Молекулярни механизми на репликация на ДНК. Репликацията в биологията е важен молекулярен процес на телесните клетки. Ензими и протеини на репликацията
Основното функционално значение на процеса на репликация на ДНК е снабдяването на потомството с генетична информация. За да се гарантира генетичната стабилност на даден организъм и вид, ДНК трябва да бъде репликирана напълно и с много висока точност. Процесът на репликация на ДНК е много сложен. Съдържа много ензими. Първото ензимологично изследване на репликацията на ДНК е извършено от Артър Корнберг, който открива в Escherichia coli ензим, който днес се нарича ДНК полимераза I. Този ензим проявява няколко вида ензимна активност и се характеризира със сложна структура. Като субстрати ДНК полимераза I използва дезоксирибонуклеозид трифосфати, получени от аденин, гуанин, цитозин и тимин. Полимеразната активност, демонстрирана за първи път за ДНК полимераза I, е характерна за други полимерази на прокариотни и еукариотни клетки, важно е да запомните, че е установено, че основната функция на ДНК полимераза 1 на Е. coli е възстановяване на ДНК.
Иницииране на синтеза на ДНК
За да се започне синтеза на ДНК (фиг. 38.13), са необходими къси (10-200 нуклеотиди) последователности на РНК, които действат като праймери (праймери). Синтезът започва с реакция между 3-хидроксилната група на РНК праймера и а-фосфатната група на дезоксирибонуклеозид трифосфата, по време на която дезоксирибонуклеозидният остатък се прикрепя към РНК праймера с едновременно разцепване на пирофосфата. След това 3-хидроксилната група на прикрепения дезоксирибонуклеозид монофосфат извършва нуклеофилна атака върху а-фосфатната група на следващия вграден дезоксирибонуклеозид трифосфат, също с разцепване на пирофосфат. Естествено, изборът на следващия нуклеотид на всяка стъпка от синтеза се определя от шаблонната ДНК верига съгласно правилата, предложени за първи път от Уотсън и Крик (фиг. 38.14). Така че, ако остатъкът от аденин дезоксирибонуклеозид монофосфат е в съответната позиция на матричната верига, тогава тимидин трифосфатът ще влезе в реакцията и неговата а-фосфатна група ще бъде атакувана от 3-хидроксилната група на последния остатък от нарастващата верига . Реакцията възниква само ако вмъкнатият нуклеотид образува комплементарна двойка със следващия нуклеотид от веригата на ДНК матрицата и поради водородните връзки заема позиция, в която 3-хидроксилната група на нарастващата верига атакува новия нуклеотид и го включва в полимерът. ДНК последователностите, прикрепени към РНК праймери, са кръстени на японския учен, който ги е открил - фрагменти на Оказаки (фиг. 38.15). При бозайниците, след образуването на значителен брой фрагменти на Оказаки, започва репликационният комплекс
(виж сканиране)
Ориз. 38.13. Иницииране на ДНК синтеза чрез РНК праймер и последващо добавяне на втори дезоксирибонуклеозид трифосфат.
Ориз. 38.14. Шаблонна функция на ДНК веригата по време на синтеза на комплементарната верига, инициирана от РНК праймера.
Ориз. 38.15. Прекъсната полимеризация на дезоксирибонуклеотиди и образуване на фрагменти на Оказаки.
до отстраняване на РНК праймери и запълване на получените пропуски със съответните дезоксирибонуклеотиди. След това, с помощта на ДНК лигаза, фрагментите се „зашиват“ заедно, за да образуват непрекъсната верига от ДНК.
Полярност на репликация
Както вече беше отбелязано, ДНК молекулите се състоят от две антипаралелни вериги. Репликацията на ДНК при про- и еукариотите се извършва едновременно и на двете вериги. Въпреки това, няма ензим, който да води синтеза на ДНК в посоката и, следователно, новосинтезираните вериги, изглежда, не могат да растат в същата посока по едно и също време. Въпреки това противоречие, един и същ ензим извършва почти синхронен синтез на двете вериги. В този случай веригата, синтезирана в посока 5-Y („водеща“), се оказва непрекъсната. Синтезът на втората ("изоставаща") верига се извършва на фрагменти от 150-200 нуклеотида. Следващите действия на иницииране на синтеза на тези фрагменти, възникващи във всеки даден момент също в посока, се извършват, когато вилицата за репликация се движи в една посока. Схемата на "полу-непрекъснат" синтез на ДНК е показана на фиг. 38.16.
По време на репликацията на ядрената ДНК при бозайниците
Ориз. 38.16. Процесът на полу-непрекъсната, едновременна репликация на двете вериги на двойноверижна ДНК.
