
Зелен облак до "Родителска ДНК"- ензим хеликаза, който разрушава водородните връзки между азотните бази на старата (майчината) верига на ДНК.
Сиви овали върху ДНК нишки, които току-що са били отделени една от друга- дестабилизиращи протеини, които предотвратяват свързването на ДНК вериги.
ДНК pol III- ДНК полимераза, която добавя нови нуклеотиди към 3" края на горната (водеща, непрекъснато синтезирана) ДНК верига (Водеща нишка).
Primase- primase ензим, който прави грунд (червено парче Лего). Сега броим праймерите отляво надясно:

• първият буквар все още е незавършен, primaza го прави в момента;
• от втория праймер ДНК полимеразата изгражда ДНК - в посока обратна на посоката на удвояване на ДНК, но в посока 3" края;
• от третия праймер ДНК веригата вече е изградена (Изоставаща нишка), тя се доближи до четвъртия буквар;
• четвъртият праймер е най-късият, защото ДНК полимераза (ДНК pol I)премахва го (известен още като РНК, няма нищо общо с ДНК, нуждаехме се само от десния край от него) и го заменя с ДНК;
• Петият буквар вече го няма на снимката, той е изцяло изрязан и на негово място е останала празнина. ДНК лигаза (ДНК лигаза)зашива това прекъсване заедно, така че долната (изоставаща) ДНК верига да е непокътната.

Ензимът топоизомераза не е посочен в супер снимката, но ще се появи по-късно в тестовете, така че нека кажем няколко думи за него. Ето едно въже, състоящо се от три големи нишки. Ако трима другари хванат тези три нишки и започнат да ги дърпат в три различни посоки, тогава много скоро въжето ще спре да се разплита и ще се свие в стегнати бримки. Същото нещо може да се случи с ДНК, която е двуверижно въже, ако не беше топоизомераза.

Топоизомерозата разрязва една от двете ДНК вериги, след което (втора снимка, червена стрелка) ДНК се завърта около една от своите вериги, така че да не се образуват стегнати бримки (топологичният стрес се намалява).

Терминална недостатъчна репликация

От супер снимката с репликационните ензими става ясно, че на мястото, останало след отстраняването на праймера, ДНК полимеразата допълва следващия фрагмент на Оказаки. (Наистина ли е ясно? Ако не друго, фрагментите на Оказаки в супер-картината са обозначени с числа в кръгове.) Когато репликацията в супер-картината достигне своя логичен (ляв) край, тогава последният (най-ляв) фрагмент от Оказаки ще няма да има „следващ“, така че няма да има кой да завърши ДНК на празното място, останало след премахването на праймера.

Ето още една рисунка за вас. Черната ДНК верига е стара, майчина. Дублирането на ДНК, за разлика от супермодела, се извършва отляво надясно. Тъй като новата (зелена) ДНК вдясно има 5" край, тя изостава и е удължена от отделни фрагменти (Okazaki). Всеки фрагмент на Okazaki расте от 3" края на неговия праймер (син правоъгълник). Праймерите, както си спомняме, се отстраняват от ДНК полимераза, която в този момент завършва следващия фрагмент на Okazaki (този процес е обозначен с червена елипса). В края на хромозомата няма кой да запълни тази секция, тъй като няма следващ фрагмент на Оказаки, там вече има празно място (празнина). Така след всяка репликация и двата 5" края на дъщерните хромозоми се скъсяват (терминална недостатъчна репликация).

Стволовите клетки (в кожата, червения костен мозък, тестисите) трябва да се делят много повече от 60 пъти. Следователно в тях функционира ензимът теломераза, който удължава теломерите след всяка репликация. Теломеразата разширява надвисналия 3" край на ДНК, така че да нарасне до размера на фрагмента на Okazaki. След това праймазата синтезира праймер върху него, а ДНК полимеразата разширява недостатъчно репликирания 5" край на ДНК.

Тестове

1. Репликацията е процес, при който:
А) възниква синтез на трансферна РНК;
Б) Настъпва синтез (копиране) на ДНК;
В) рибозомите разпознават антикодони;
Г) образуват се пептидни връзки.

2. Свържете функциите на ензимите, участващи в репликацията на прокариотите, с техните имена.

