Репликация ДНК

Репликация ДНК

Репликация ДНК

Уникальное свойство молекулы ДНК удваиваться перед делением клетки называется репликацией. Это свойство обусловлено особенностью строения молекулы ДНК, состоящая из двух комплементарных цепей. Репликация происходит в ядре в S-периода интерфазы. На это время хромосомы под световым микроскопом не проявляются. Репликация ДНК - важнейший молекулярный процесс, который является в основе всех разновидностей деления клеток, всех типов размножения, а, значит, в основе обеспечения длительного существования отдельных индивидуумов, популяций и всех видов живых организмов. Для каждого вида очень важно поддерживать постоянство своего генотипа и фенотипа, а значит, сохранять неизменность нуклеотидной последовательности генетического кода.

Для этого необходимо абсолютно точно воспроизводить молекулы ДНК перед каждым делением клетки, т.е. основное функциональное значение репликации – обеспечение потомка стабильной генетической информацией развития, функционирования и поведения. Полуконсервативной путь репликации ДНК. Установлено (М. Мезельсон, Ф. Сталь), что в процессе репликации две нити ДНК разделяются, каждая из них является шаблоном (матрицей) для синтеза вдоль нее новой нити. Последовательность оснований, которые должны быть в новых нитях, можно легко предсказать, так как они комплементарны основам, присутствующие в старых нитях. Таким образом, образуются две дочерние молекулы, идентичные материнской. Каждая дочерняя молекула состоит из одной старой (материнской) нити и одной новой нити. Поскольку только одна материнская нить сохранена в каждой дочерней молекуле, такой тип репликации называется полукони- сервативных. Каждый из двух цепей материнской молекулы ДНК используется как матрица для синтеза новых комплементарных цепей.

Механизм репликации ДНК. Репликация ДНК - сложный, многоступенчатый процесс, требующий привлечение большого количества специальных белков и ферментов. Например, инициаторный белки образуют ре- пликацийную вилку, ДНК-топоизомеразы раскручиваютцепи ДНК-хеликаза и дестабилизирующий белок расщепляют ДНК на два отдельных цепи ДНК-полимераза и ДНК-праймазой катализируют полимеризацию нуклеотидтрифосфатов и образование новой цепи, ДНК-лигазы разрушают РНК-затравки на отстающих цепях ДНК и др. Процесс происходит аналогично как у прокариот, так и в эукариот, хотя несколько отличается по скорости, направленностью, количеством точек репликации т.д. Скорость репликации в эукариот очень велика и составляет 50 нуклеотидов в секунду, а в прокариот еще выше - до 2000 нуклеотидов в секунду. Точность репликации обеспечивается комплементарной взаимодействием азотистых оснований матричного цепи и цепи, строится. Кроме этого, весь процесс контролируется ДНК-полимеразой, что само- корректирует и устраняет ошибки синтеза. Основные этапы репликации:

1. Инициация (лат. initialis - первичный, исходный). Активация дезоксирибонуклеотидов. Монофосфат дезоксирибонуклеотидов (АМФ, ГМФ, ЦМФ, ТМФ) находятся в состоянии "свободного плавания" в ядре и является "сырьем" для синтеза ДНК. Для включения в ДНК они активируются в результате взаимодействия с АТФ. Эта реакция называется фосфорилированием и катализируется ферментом фосфорилазы. При этом образуются трифосфаты дезоксирибонуклеотидов, такие как АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ. В таком виде они енергезовани и способны к полимеризации. Распознавание точки инициации. Раскрутка ДНК с определенной точки. Такая особая точка называется точкой инициации репликации (специальная последовательность нуклеотидов). Для определения точки инициации необходимы специфические белки-инициаторы. У вирусов и прокариот есть только одна точка инициации. В эукариот, имеющих крупные молекулы ДНК, может быть много точек инициации репликации, что в конечном счете сливаются друг с другом при полном разъединении цепей ДНК. Репликация обеих цепей ДНК происходит одновременно и непрерывно.

Раскрутка молекулы ДНК. Двойная спираль ДНК раскручивается и разворачивается на отдельные нити ДНК путем разрыва слабых водородных связей между комплементарными нуклеотидами. Этот процесс обеспечивают ферменты - хеликазы. Обнаженные основы А, Т, Г и Ц обеих цепей проектируются в кариоплазму. Ферменты, названные топоизомеразами, разрывают и заново сшивают отдельные нити ДНК, помогают раскрутке спирали. Благодаря разъединению цепей ДНК возникают репликационный вилки. Новые нити ДНК образуются на каждом из освобожденных цепей, их рост происходит в противоположных направлениях.

2. Элонгация. Свободные трифосфаты дезоксирибонуклеотидов своими азотистыми основаниями присоединяются водородными связями в азотистых оснований обеих цепей ДНК, согласно правилу комплемен- тарности, т.е. А-Т, Ц-Г (рис. 1.54). Элонгация - это добавление дезоксирибонуклеоты- ду к З'-концу цепи, растет. Процесс катализируется ДНК-полимеразой.