повечето от РНК праймерите се отстраняват в края на процеса, докато по време на репликацията на митохондриалния геном, малки фрагменти от РНК остават интегрирани в затворена кръгова ДНК молекула.
Ензими за полимеризация и възстановяване на ДНК
В ядрата на клетките на бозайниците има клас полимерази, така наречените алфа полимерази (Pol a), отговорни за хромозомната репликация. Една молекула Pol a е в състояние да включи около 100 нуклеотида в секунда в нарастващата верига, като по този начин функционира около десет пъти по-бавно от бактериалната ДНК полимераза. Намаляването на скоростта може да се обясни с интерференция от нуклеозоми. Не е известно как ДНК полимеразата преминава през нуклеозомите. Известно е обаче, че след завършване на репликацията, съответните нуклеозоми се разпределят на случаен принцип в двете дъщерни вериги.
В ядрата на клетките на бозайниците е открита и ДНК полимераза с по-ниско молекулно тегло от Pol a, полимераза бета (Pol), която не участва в нормалния процес на репликация, но е необходима за възстановяване на ДНК (виж по-долу). Друга, митохондриална, ДНК гама полимераза (Poly) репликира кръговия митохондриален геном.
Пълната репликация на генома на бозайника завършва за 9 часа, времето, необходимо за удвояване на генетичния материал на диплоидна деляща се клетка. Такава скорост показва, че репликацията започва едновременно в много области, наречени репликационни източници и обозначавани с ori (от английски origin - началото). Такива точки (сайтове) са около 100. Репликацията протича в две посоки и двете вериги се репликират едновременно. В този случай на хромозомата се образуват така наречените "репликационни мехурчета" (фиг. 38.17).
Местата, които действат като начало на репликация в еукариотите, не са ясно дефинирани. По-пълни данни в това отношение са налични за дрожди и няколко животински вируса. Със сигурност може да се каже, че процесите на иницииране се контролират както пространствено, така и времево, тъй като съседните клъстери се инициират синхронно. Има схващане, че функционалните хроматинови домени се репликират като интегрални единици. Това означава, че произходът на репликацията е разположен по доста определен начин по отношение на транскрипционните единици.
Ориз. 38.17. Образуване на "репликационни мехурчета" по време на синтеза на ДНК. Показани са двупосочността на репликацията и предложеното местоположение на протеини, развиващи веригата в репликационните вилици.
Ориз. 38.18. Хипотетична схема на действие на протеин, специфичен за едноверижна ДНК в репликационната вилка. Когато втората верига се синтезира, протеинът се освобождава и се прикрепя към новообразуваните участъци от едноверижна ДНК. (С любезното съдействие на W. Alberts.)
(виж сканиране)
Ориз. 38.19. Сравнение на два типа реакции, възстановяващи едноверижни прекъсвания на ДНК. Реакциите, показани вляво, се катализират от ДНК лигаза, а тези, показани вдясно, се катализират от ДНК топоизомераза. (Леко модифицирано и възпроизведено, с разрешение от Lehninger A.L.: Biochemistry, 2-ро изд. Worth, 1975 г.)
По време на репликацията двойноверижната ДНК трябва да бъде разделена на отделни вериги, така че всяка верига да може да функционира като шаблон. Разделянето на ДНК вериги се улеснява от молекули на специфични протеини, които стабилизират едноверижната структура по време на напредването на вилицата за репликация. Стабилизиращите протеини се свързват стехиометрично към една верига, без да пречат на нуклеотидите, действащи като шаблон (фиг. 38.18). Заедно с разделянето на веригите трябва да настъпи и размотаването на спиралата (1 завъртане на всеки 10 нуклеотида), съпроводено с усукване на новосинтезираните дъщерни вериги. Като се има предвид времето, необходимо на репликацията при прокариотите, може да се изчисли, че една ДНК молекула трябва да се върти със скорост от 400 000 оборота в минута, което е напълно невъзможно. Следователно трябва да има множество "панти", разположени по цялата дължина на ДНК молекулата. Шарнирните функции се изпълняват от специален ензим (ДНК топоизомераза), който въвежда прекъсвания в една от веригите на неусуканата двойна спирала. Разкъсванията бързо се зашиват от същия ензим без допълнителни енергийни разходи, тъй като необходимата енергия се съхранява под формата на макроергична ковалентна връзка, която възниква между захарно-фосфатния скелет на ДНК веригата и топоизомераза. Показано на фиг. 38.19 схемата на този процес може да се сравни с последователността от събития на свързване на прекъсване на ДНК, катализирано от ДНК лигаза. ДНК топоизомеразите също са отговорни за размотаването на свръхспиралната ДНК. Свръхспиралната ДНК е силно подредена структура, образувана от кръгли или изключително дълги ДНК молекули, когато се усукват около хистоновото ядро (фиг. 38.20).