3. По време на репликация в еукариотни клетки, отстраняване на праймери
А) се извършва от ензим само с ДНКазна активност
Б) образува фрагменти на Оказаки
B) се среща само в изоставащи нишки
Г) се среща само в ядрото

4. Ако извлечете ДНК на бактериофаг fX174, ще откриете, че той съдържа 25% A, 33% T, 24% G и 18% C. Как бихте могли да обясните тези резултати?
А) Резултатите от експеримента са неверни; имаше грешка някъде.
B) Може да се приеме, че процентът на A е приблизително равен на този на T, което също е вярно за C и G. Следователно правилото на Chargaff не е нарушено, ДНК е двуверижна и се репликира полуконсервативно.
Б) Защото проценти A и T и съответно C и G са различни, ДНК е една верига; той се репликира от специален ензим, който следва специален механизъм за репликация с единична верига като шаблон.
D) Тъй като нито A е равно на T, нито G е равно на C, тогава ДНК трябва да бъде едноверижна; тя се репликира чрез синтезиране на комплементарната верига и използване на тази двуверижна форма като шаблон.

5. Диаграмата се отнася до репликация на двойноверижна ДНК.

За всеки от квадратите I, II, III изберете един ензим, който функционира в тази област.
А) Теломераза
Б) ДНК топоизомераза
Б) ДНК полимераза
Г) ДНК хеликаза

D) ДНК лигаза

6. Бактериална култура от среда с лек азотен изотоп (N-14) се прехвърля в среда, съдържаща тежък изотоп (N-15) за време, съответстващо на едно деление, и след това се връща в среда с лек азот изотоп. Анализът на състава на ДНК на бактерии след период, съответстващ на две репликации, показа: Настроики	отговор
	ДНК	светлина	средно аритметично
тежък	3/4	1/4	-
А	1/4	3/4	-
б	-	1/2	1/2
IN	1/2	1/2	-

Ж физическо развитиеи микроцефалия. Да предположим, че в ДНК екстракт от пациент с този синдром сте открили почти равни количества дълги и много къси участъци от ДНК. Кой ензим най-вероятно липсва/дефектен при този пациент?
А) ДНК лигаза
Б) Топоизомераза
Б) ДНК полимераза
Г) Хеликаза

8. ДНК молекулата е двойна спирала, съдържаща четири различни видовеазотни основи. Кое от следните твърдения е вярно по отношение на репликацията и химическа структураПравилна ли е ДНК?
A) Базовите последователности на двете нишки са еднакви.
Б) В двойна верига на ДНК съдържанието на пурини е равно на съдържанието на пиримидини.
В) И двете вериги се синтезират в посока 5’→3’ непрекъснато.
Г) Добавянето на първата база на новосинтезираната нуклеинова киселина се катализира от ДНК полимераза.
Д) Активността на ДНК полимеразата за коригиране на грешки се осъществява в посока 5’→3’.

9. Повечето ДНК полимерази също имат активността:
А) лигаза;
Б) ендонуклеаза;
B) 5"-екзонуклеаза;
D) 3"-екзонуклеаза.

10. ДНК хеликазата е ключов ензим за репликация на ДНК, който развива двойноверижната ДНК в едноверижна ДНК. По-долу е описан експеримент за определяне на свойствата на този ензим.

Кое от следните твърдения относно този експеримент е правилно?
A) Лентата, появяваща се в горната част на гела, е само ssDNA, с размер 6,3 kb.
B) Лентата, появяваща се на дъното на гела, е 300 bp белязана ДНК.
B) Ако хибридизираната ДНК се третира само с ДНК хеликаза и реакцията се проведе до завършване, подредбата на лентите изглежда като тази, показана в пътека 3 в b.
D) Ако хибридизираната ДНК се третира само с кипене без обработка с хеликаза, подреждането на лентите се появява, както е показано в пътека 2 в b.
E) Ако хибридизираната ДНК се третира само с варена хеликаза, подредбата на ивиците изглежда като тази, показана в пътека 1 в b.

Областна олимпиада 2001г
- Всеруска олимпиада 2001 г
- Международна олимпиада 2001г
- Международна олимпиада 1991г
- Международна олимпиада 2008г
- Областна олимпиада 2008г
- Международна олимпиада 2010г
Пълни текстоветези олимпиади могат да бъдат намерени.

Структура и функции на АТФ нуклеиновите киселини

ДА СЕ нуклеинова киселинавключват високополимерни съединения, които се разлагат по време на хидролиза на пуринови и пиримидинови основи, пентоза и фосфорна киселина. Нуклеинова киселинасъдържат въглерод, водород, фосфор, кислород и азот. Има два класа нуклеинови киселини: рибонуклеинови киселини (РНК)И дезоксирибонуклеинови киселини (ДНК).