Трифосфаты дезоксирибонуклеотидов (тринуклеотиды), присоединяясь к каждой цепи ДНК, разрывают свои внутренние высокоэнергетические связи и образуют монофосфат дезоксирибонуклеотидов (Мононуклеотидов), что является обычным компонентами ДНК. При этом в нуклеоплазму поступают пирофосфатных молекулы, освободившихся (Р ~ Р). Образование новых цепей ДНК. В дальнейшем присоединены соседние нуклеотиды связываются между собой фосфорными остатками и образуют новый цепь ДНК. Процесс катализируется ферментом ДНК-полимеразой. При этом необходимо присутствие ионов металлов Мп2 + или Mg2 +. ДНК-полимераза может полимеризуваты дезоксирибонуклеотидов в направлении 5-3 ", т.е. от углеродного 5'-конца к углеродному З'-конца молекул ДНК. Поскольку две нити ДНК является антипараллельными, новые нити должны образовываться на старых (материнских) нитях в противоположных направлениях. Одна новая нить образуется в направлении 5'-3 '. Эта нить называется ведущей. На второй материнской нити образуются короткие сегменты ДНК в направлении 3'-5 '. Впоследствии они соединяются вместе, образуя длинную отстающую нить. Образование праймеров. На отстающей нити сначала образуется короткий цепь РНК по шаблону ДНК. Она называется РНК-праймером и содержит последовательность из 10-60 нуклеотидов. Фермент праймазой катализирует полимеризацию блоков РНК (А, В, Г, Ц) в праймере. РНК-праймер образуется том, что ДНК-полимераза не может инициировать синтез новой нити ДНК в отстающем цепи в направлении 3'-5 ', она только может катализировать ее рост. Праймеры позже удаляются, а полости, образовавшиеся заполняются дезоксирибонуклеотидов- мы ДНК в направлении 5'-3 ', завершающий построение второй цепи. На месте праймеров образуются фрагменты новой цепи ДНК, которые называются фрагментами Оказаки и состоят из 100 - 200 нуклеотидов. Эти фрагменты легуються (сшиваются) полинуклеотидлигазамы, в результате чего образуется второй полноценный цепь. Этот процесс называется созреванием. Редактирования. Четкая комплементарность пар оснований обеспечивает точную репликацию ДНК. Однако иногда возникают ошибки в присоединении основ. Они удаляются ДНК-полимеразой, которая для этого снова связывается с молекулами ДНК (репарация).

3. Терминация (лат. terminalis - конечный). После завершения процесса репликации молекулы, образовавшиеся разделяются, и каждая дочерняя нить ДНК скручивается вместе с материнской в ??двойную спираль. Так образуются две молекулы ДНК, идентичныематеринской. Они формируются отдельными фрагментами по длине хромосомы. Такой отдельный фрагмент ДНК, удваивается на одной хромосоме, называется репликона. Возникает сразу несколько репликона, причем асинхронно и в ризниии участках. Процесс репликации касается всей хромосомы и протекает практически одновременно, с одинаковым скоростью. После завершения репликации в Рэпликонах они сшиваются ферментами в одну молекулу ДНК. В клетке человека, делящегося образуется более 50000 репликона одновременно.

Длина каждого из них 30 мкм. Благодаря большому количеству репликона скорость репликации увеличивается в тысячи раз. Продолжительность процесса удвоения генетического материала составляет примерно 10 ч. Участки хромосом, где начинается репликация, называются точками инициации. Считают, что это, вероятно, места прикрепления интер- фазных хромосом к белкам ламели ядерной оболочки. Процесс включается цитоплазматические факторы неизвестной природы, поступающего в ядро. Репликация протекает в строго определенном порядке, т.е. сначала начинают реплицироваться одни участки хромосом, а позднее - другие. В синтетическом периоде интер- фазы удваивается также и количество гистоновых белков, ассоциирующиеся с синтезированными ДНК и образуют классическую структуру хроматина. Нарушение точности репликации приводит к нарушению синтеза белков и развития патологических изменений клеток и органов.

Значение репликации:

а) процесс является важным молекулярным механизмом, лежащим в основе всех разновидностей деления клеток проэукариот, б) обеспечивает все типы размножения как одноклеточных, так и многоклеточных организмов,

в) поддерживает постоянство клеточного

состава органов, тканей и организма в результате физиологической регенерации

г) обеспечивает длительное существование отдельных индивидуумов;

д) обеспечивает длительное существование видов организмов;

е) процесс способствует точному удвоениюинформации;

ж) в процессе репликации возможны ошибки (мутации), что может приводить к нарушениям синтеза белков с развитием патологических изменений.