Един от класовете животински вируси (ретровируси) има ензими, способни да синтезират ДНК молекула от РНК матрица. РНК-зависимата ДНК полимераза или обратната транскриптаза (това е името на този ензим) първо синтезира хибрид РНК-ДНК, използвайки рибонуклеиновия геном на вируса като шаблон. След това ензимът RNase H премахва РНК веригата, а останалата ДНК верига на свой ред служи като шаблон за синтеза на втора ДНК верига. По този начин се появява cDNA-двуверижно ДНК копие, съдържащо информация, която е представена предимно под формата на геном на ретровирусна РНК.
Регулиране на синтеза на ДНК
В животинските и човешките клетки репликацията на ДНК се извършва само през определен период от живота на клетката. Този период се нарича синтетичен (т.нар. -фаза). -фазата се отделя от митозата от предсинтетични и постсинтетични периоди (фиг. 38.21).
Ориз. 38.20. Супернавиване на ДНК. Лява тороидална (соленоидна) суперспирала (вляво) се превръща в дясна, когато цилиндричното ядро се отстрани. Подобен преход възниква по време на разрушаването на нуклеозомите в случай на екстракция на хистони с концентрирани солеви разтвори.
Основната регулация на синтеза на собствена ДНК от клетката е, че репликацията се извършва в строго определено време и главно в клетките, подготвящи се за делене. Цикличните пуринови нуклеотиди и, вероятно, самите субстрати на синтеза на ДНК участват в регулирането на навлизането на клетката в α-фазата. Механизмът на тази регулация остава неизвестен. Много онковируси са способни да отслабят или унищожат вътрешните информационни връзки, които контролират навлизането на клетките в -фазата. Отново, механизмът остава неясен, въпреки че може да включва фосфорилиране на определени протеинови молекули в клетката гостоприемник.
В -фазата клетките на бозайниците съдържат по-голямо количество полимераза а, отколкото в несинтетичните периоди на клетъчния цикъл. В допълнение, в -фазата се засилва активността на ензимите, участващи в образуването на субстрати за синтеза на ДНК (дезоксирибонуклеозид трифосфати). Активността на тези ензими намалява при излизане от α-фазата и остава на ниско ниво до пристигането на сигнала за възобновяване на синтеза на ДНК. Във -фазата настъпва пълна и строго единична репликация на ядрената ДНК. Изглежда, че в резултат репликираният хроматин е маркиран по някакъв начин
Ориз. 38.21. Цикъл на клетъчно делене при бозайници. Фазата на синтез на ДНК (-фаза) е отделена от митозата с периоди G, и G,. (Стрелката показва посоката на цикъла на развитие на клетката.)
което пречи на по-нататъшната репликация, докато клетката претърпи митоза. Може да се предположи, че метиловите групи действат като такъв ковалентен маркер (т.е. маркирането на ДНК се извършва поради нейното метилиране).
По правило всяка дадена двойка хромозоми се репликира едновременно и в строго определен интервал от S-фазата. Природата на сигналите, регулиращи синтеза на ДНК на това ниво, е неизвестна, но очевидно всяка отделна хромозома притежава такъв регулаторен механизъм.
Разграждане и възстановяване на ДНК
Предаването на наследствена информация в неизкривен вид е най-важното условие за оцеляването както на всеки отделен организъм, така и на вида като цяло. Следователно еволюцията трябва да е развила система, която позволява на клетката да коригира увреждането на ДНК, причинено от грешки при репликация или вредни влияния на околната среда. Изчислено е, че в резултат на увреждане, дължащо се на тези причини, в генома на човешките зародишни клетки настъпват средно шест нуклеотидни промени годишно. Очевидно приблизително същият брой мутации се случват в соматичните клетки годишно.
Както е описано в гл. 37, основното условие за точна репликация е правилното образуване на нуклеотидни двойки. Точността на комплементарните взаимодействия зависи от това дали пуриновите и пиримидиновите нуклеотиди са в тавтомерна форма, благоприятна за сдвояване (фиг. 34.7). В равновесие концентрацията на благоприятните тавтомерни форми на нуклеотидите надвишава концентрацията на неблагоприятните тавтомери 104-105 пъти. Това очевидно не е достатъчно, за да се гарантира разпознаване без грешки. Ето защо в клетките на бактерии и бозайници има специална система за следене на точността на нуклеотидното сдвояване. Този етап се проверява два пъти: първия път - когато дезоксирибонуклеозид трифосфатите са включени в нарастващата верига, и вторият път - вече след включването, като се използва енергозависим механизъм за отстраняване на погрешно вмъкнати нуклеотиди от новосинтезираната ДНК верига. Благодарение на този контрол грешките при включване се появяват не повече от 1 път на 108-10e базови двойки. В клетките на Е. coli този механизъм се осигурява от активна ДНК полимераза. В същото време ДНК полимеразите на бозайниците нямат изразена коригираща нуклеазна активност.