Структура и функции на ДНК

отговор- полимер, чиито мономери са дезоксирибонуклеотиди. Модел на пространствената структура на молекулата на ДНК под формата на двойна спирала е предложен през 1953 г. от Дж. Уотсън и Ф. Крик (за изграждането на този модел те използват работата на М. Уилкинс, Р. Франклин, Е. Чаргаф ).

ДНК молекулаобразувани от две полинуклеотидни вериги, спирално усукани една около друга и заедно около въображаема ос, т.е. е двойна спирала (с изключение на някои ДНК-съдържащи вируси, които имат едноверижна ДНК). Диаметърът на двойната спирала на ДНК е 2 nm, разстоянието между съседните нуклеотиди е 0,34 nm и има 10 нуклеотидни двойки на завъртане на спиралата. Дължината на молекулата може да достигне няколко сантиметра. Молекулно тегло - десетки и стотици милиони. Общата дължина на ДНК в ядрото на човешката клетка е около 2 m. В еукариотните клетки ДНК образува комплекси с протеини и има специфична пространствена конформация.

ДНК мономер - нуклеотид (дезоксирибонуклеотид)- състои се от остатъци от три вещества: 1) азотна основа, 2) монозахарид с пет въглерода (пентоза) и 3) фосфорна киселина. Азотните основи на нуклеиновите киселини принадлежат към класовете пиримидини и пурини. ДНК пиримидинови бази(имат един пръстен в молекулата си) – тимин, цитозин. Пуринови основи(имат два пръстена) - аденин и гуанин.

ДНК нуклеотидният монозахарид е дезоксирибоза.

Името на нуклеотида се получава от името на съответната база. Нуклеотидите и азотните бази се обозначават с главни букви.

Полинуклеотидната верига се образува в резултат на реакции на нуклеотидна кондензация. В този случай, между 3"-въглеродния атом на дезоксирибозния остатък на един нуклеотид и остатъка от фосфорна киселина на друг, фосфоестерна връзка(принадлежи към категорията на силните ковалентни връзки). Единият край на полинуклеотидната верига завършва с 5" въглерод (наречен 5" край), другият завършва с 3" въглерод (3" край).

Срещу една верига от нуклеотиди има втора верига. Подреждането на нуклеотидите в тези две вериги не е произволно, а строго определено: тиминът винаги е разположен срещу аденина на едната верига в другата верига, а цитозинът винаги е разположен срещу гуанина, две водородни връзки възникват между аденин и тимин и три възникват водородни връзки между гуанин и цитозин. Моделът, според който нуклеотидите на различни ДНК вериги са строго подредени (аденин - тимин, гуанин - цитозин) и селективно се свързват помежду си, се нарича принципът на допълване. Трябва да се отбележи, че Дж. Уотсън и Ф. Крик разбират принципа на взаимното допълване след запознаване с трудовете на Е. Чаргаф. Е. Чаргаф, след като изследва огромен брой проби от тъкани и органи на различни организми, установи, че във всеки фрагмент на ДНК съдържанието на гуаниновите остатъци винаги точно съответства на съдържанието на цитозин и аденин на тимин ( "Правилото на Чаргаф"), но не можа да обясни този факт.

От принципа на комплементарността следва, че нуклеотидната последователност на едната верига определя нуклеотидната последователност на другата.

Веригите на ДНК са антипаралелни (многопосочни), т.е. нуклеотидите на различни вериги са разположени в противоположни посоки и следователно срещу 3" края на едната верига е 5" края на другата. Молекулата на ДНК понякога се сравнява с спираловидно стълбище. „Парапетът“ на това стълбище е захарно-фосфатен гръбнак (редуващи се остатъци от дезоксирибоза и фосфорна киселина); „стъпки“ са допълващи се азотни бази.

Функция на ДНК- съхраняване и предаване на наследствена информация.

ДНК репликация (редупликация)

репликация на ДНК- процесът на самоудвояване, основното свойство на ДНК молекулата. Репликацията принадлежи към категорията на реакциите на матричен синтез и се осъществява с участието на ензими. Под действието на ензимите молекулата на ДНК се развива и около всяка верига се изгражда нова верига, действаща като шаблон, съгласно принципите на комплементарност и антипаралелизъм. Така във всяка дъщерна ДНК една верига е майчина, а втората е новосинтезирана. Този метод на синтез се нарича полуконсервативен.

