Воспроизведение на молекулярном уровне. Биологическое значение редупликации днк.

Используя термины молекулярной биологии, это означает, что ДНК исходной клетки, или клетки-матери, делится на две идентичные копии. Этот процесс называется репликацией.

Для осуществления ауторепродукции необходимы синтетические процессы в цитоплазме, ведущие к образованию четырех типов нуклеотидов, необходимы ферменты для полимеризации полинуклеотидной цепи, необходимы источники энергии и наличие других внутриклеточных условий.

Синтез молекул ДНК связан с затратой энергии, поэтому он не идет при использовании простых нуклеозидов. Эти нуклеозиды должны быть обогащены энергией, полученной ими путем фосфорилирования, присоединения к ним пирофосфата аденозинтрифосорной кислоты (АТФ).

Этот удивительный аккумулятор и переносчик энергии в основе своей структуры имеет знакомую нам адениловую кислоту, входящую в состав молекул нуклеиновых кислот. От АТФ отрывается фосфорный остаток, который переносится на молекулу другого вещества.

Именно эта реакция и лежит в основе активирования нуклеозидов, содержащих основания А, Г, Ц, Т.

ДНК не только кодирует генетическую информацию, но и самовоспроизводится при каждом клеточном делении. Экспериментально было доказано, что одновременно с делением клетки ДНК снимает с самой себя точные копии в процессе редупликации (репликации).

Согласно модели ДНК Уотсона и Крика, предложенной ими в 1953 году, разрыв по водородным связям между комплементарными основаниями ведет к освобождению одноцепочечных полинуклеотидов ДНК.

Пять принципов репликации ДНК:

1. комплементарность;

2. антипараллельность;

3. полуконсервативность;

4. двунаправленность от одной специфической точки начала репликации (в большинстве случаев);

5. согласованность репликации и клеточного деления.

Репликация ДНК

совершается в 2 этапа:

1. сначала цепи полностью раскручиваются и разделяются;

2. затем каждая цепь по отдельности действует как матрица, в результате чего образуются 2 новые двуспиральные молекулы ДНК.

Репликация ДНК лежит в основе:

воспроизведения генетической информации при размножении живых организмов;

передачи наследственных свойств из поколения в поколение;

развития многоклеточного организма из зиготы.

Общие принципы репликации ДНК применимы, с небольшими модификациями, ко всем организмам.

Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой точки образует единицу репликации – репликон.

Согласованность репликации и клеточного деления у эукариот:

Каждый репликон должен реплицироваться один – и только один раз за клеточный цикл.

Группы репликонов эукариот

                   (т.н. репликационные единицы, содержащие 20-80 репликонов) инициируются и проходят репликацию упорядоченно, примерно в течение 1 часа.

репликация всей ДНК происходит в синтетический период интерфазы клеточного цикла.

Спираль родительской ДНК раскручивается и комплементарные цепи отделяются друг от друга.

Область расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называют репликационными вилками.

Поскольку две цепи, образующие молекулу ДНК, соединены водородной связью и переплетены, образуя двойную спираль, их не так-то просто разделить.

Более того, ДНК внутри клетки также свернуты плотной сверхспиралью для компактности.

Прежде чем разделить цепи, нужно расплести как сверхспираль ДНК внутри клетки, так и двойную спираль ДНК.

Это происходит в два этапа. Сначала расплетается сверхспираль ДНК внутри клетки при помощи фермента, известного под названием ДНК-гираза.

Как только сверхспираль ДНК внутри клетки расплетена, фермент

ДНК-хеликаза раскручивает двойную спираль ДНК. Хеликаза не разрывает цепи ДНК, а просто разрушает водородные связи, которые соединяют цепи молекулы ДНК.

Репликационная вилка включает в себя вращающуюся часть, где ДНК раскручивается

ДНК-гиразой, затем сразу действует хеликаза, а отрезки одноцепочечной ДНК разъединяются.

Для удержания на расстоянии новых цепей имеется специальный «разводящий» белок, который крепится к каждой непарной одноцепочечной ДНК.

Этот белок называется

SSB -белок.

Очень важным моментом в процессе репликации является образование пар оснований: A и T пары и G и C пары.

Каждая из разделенных родительских цепей ДНК служит цепью-образцом для синтеза новой комплементарной цепи. Нуклеотиды, пребывающие для формирования новой цепи, определяют своих партнеров, подбирают пару, и таким образом выстраиваются на цепи-образце.

Фермент, который связывает нуклеотиды, известный как ДНК-полимераза

также может распознать, правильно ли подобраны пары основаниям.

Если неправильно, то неподходящее основание отвергается.

ДНК-полимераза состоит из двух субъединиц.

Одна из них называется синтетической субъединицей и отвечает за построение новой ДНК.

Другая субъединица имеет форму бублика и перемещается вверх или вниз на цепи-образце ДНК, как кольцо на карнизе для штор. Эта субъединица, напоминающая скользящий зажим, скрепляет синтетическую единицу фермента с ДНК.

Синтез всегда происходит от 5^/-конца к 3^/-концу: нуклеотид добавляется к 3^/-OH растущей цепи.

Хотя ведущая цепь все увеличивается и увеличивается, отстающая цепь сильно запаздывает. После прохождения через репликационную вилку, отстающая цепь представляет собой короткие отрезки с пустотами между ними.

Эти короткие, только что созданные отрезки ДНК, названы фрагментами Оказаки (200-400 нуклеотидов) в честь открывшего их ученого. Синтезирует запаздывающую цепь ДНК-полимераза-III малыми фрагментами.

Но эти фрагменты нужно соединить, чтобы получить сплошную цепь ДНК.

Это соединение берут на себя два фермента, выполняющие свои функции один за другим: ДНК-полимераза I и

ДНК-лигаза.

ДНК-полимераза-I заполняет собой пустоты, а

ДНК-лигаза зашивает одноцепочечный разрыв.

Удивительно, что

ДНК-полимераза сама не способна индуцировать синтез новых цепей, а может только добавлять звенья к уже имеющейся цепи.

Еще более удивительно то, что новые цепи начинают синтез с короткого отрезка, но не ДНК, а РНК!

Эти короткие участки РНК называются затравкой, или праймером, а фермент, который начинает синтез новых звеньев построением РНК-затравки называется праймазой.

Праймаза индуцирует репликацию всей лидерной цепи, а в отстающей - в каждом фрагменте Оказаки праймаза инициирует репликацию праймера.

При каждом строительстве нового фрагмента ДНК, праймаза внедряется и выделяет короткую РНК затравку, чтобы начать процесс синтеза.

И только после этого

ДНК-полимераза-I начинает наращивать цепь.

РНК-затравка-праймер удаляется

РНКазой H и 5^/ - 3^/ экзонуклеазой.

После прохождения через репликационную вилку, двуцепочечная молекула ДНК автоматически сворачивается в спираль.

Репликация ядерной ДНК происходит в определенный период жизненного цикла клетки – синтетический период интерфазы.

Ауторепродукция хромосом и последующее за ней деление клетки направлены на то, чтобы дочерние клетки получили всю полноту генетической информации, имеющуюся в исходной родительской клетке.