Физическите и химичните фактори на околната среда причиняват четири вида увреждания в ДНК (вижте таблица 38.2). Повредените зони могат да бъдат поправени, заменени чрез рекомбинация или да останат непроменени. В последния случай възникват мутации, потенциално водещи до клетъчна смърт. Възможността за поправка и замяна се основава на излишъка от информация, кодирана в двойноверижната ДНК структура: дефектен регион на една ДНК верига може да бъде коригиран от непокътната допълнителна верига.
Ключовият момент от всички събития на рекомбинация и ремонт е разпознаването на дефект, придружен или от директен ремонт, или от маркиране за последваща корекция. Термолабилността на N-гликозидната връзка на пурините води до депуринация на ДНК с честота от около 5000-10000 на клетка (на ден) при 37 ° C. Местата на депуринация се разпознават от специални ензими,
Таблица 38.2. Видове увреждане на ДНК
специално запълване на празнината, без да се счупи фосфодиестерният гръбнак на молекулата.
Както цитозиновите, така и адениновите бази се дезаминират спонтанно, за да образуват съответно урацил и хипоксантин. Тъй като нормалната ДНК не съдържа нито урацил, нито хипоксантин, не е изненадващо, че специфични α-гликозилази разпознават тези анормални бази и ги премахват. Получената празнина служи като сигнал за действието на възстановителните пурин- или пиримидин-специфични ендонуклеази, които разцепват фосфодиестерната връзка близо до съответното място на увреждане. След това, с последователното действие на екзонуклеаза, ремонтна ДНК полимераза и ДНК лигаза, празнината се запълва и първоначалната правилна структура се възстановява (фиг. 38.22). Тази верига от събития се нарича ексцизионно възстановяване. По подобен начин протича процесът на възстановяване на ДНК, съдържаща алкилирани бази и базови аналози.
Възстановяването на делеции и премахването на вмъкванията става чрез процеси на рекомбинация, които могат да се появят със или без репликация.
Ултравиолетовото лъчение индуцира образуването на пиримидин-пиримидин димери.
Ориз. 38.22. Ензимът урацил-ДНК-гликозилаза премахва урацила, който се получава по време на спонтанното дезаминиране на цитозина. (С любезното съдействие на W. Alberts.)
Ориз. 38.23. Тимин-тимин димер, образуван от свързването на съседни тиминови бази.
Този процес засяга главно тиминовите основи на една верига, разположени една под друга (фиг. 38.23). Има два механизма за отстраняване на тиминовите димери в клетката: ексцизионно възстановяване и фотореактивиране. Този метод на възстановяване включва фотоактивиране на специфичен ензим с видима светлина, което обръща процеса, довел до образуването на димерната структура.
Едноверижни прекъсвания на ДНК, причинени от йонизиращо лъчение, могат да бъдат поправени чрез директно лигиране или рекомбинация. Механизмите, включени в възстановяването на напречните връзки между основите на противоположните вериги или между ДНК и протеините, не са добре разбрани.
И така, възстановяването на щетите, причинени от йонизиращо лъчение и основно алкилиране, се извършва чрез изрязване и ресинтез на къси ДНК сегменти. Отстраняването на щетите, причинени от ултравиолетовото лъчение, както и кръстосаните връзки, се постига по подобен начин, но в този случай се засягат по-разширени участъци от ДНК. В клетките на бозайниците, появата на възстановяваща репликация се доказва чрез непланиран синтез на ДНК; включване в ДНК на радиоактивни прекурсори извън S-фазата.
С интензифицирането на процесите на ексцизионно възстановяване в отговор на увреждащите ефекти в клетките на бозайниците се повишава активността на ензима поли(АОР-рибозил)-полимераза. Този ензим, с участието на коензим, извършва реакцията на ADP-рибозилиране на хроматиновите протеини. Най-често се наблюдава моно-ADP-рибозилиране, но понякога има добавяне на хомополимерни вериги (ADP-рибоза). Функцията на поли(АОР-рибозил)-полимераза или нейния продукт - (ADP-рибоза) - в процеса на ексцизионно възстановяване не е напълно ясна. Има корелация във времето между интензификацията
възстановителни процеси и повишаване на ензимната активност. Специфичното инхибиране на активността на този ензим предотвратява елиминирането на прекъсванията в ДНК веригата. Увеличаването на активността на поли (ADP-рибозил) полимеразата очевидно се дължи на фрагментацията на ДНК в ядрото. Такава фрагментация може да бъде предизвикана основно от физически агенти (напр. рентгенови лъчи) и може също така да възникне неподходящо по време на възстановяване на ултравиолетово увреждане или увреждане, причинено от алкилиращи агенти. Увеличаването на ензимната активност, причинено от прекъсвания на ДНК, може да бъде толкова голямо, че да доведе до изчерпване на вътреклетъчното снабдяване на коензима NAD+.