« Строителни материали"и източникът на енергия за репликация са дезоксирибонуклеозид трифосфати(ATP, TTP, GTP, CTP), съдържащи три остатъка от фосфорна киселина. Когато дезоксирибонуклеозид трифосфатите са включени в полинуклеотидна верига, два крайни остатъка от фосфорна киселина се отцепват и освободената енергия се използва за образуване на фосфодиестерна връзка между нуклеотидите.

Следните ензими участват в репликацията:

1. хеликази („размотаване“ на ДНК);
2. дестабилизиращи протеини;
3. ДНК топоизомерази (нарязана ДНК);
4. ДНК полимерази (избират дезоксирибонуклеозид трифосфати и ги прикрепват комплементарно към шаблонната верига на ДНК);
5. РНК праймери (формират РНК праймери);
6. ДНК лигази (свързват ДНК фрагменти заедно).

С помощта на хеликази определени областиДНК се развива, едноверижни ДНК участъци се свързват от дестабилизиращи протеини и a вилица за репликация. При дивергенция от 10 нуклеотидни двойки (едно завъртане на спиралата) молекулата на ДНК трябва да направи пълен оборот около оста си. За да предотврати това въртене, ДНК топоизомеразата разрязва една ДНК верига, позволявайки й да се върти около втората верига.

ДНК полимеразата може да прикрепи нуклеотид само към 3" дезоксирибозния въглерод на предишния нуклеотид, следователно този ензим може да се движи по шаблонната ДНК само в една посока: от 3" края до 5" края на тази шаблонна ДНК. Тъй като в майчината ДНК веригите са антипаралелни, тогава на нейните различни вериги сглобяването на дъщерните полинуклеотидни вериги се извършва по различен начин и в противоположни посоки на веригата 3"–5", синтезът на дъщерната полинуклеотидна верига се извършва без прекъсвания ще бъде наречен; водещи. На верига 5"–3" - периодично, на фрагменти ( фрагменти от Оказаки), които след завършване на репликацията се зашиват в една верига от ДНК лигази; тази дъщерна верига ще бъде извикана изоставащ (изоставащ).

Особеност на ДНК полимеразата е, че тя може да започне своята работа само с "семена" (буквар). Ролята на "праймери" се изпълнява от къси РНК последователности, образувани от ензима РНК примаза и сдвоени с шаблонна ДНК. РНК праймерите се отстраняват след завършване на сглобяването на полинуклеотидни вериги.

Репликацията протича по подобен начин при прокариотите и еукариотите. Скоростта на синтез на ДНК при прокариотите е с порядък по-висока (1000 нуклеотида в секунда), отколкото при еукариотите (100 нуклеотида в секунда). Репликацията започва едновременно в няколко части на ДНК молекулата. Фрагмент от ДНК от един източник на репликация към друг образува репликационна единица - репликон.

Репликацията се извършва преди клетъчното делене. Благодарение на тази способност на ДНК, наследствената информация се прехвърля от майчината клетка към дъщерните клетки.

Поправка („ремонт“)

Репарациинаречен процес на елиминиране на увреждане на нуклеотидната последователност на ДНК. Осъществява се от специални ензимни системи на клетката ( ремонтни ензими). В процеса на възстановяване на структурата на ДНК могат да се разграничат следните етапи: 1) нуклеазите за възстановяване на ДНК разпознават и премахват увредената област, в резултат на което се образува празнина в ДНК веригата; 2) ДНК полимеразата запълва тази празнина, копирайки информация от втората („добра“) верига; 3) ДНК лигаза "омрежва" нуклеотиди, завършвайки възстановяването.

Три механизма за възстановяване са най-изучени: 1) фоторепариране, 2) ексцизионно или предрепликативно възстановяване, 3) пострепликативно възстановяване.

Промените в структурата на ДНК настъпват постоянно в клетката под въздействието на реактивни метаболити, ултравиолетова радиация, тежки метали и техните соли и др. Следователно дефектите в системите за възстановяване увеличават скоростта на мутационните процеси и са причина наследствени заболявания(пигментна ксеродерма, прогерия и др.).

Структура и функции на РНК

РНК- полимер, чиито мономери са рибонуклеотиди. За разлика от ДНК, РНК се образува не от две, а от една полинуклеотидна верига (с изключение на това, че някои РНК-съдържащи вируси имат двойноверижна РНК). РНК нуклеотидите са способни да образуват водородни връзки помежду си. РНК веригите са много по-къси от ДНК веригите.

РНК мономер - нуклеотид (рибонуклеотид)- състои се от остатъци от три вещества: 1) азотна основа, 2) монозахарид с пет въглерода (пентоза) и 3) фосфорна киселина. Азотните бази на РНК също принадлежат към класовете пиримидини и пурини.

Пиримидиновите бази на РНК са урацил, цитозин, а пуриновите бази са аденин и гуанин. РНК нуклеотидният монозахарид е рибоза.

Маркирайте три вида РНК: 1) информационен(информационна) РНК - иРНК (иРНК), 2) транспортРНК - тРНК, 3) рибозомнаРНК - рРНК.

Всички видове РНК са неразклонени полинуклеотиди, имат специфична пространствена конформация и участват в процесите на протеинов синтез. В ДНК се съхранява информация за структурата на всички видове РНК. Процесът на синтезиране на РНК върху ДНК матрица се нарича транскрипция.

Трансфер РНКобикновено съдържат 76 (от 75 до 95) нуклеотиди; молекулно тегло - 25 000–30 000 тРНК представлява около 10% от общото съдържание на РНК в клетката. Функции на тРНК: 1) транспорт на аминокиселини до мястото на протеиновия синтез, до рибозомите, 2) транслационен посредник. Има около 40 вида тРНК, открити в една клетка, всяка от тях има уникална нуклеотидна последователност. Въпреки това, всички тРНК имат няколко интрамолекулни комплементарни области, поради което тРНК придобиват конформация, подобна на листа от детелина. Всяка тРНК има бримка за контакт с рибозомата (1), антикодонна бримка (2), бримка за контакт с ензима (3), акцепторен ствол (4) и антикодон (5). Аминокиселината се добавя към 3" края на акцепторното стебло. Антикодон- три нуклеотида, които "идентифицират" иРНК кодона. Трябва да се подчертае, че специфична тРНК може да транспортира строго определена аминокиселина, съответстваща на нейния антикодон. Специфичността на връзката между аминокиселината и тРНК се постига благодарение на свойствата на ензима аминоацил-тРНК синтетаза.

Рибозомна РНКсъдържат 3000–5000 нуклеотида; молекулно тегло - 1 000 000–1 500 000 рРНК представлява 80–85% от общото съдържание на РНК в клетката. В комплекс с рибозомните протеини рРНК образува рибозоми - органели, които извършват протеинов синтез. В еукариотните клетки синтезът на рРНК се извършва в нуклеолите. Функции на рРНК: 1) необходим структурен компонент на рибозомите и по този начин осигуряващ функционирането на рибозомите; 2) осигуряване на взаимодействието на рибозомата и тРНК; 3) първоначално свързване на рибозомата и иницииращия кодон на иРНК и определяне на рамката на четене, 4) образуване на активния център на рибозомата.

Пратени РНКварират по съдържание на нуклеотиди и молекулно тегло (от 50 000 до 4 000 000). иРНК представлява до 5% от общото съдържание на РНК в клетката. Функции на иРНК: 1) трансфер на генетична информация от ДНК към рибозоми, 2) матрица за синтеза на протеинова молекула, 3) определяне на аминокиселинната последователност на първичната структура на протеинова молекула.

Структура и функции на АТФ

Аденозин трифосфорна киселина (АТФ) - универсален източники основният акумулатор на енергия в живите клетки. АТФ се намира във всички растителни и животински клетки. Количеството на АТФ е средно 0,04% (от мокрото тегло на клетката), най-голямото числоАТФ (0,2–0,5%) се намира в скелетните мускули.

АТФ се състои от остатъци: 1) азотна основа (аденин), 2) монозахарид (рибоза), 3) три фосфорни киселини. Тъй като АТФ съдържа не един, а три остатъка от фосфорна киселина, той принадлежи към рибонуклеозид трифосфатите.

Повечето от работата, която се случва в клетките, използва енергията на хидролизата на АТФ. В този случай, когато крайният остатък от фосфорна киселина се елиминира, АТФ се трансформира в ADP (аденозин дифосфорна киселина), а когато вторият остатък от фосфорна киселина се елиминира, той се превръща в AMP (аденозинмонофосфорна киселина). Добивът на свободна енергия при елиминиране както на крайния, така и на втория остатък от фосфорната киселина е 30,6 kJ. Елиминирането на третата фосфатна група е съпроводено с освобождаване само на 13,8 kJ. Връзките между крайния и втория, втория и първия остатък на фосфорната киселина се наричат ​​високоенергийни (високоенергийни).