Xeroderma pigmentosa е автозомно-рецесивно наследствено заболяване. Клиничният синдром включва чувствителност към слънчева светлина (ултравиолетова), което води до образуването на много огнища на рак на кожата и смърт. Това заболяване, очевидно, е свързано с нарушения на репарационните процеси. В култивираните клетки на пациенти с пигментна ксеродерма интензивността на фотореактивацията на тиминовите димери е намалена. Но действителните генетични заболявания, водещи до пигментна ксеродерма, имат най-малко 7 групи на допълване, което показва сложността на причините, които причиняват това заболяване.
При Yuseroderma pigmentosum, клетките от повечето (ако не и всички) комплементарни групи показват аномалии в скоростта и интензитета на поли(АОР-рибозил) полимеразния отговор на ултравиолетово облъчване. В клетки от поне една група на комплементация, намаляването на ензимната активност очевидно е свързано с невъзможността да се прекъсне ДНК веригата на увреденото място, тъй като добавянето на дезоксирибонуклеаза към такива дефектни клетки нормализира нивото на поли(АОР-рибозил)- полимеразна активност.
При пациенти с атаксия - телеангиектазия (автозомно рецесивно заболяване, водещо до церебеларна атаксия и лимфоретикуларна неоплазма), чувствителността към рентгеново лъчение е повишена. При пациенти с анемия на Fanconi (автозомно-рецесивна анемия, придружена от повишена честота на рак и хромозомна нестабилност), системата за възстановяване на кръстосаните връзки вероятно е нарушена. И трите описани синдрома се характеризират с повишена честота на тумори. Напълно възможно е в близко бъдеще да бъдат идентифицирани и други човешки заболявания, причинени от смущения в системата за възстановяване на увреждане на ДНК.
ЛИТЕРАТУРА
Bauer W. R. et al. Свръхнавита ДНК, Sc. Am. (юли), 1980, 243, 118.
Cantor C.R. ДНК хореография, Cell, 1981, 25, 293. Igo-Kemenes T., Horz W., Zachau H.G. Хроматин, Annu.
Rev. Biochem., 1982, 51, 89.
Jelinek W. R.. Schmid C. W. Повтарящи се последователности в еукариотната ДНК и тяхната експресия, Annu. Rev. Biochem., 1982.51, 813.
Jongstra J. и др. Индуциране на променени хроматинови структури от маймунски вирус 40 енхансер и промоторни елементи, Nature, 1984, 307, 708.
Kornberg A. ДНК репликация, Freeman, 1980.
Линдал Т. Ензими за възстановяване на ДНК, Annu. Rev. Biochem., 1982, 51, 61.
Loeb L. A., Kunkel T. A. Точност на синтеза на ДНК, Annu. Rev.
Biochem, 1982, 51, 429.
McGhee J. D., Felsenfeld G. Нуклеозомна структура, Annu. Rev.
Biochem., 1980, 49, 1115.
Nossal N. G. Прокариотни системи за репликация на ДНК, Annu. Rev. Biochem., 1983, 52, 581.
Нуклеиновите киселини играят важна роля в осигуряването на жизнената активност на клетките на живите организми. Важен представител на тази група органични съединения е ДНК, която носи цялата генетична информация и отговаря за проявата на необходимите характеристики.
Какво е репликация?
В процеса на клетъчно делене е необходимо да се увеличи количеството нуклеинови киселини в ядрото, така че да няма загуба на генетична информация в процеса. В биологията репликацията е дублирането на ДНК чрез синтеза на нови вериги.
Основната цел на този процес е да се прехвърли генетичната информация към дъщерните клетки в непроменен вид без никакви мутации.
Ензими и протеини на репликацията
Дублирането на ДНК молекула може да се сравни с всеки метаболитен процес в клетка, който изисква подходящите протеини. Тъй като репликацията е важен компонент на клетъчното делене в биологията, следователно тук са включени много спомагателни пептиди.