Резервите на АТФ непрекъснато се попълват. В клетките на всички организми синтезът на АТФ възниква в процеса на фосфорилиране, т.е. добавяне на фосфорна киселина към ADP. Фосфорилирането се извършва с различна интензивност по време на дишане (митохондрии), гликолиза (цитоплазма) и фотосинтеза (хлоропласти).

ATP е основната връзка между процесите, придружени от освобождаване и натрупване на енергия, и процесите, протичащи с разход на енергия. В допълнение, ATP, заедно с други рибонуклеозидни трифосфати (GTP, CTP, UTP), е субстрат за синтеза на РНК.

Репликацията е механизъм за самокопиране и основно свойство на наследствения материал, който представлява ДНК молекулите.

Особеност на ДНК е, че нейните молекули обикновено се състоят от две вериги, допълващи се една на друга, образувайки двойна спирала. По време на процеса на репликация веригите на родителската ДНК молекула се разминават и върху всяка се изгражда нова допълваща се верига. В резултат на това една двойна спирала се оформя в две, идентични с оригиналната. Тоест от една ДНК молекула се образуват две еднакви на матрицата и една на друга.

Така възниква репликация на ДНК по полуконсервативен начин, когато всяка дъщерна молекула съдържа една родителска верига и една новосинтезирана.

При еукариотите репликацията се извършва в S фазата на интерфазата клетъчен цикъл.

Механизмът и основните ензими, описани по-долу, са характерни за по-голямата част от организмите. Има обаче изключения, главно сред бактериите и вирусите.

Разминаването на нишките на оригиналната ДНК молекула се осигурява от ензима хеликаза, или хеликаза, който на определени места в хромозомите прекъсва водородните връзки между азотните бази на ДНК. Хеликазите се движат по ДНК, използвайки енергията на АТФ.

За да се предотврати повторното свързване на веригите, те се държат на разстояние една от друга дестабилизиращи протеини. Протеините се подреждат от пентозофосфатната страна на веригата. В резултат на това се образуват репликационни зони, т.нар репликационни вилици.

Репликационните вилици не се образуват на нито едно място в ДНК, а само на произход на репликация, състоящ се от специфична последователност от нуклеотиди (около 300 броя). Такива места се разпознават от специални белтъци, след което т.нар репликационно око, при което две ДНК вериги се разминават.

От началната точка репликацията може да продължи в една или две посоки по дължината на хромозомата. В последния случай нишките на ДНК се разминават напред-назад и от едно око на репликация се образуват две репликационни вилици.

репликон- единицата на репликация на ДНК, от началната до крайната точка.

Тъй като ДНК веригите са спирално усукани една спрямо друга, тяхното разделяне от хеликаза причинява появата на допълнителни завъртания преди вилицата за репликация. За да облекчи напрежението, ДНК молекулата би трябвало да се завърти около оста си веднъж на всеки 10 двойки разминаващи се нуклеотиди, което е точно толкова, колкото се образува едно завъртане на спиралата. В този случай ДНК ще се върти бързо, изразходвайки енергия. Но това не се случва, защото природата е намерила повече ефективен методсе справят с напрежението на спиралата, което възниква по време на репликацията.

Ензим топоизомеразаразкъсва една от ДНК веригите. Прекъснатата секция се завърта на 360° около втората непокътната верига и се свързва отново към нейната верига. Това облекчава напрежението, т.е. супернамотките се елиминират.

Всяка отделна ДНК верига на старата молекула се използва като шаблон за синтеза на нова верига, която е комплементарна на себе си. Добавянето на нуклеотиди към растящата дъщерна верига се осигурява от ензима ДНК полимераза. Има няколко вида полимерази.

На вилицата за репликация свободните нуклеотиди, разположени в нуклеоплазмата, се прикрепват към освободените водородни връзки на веригите съгласно принципа на комплементарност. Добавените нуклеотиди са дезоксирибонуклеозид трифосфати (dNTP), по-специално dATP, dGTP, dCTP, dTTP.

След като се образуват водородни връзки, ензимът ДНК полимераза свързва нуклеотида чрез фосфоестерна връзка с последния нуклеотид на дъщерната верига, която се синтезира. Това отделя пирофосфата, който включва два остатъка от фосфорна киселина, който след това се разделя на отделни фосфати. Реакцията на елиминиране на пирофосфат в резултат на хидролиза е енергийно благоприятна, тъй като връзката между първите, които влизат във веригата, и вторите фосфатни остатъци е енергийно богата. Тази енергия се използва от полимеразата.