- ДНК полимеразата е най-важният редупликационен ензим, който отговаря за синтеза на дъщерната верига.В цитоплазмата на клетката в процеса на репликация е задължително наличието на нуклеинови трифосфати, които носят всички нуклеинови бази.
Тези бази са мономери на нуклеинова киселина, така че цялата верига на молекулата е изградена от тях. ДНК полимеразата е отговорна за процеса на сглобяване в правилния ред, в противен случай появата на всички видове мутации е неизбежна.
- Primase е протеин, който е отговорен за образуването на праймер върху шаблонната верига на ДНК. Този праймер се нарича още праймер; той има наличие на първоначални мономери, от които е възможен по-нататъшен синтез на цялата полинуклеотидна верига за ензима ДНК полимераза. Тази функция се изпълнява от праймера и съответния му ензим.
- Хеликазата (хеликаза) образува репликационна вилка, която представлява разминаване на матрични вериги чрез разкъсване на водородни връзки. Това улеснява полимеразите да се доближат до молекулата и да започнат синтеза.
- Топоизомераза. Ако си представите молекулата на ДНК като усукано въже, докато полимеразата се движи по веригата, поради силното усукване ще се образува положително напрежение. Този проблем се решава от топоизомераза, ензим, който прекъсва веригата за кратко време и разгръща цялата молекула. След това увредената зона отново се зашива и ДНК не изпитва стрес.
- Ssb протеините се прикрепят като клъстери към ДНК вериги на репликационната вилка, за да предотвратят повторно образуване на водородни връзки преди края на процеса на редупликация.
- Лигаз. се състои в зашиване на фрагменти на Okazaki върху изоставащата верига на ДНК молекулата. Това се случва чрез изрязване на праймери и вмъкване на естествени мономери на дезоксирибонуклеинова киселина на тяхно място.
В биологията репликацията е сложен многоетапен процес, който е изключително важен при клетъчното делене. Следователно, използването на различни протеини и ензими е необходимо за ефективен и правилен синтез.
редупликационен механизъм
Има 3 теории, които обясняват процеса на дублиране на ДНК:
- Консервативният твърди, че една дъщерна молекула нуклеинова киселина има матричен характер, а втората е напълно синтезирана от нулата.
- Полуконсервативна, предложена от Watson и Crick и потвърдена през 1957 г. в експерименти с E. Coli. Тази теория гласи, че и двете дъщерни ДНК молекули имат една стара верига и една новосинтезирана.
- Дисперсионният механизъм се основава на теорията, че дъщерните молекули имат редуващи се участъци по цялата си дължина, състоящи се от стари и нови мономери.
Полуконсервативен модел вече е научно доказан. Какво е репликация на молекулярно ниво? В началото хеликазата разкъсва водородните връзки на ДНК молекулата, като по този начин отваря двете вериги за ензима полимераза. Последните, след образуването на семена, започват синтеза на нови вериги в посока 5'-3'.
Свойството антипаралелност на ДНК е основната причина за образуването на водещи и изоставащи вериги. На водещата верига ДНК полимеразата се движи непрекъснато, а на изоставащата тя образува фрагменти на Okazaki, които в бъдеще ще бъдат свързани с помощта на лигаза.
Характеристики на репликацията
Колко ДНК молекули има в ядрото след репликация? Самият процес предполага удвояване на генетичния набор на клетката, следователно по време на синтетичния период на митозата диплоидният набор има два пъти повече ДНК молекули. Такъв запис обикновено се отбелязва като 2n 4c.
В допълнение към биологичното значение на репликацията, учените са намерили приложения за процеса в различни области на медицината и науката. Ако в биологията репликацията е дублирането на ДНК, то в лабораторията възпроизвеждането на молекулите на нуклеиновата киселина се използва за създаване на няколко хиляди копия.
Този метод се нарича полимеразна верижна реакция (PCR). Механизмът на този процес е подобен на репликацията in vivo, следователно за протичането му се използват подобни ензими и буферни системи.
заключения
Репликацията е от голямо биологично значение за живите организми. Предаването по време на клетъчното делене не е пълно без дублиране на ДНК молекули, така че координираната работа на ензимите е важна на всички етапи.
Върху матрицата на родителската ДНК молекула. В този случай генетичният материал, кодиран в ДНК, се удвоява и разделя между дъщерните клетки.
Връзки
ДНК репликация (анимация) (английски)
Фондация Уикимедия. 2010 г.