Полимеразата не само удължава растящата верига, но също така е способна да отделя грешни нуклеотиди, т.е. има коригираща способност. Ако последният нуклеотид, който трябва да се добави към новата верига, не е комплементарен на шаблона, тогава полимеразата ще го премахне.

ДНК полимеразата може само да добави нуклеотид към -OH групата, разположена при 3-тия въглероден атом на дезоксирибозата. Така веригата се синтезира само от нейния 3' край. Тоест, синтезът на нова ДНК верига се извършва в посока от 5' към 3' края. Тъй като в двуверижната ДНК молекула веригите са антипаралелни, процесът на синтез по дължината на майчината или шаблонна верига протича в обратна посока– от 3´- до 5´-край.

Тъй като ДНК веригите са антипаралелни и синтезът на нова верига е възможен само в посока 5´→3´, тогава при репликационната вилица дъщерните вериги ще се синтезират в различни посоки.

В матрицата 3´→5´, сглобяването на нова полинуклеотидна последователност се извършва предимно непрекъснато, тъй като тази верига се синтезира в посока 5´→3´. Антипаралелната матрица се характеризира с посока 5´→3´, така че синтезът на дъщерна верига по посока на вилицата не е възможен тук. Тук ще бъде 3'→5', но ДНК полимерът не може да се прикрепи към 5' края.

Следователно се извършва синтез върху матрица 5´→3´ в малки площи - фрагменти от Оказаки (на името на учения, който ги е открил). Всеки фрагмент се синтезира в посока, обратна на формирането на вилицата, което гарантира спазване на правилото за сглобяване от 5' до 3'.

Друг „недостатък“ на полимеразата е, че тя сама не може да започне синтеза на част от дъщерната верига. Причината за това е, че той изисква -ОН края на нуклеотида, който вече е свързан към веригата. Следователно е необходимо семе, или буквар. Това е къса РНК молекула, синтезирана от ензима РНК примазаи ДНК, сдвоена с шаблонната верига. Синтезът на всяка област на Okazaki започва със собствен РНК праймер. Веригата, която се синтезира непрекъснато, обикновено има един праймер.

След отстраняване на праймерите и запълване на празнините с ДНК полимераза, отделни участъци от дъщерната ДНК верига се зашиват заедно от ензим ДНК лигаза.

Непрекъснатото сглобяване е по-бързо от фрагментираното сглобяване. Следователно една от дъщерните вериги на ДНК се нарича водещи, или водещ, вторият - изоставащ, или изоставащ.

При прокариотите репликацията протича по-бързо: приблизително 1000 нуклеотида в секунда. Докато еукариотите имат само около 100 нуклеотида. Броят на нуклеотидите във всеки фрагмент на Оказаки при еукариотите е приблизително до 200, при прокариотите - до 2000.

При прокариотите кръговите ДНК молекули образуват един репликон. При еукариотите всяка хромозома може да съдържа много репликони. Следователно синтезът започва от няколко точки, едновременно или не.

Ензимите и другите репликационни протеини работят заедно, за да образуват комплекс и да се движат по ДНК. Общо около 20 различни протеина са включени в процеса; тук са изброени само основните.

Прочетете също: Аналогови електромеханични уреди за измерване на ток и напрежение. Електростатични измервателни механизми Антидоти: определение. Основни механизми на действие на антидота Б.63. Диагностика на фалита, механизми за финансова стабилизация на предприятието. Най-важните принципи за разделяне на функциите по управление на инфраструктурата и териториалните ресурси и механизмите за тяхното ефективно функциониране. Взаимодействие на местните власти с предприятия от различни форми на собственост: цели и механизми. Волевата регулация, нейните критерии, функции и психологически механизми. Въпрос 4. Спомагателни механизми за отделяне на частици от потока.

репликация на ДНКе процесът на синтез на дъщерна молекула на дезоксирибонуклеинова киселина, който се случва по време на клетъчното делене върху матрицата на родителската ДНК молекула.

В същото време генетичният материал е криптиран в ДНК двойкии се разделя между дъщерните клетки.

Репликацията на ДНК се извършва от ензим ДНК полимераза.

Механизмът на репликация се основава на ензимен синтездезоксирибонуклеинова киселина (ДНК)

Строгата специфичност на сдвояването на азотните бази в молекулата на ДНК определя взаимно допълванебазови последователности в две нишки и осигурява висока точност

Според Уотсън и Крик процесът на репликация на ДНК включва:

1) празнинаводородни връзки и разплитане на нишкидвойна спирала;

2) синтезвърху единични вериги на комплементарни вериги.