Вижте какво е "Репликация (биология)" в други речници:
- (от късно латински replicatio повторение), редупликация, авторепликация, процесът на самовъзпроизвеждане на макромолекули от нуклеинови киселини до t, осигуряващ точно копиране на генетични. информация и нейното предаване от поколение на поколение. В основата на механизма на R. ... ... Биологичен енциклопедичен речник
биология- БИОЛОГИЯ (от гръцки. bio живот и logos дума, учение) съвкупността от науките за живота в цялото разнообразие от проявления на неговите форми, свойства, връзки и отношения на Земята. Терминът е предложен за първи път едновременно и независимо един от друг през 1802 г. ... ... Енциклопедия на епистемологията и философията на науката
Този термин има други значения, вижте Репликация. Схематично представяне на процеса на репликация, числата показват: (1) късно ... Wikipedia
БИОЛОГИЯ- съвкупност от науки за живота в цялото разнообразие от проявления на неговите форми, свойства, връзки и отношения на Земята. За първи път терминът е предложен едновременно и независимо един от друг през 1802 г. от изключителния френски учен J.B. Ламарк и Герман ... ... Философия на науката: Речник на основните термини
- (Късно латински replicatio повторение, от латински replico се връщам назад, повтарям) редупликация, авторепродукция, автосинтеза, процесът на самовъзпроизвеждане (самокопиране) на нуклеинови киселини, срещащ се във всички живи клетки (Виж Нуклеинови ... ... Велика съветска енциклопедия- Екстракт (клетъчен екстракт, безклетъчна система) механично или химически унищожени (осмотичен шок) клетки, използвани за възпроизвеждане на биохимични процеси "ин витро". Клетките се използват за получаване на екстракти ... Wikipedia
Клетката е елементарна единица на структурата и жизнената дейност на всички живи организми (с изключение на вирусите, които често се наричат неклетъчни форми на живот), имаща собствен метаболизъм, способна на самостоятелно съществуване, ... ... Wikipedia
дивизия клеткивъзниква чрез митоза, докато, за да се избегне загубата на генетична информация, целият ядрен геном първо се удвоява в S-фазата на клетъчния цикъл. Продължителността на S-фазата е 8 ч. Хромозомната центромерна ДНК се репликира по време на средния етап на митозата, който предшества процеса на хромозомна сегрегация.
репликация митохондриални и ядренивъзниква в различни фази на клетъчния цикъл. Въпреки факта, че общата последователност от етапи в репликацията на ядрената ДНК при висши същества (еукариоти) и бактерии (прокариоти) е една и съща, самият процес има малки разлики. Така че при еукариотите по време на репликацията ДНК (ядрената) остава в нуклеозомната конфигурация.
Фрагменти ДНК, богати на G-C базови двойки (R-ленти на еухроматин в компактен хроматин), експресират домакински гени, които функционират във всички клетки на тялото. Тези фрагменти се репликират рано в S-фазата. Хетерохроматиновите региони, богати на A-T базови двойки (G-ленти), експресират малък брой гени и се репликират късно в S-фазата.
Генис високо съдържание на A-T двойки, кодиращи различни свойства и функциониращи само в определени клетки, са част от факултативния хетерохроматин. Тяхната репликация се осъществява на ранен етап от S-фазата само в тези клетки, в които се експресират, а на по-късни етапи - в клетки, където експресия не настъпва.
Спирална област ДНК, което първо се развива в началото на репликацията, се нарича мястото на началото на репликацията (репликон). В този момент двойната верига се разплита от ензима хеликаза, който разкрива базовата последователност. Процесът на репликация протича по една верига със скорост приблизително 40-50 нуклеотида в секунда едновременно в двете посоки. Висшите същества имат много репликони, разположени на разстояние 50 000-300 000 bp. На мястото на разделяне на ДНК веригата се появяват репликационни издувания, във всеки край на които се образува репликационна вилка.
Нов ДНКсинтезирани с участието на ензими, наречени ДНК полимерази от дезоксирибонуклеотидтрифосфати (АТФ, GTP и др.), които се превръщат в монофосфатни нуклеотиди (АМР, GMP и др.). Разцепването и хидролизата на пирофосфати от трифосфати осигурява на процеса енергия и го прави напълно необратим, което прави молекулата на ДНК достатъчно стабилна.
всичко ДНК полимеразаможе да изгради ново ДНК само в посока от 5" към 3" края. Това означава, че ензимите трябва да се движат по шаблонната верига от 3' до 5' края. В това отношение репликацията може непрекъснато да се извършва от репликона само по една верига, наречена напредване. Поради местоположението на захарите, репликацията по втората, изоставаща верига се случва само на къси участъци, известни като фрагменти на Okazaki.
Дължина на нов ДНК фрагменти, образувани по протежение на изоставащата верига, са средно 100-200 базови двойки. По време на синтеза фрагментите на Okazaki се омрежват от ензима ДНК лигаза. В очакване на репликация, стабилността на първичната едноверижна нуклеотидна последователност на изоставащата верига се поддържа от едноверижния ДНК свързващ протеин (или дестабилизиращ спиралата протеин).