В резултат на това две подобни молекули възникват от една двойноверижна ДНК, като във всяка от дъщерните молекули една полинуклеотидна верига е родителската, а другата е новосинтезирана ( полуконсервативен механизъм Репликация).

Процес на редупликация:

Развиване на спиралата на молекулата - разделяне на една верига от друга на части от ДНК молекула

Ефектът на ензима ДНК полимераза върху молекула

Прикрепване на комплементарни нуклеотиди към всяка ДНК верига

Образуване на две ДНК молекули от една.

Функционална единица на репликация – репликон (начало – начало, край – завършек). Веднъж стартирана, репликацията продължава, докато всички репликонняма да се дублира (удвоява).

Растежът на полинуклеотидната верига става само от нейния 3" край, т.е. в посока 5":3. Ензимът, който катализира тази реакция ДНК полимераза.

Репликационна вилка асиметричен. От двете синтезирани дъщерни ДНК вериги едната се изгражда непрекъснато, а другата периодично. Първият се нарича водещ, или водещи, верига, а втората - изоставащ.

Късите РНК сегменти, комплементарни на шаблонната ДНК верига, служат като праймери за синтеза на фрагменти от изоставащата верига. Тези РНК праймери, състоящи се от приблизително 10 нуклеотида, се синтезират на определени интервали върху матрица с изоставаща нишка от рибонуклеозид трифосфати в посока 5" : 3" с помощта на ензим РНК праймаси.

РНК праймерислед това те се удължават с дезоксинуклеотиди от 3" края чрез ДНК полимераза, която продължава да расте, докато изградената верига достигне РНК праймера, прикрепен към 5" края на предишния фрагмент. Така образуваните фрагменти (т.нар. фрагменти от Оказаки) изоставащата верига има 1000-2000 дезоксирибонуклеотидни остатъци в бактериите; в животински клетки тяхната дължина не надвишава 200 нуклеотида.

За да се осигури образуването на непрекъсната ДНК верига от много такива фрагменти, се включва специална система за възстановяване на ДНК, която премахва РНК праймера и го заменя с ДНК. Един ензим завършва целия процес ДНК лигаза, като катализира образуването на фосфодиестерна връзка между 3"-OH групата на новия ДНК фрагмент и 5"-фосфатната група на предишния фрагмент.

Развиване на двойната спирала и пространствата. разделянето на веригата се извършва с помощта на няколко специални протеина. Хеликази развийте къси участъци от ДНК, разположени непосредствено преди вилицата за репликация.

Към всяка от разделените вериги са прикрепени няколко молекули ДНК свързващи протеиникоито предотвратяват образуването на комплементарни двойки и обратно обединяване на веригите.

Кога пръстенов репликон(например в плазмид) описаният процес се нарича. q-репликация. Кръговите ДНК молекули са усукани (суперспирални); когато двойната спирала се развива по време на репликация, те трябва непрекъснато да се въртят около собствената си ос. В този случай възниква напрежение на усукване, което се елиминира чрез прекъсване на една от веригите. След това двата края веднага се свързват отново един с друг. Тази функция се изпълнява от ензим ДНК топоизомераза .

ДНК полимераза

ДНК полимеразата е ензим, участващ в репликацията на ДНК. Ензимите от този клас катализират полимеризацията на дезоксирибонуклеотиди по протежение на верига от ДНК нуклеотиди, които ензимът "чете" и използва като шаблон. Типът на новия нуклеотид се определя от принципа на комплементарност с шаблона, от който се чете. Сглобената молекула е комплементарна на шаблонната моноспирала и е идентична с втория компонент на двойната спирала.

Има ДНК-зависима ДНК полимераза, която използва една от ДНК веригите като матрица, и РНК-зависима ДНК полимераза, която също е способна да чете информация от РНК (обратна транскрипция).

ДНК полимеразата започва репликация на ДНК чрез свързване към участък от нуклеотидна верига. Средният брой нуклеотиди, добавени от ДНК полимеразните ензими по време на един акт на свързване/дисоциация с шаблона, се нарича процесивност.

ДНК хеликази

ДНК хеликазите са ензими, които развиват двойноверижна ДНК спирала, използвайки енергия от хидролизата на NTP трифосфати. Произведената едноверижна ДНК участва в различни процесикато репликация, рекомбинация и възстановяване. ДНК хеликазите са от съществено значение за репликацията, възстановяването, рекомбинацията и транскрипцията. Хеликазите присъстват във всички организми.