За синтез водещиверига изисква ензима ДНК полимераза S, а за синтеза на изоставащата ДНК полимераза a. Последният има субединица, наречена ДНК примаза, която синтезира къс РНК праймер, който действа като праймер. Репликацията на митохондриалната ДНК се извършва независимо от процесите в ядрото. В този случай се използват редица други ензими, един от които е ДНК полимераза y.
Геномът съдържа голям брой копияпет хистонови гена, което води до синтеза на много хистони (особено по време на S-фазата), които веднага след репликацията се свързват с нова ДНК верига.
Трябва да се отбележи, че процесът репликациясе нарича полуконсервативен, тъй като съставът на дъщерните ДНК молекули включва една първична верига и една синтезирана.
Репликация на теломерите на ДНК
Основният проблем на синтеза ДНКв края на изоставащата верига е, че ДНК полимераза а трябва да се прикрепи над края на последователността, която се репликира и да работи проксимално в посока от 5" към 3" края. За да се реши този проблем, е необходим ДНК-синтетичен ензим теломераза, който удължава изоставащата верига.
Теломераза- рибонуклеопротеин, съдържащ матрична РНК с последователност 3"-AAUCCAAAU-5", която е комплементарна на един и половина повторения на шестосновната теломерна ДНК (5"-GGGTTA-3"). Фрагментът на 3'-AAU последователността на РНК теломераза се свързва с крайния край на изоставащата верига на TTA-5' шаблона, оставяйки останалата част от РНК свободна. След това дезоксирибонуклеотидите се прикрепват към тази информационна РНК, като по този начин се разширява повтарящата се последователност в ДНК с един сегмент.
След това теломеразасе отцепва и изпраща към другия краен край с последователността TTA-5", и процесът се повтаря. Веднага щом се появи достатъчно дълго крайно повторение, ДНК полимераза a се прикрепя към получения едноверижен фрагмент и завършва втората верига съгласно метода на комплементарност в проксималната 5"-3"- посока, движейки се към вече съществуващ двойноверижен сайт, последващото сливане с което се случва поради действието на ДНК лигаза.
Механизми за възстановяване на ДНК
Понякога в отглеждане веригапогрешна база е случайно вклинена, но за щастие здравите клетки имат ензими за възстановяване след репликация и система за коригиране на несъответствието на основата, които коригират такива грешки. Механизмът на действие на тези системи се основава на отстраняването и заместването на погрешно вмъкнати бази в съответствие с последователността на матричната верига. Те изискват ДНК полимерази b и e, за да функционират.
Информацията, записана в ДНК, трябва не само да бъде внедрена в процеса на развитие на клетките и организмите, но и да бъде напълно прехвърлена на следващото поколение. За целта преди деленето на клетката в нея протича процес. репликация, т.е. удвояване на количеството ДНК.
Информация за механизма на репликация се съдържа в самата ДНК: някои гени кодират ензими, които синтезират прекурсори на ДНК - нуклеотиди, други - ензими, които осигуряват свързването на активираните нуклеотиди в една верига. Механизмът на репликация е постулиран за първи път от J. Watson и F. Crick, които отбелязват, че комплементарността на ДНК веригите предполага, че тази молекула може да се дублира. Те предполагат, че удвояването изисква разкъсване на водородни връзки и разделяне на вериги, всяка от които играе ролята на шаблон в синтеза на комплементарна верига. В резултат на един акт на дублиране се образуват две двуверижни ДНК молекули, всяка от които има една родителска верига и една нова (виж фиг.).
Механизмът е наименуван полуконсервативна репликация. По-късно матричната природа и постулираният принцип на репликация на ДНК бяха потвърдени от множество експериментални данни.
Репликацията на ДНК започва в определени точки на хромозомата - места за започване на репликация (произход). Процесът на репликация се обслужва от голям брой ензими. Най-задълбочено е проучен апаратът за репликация на бактериална ДНК, особено Е. coli. Функцията за разплитане на ДНК молекулата при прокариотите се изпълнява от специфични ензими. хеликази , които използват енергията от хидролизата на АТФ до АДФ за работа. Те често функционират като част от протеинов комплекс, който движи вилицата и възпроизвежда неусуканите нишки. Други специфични протеини, които се свързват с едноверижни региони, предпазват ДНК веригите от повторно свързване. Тези секции, разминаващи се в различни посоки, образуват характерна структура - репликационната вилица (вилица на Kearns). Това е частта от молекулата на ДНК, в която в момента се извършва синтеза на нова верига. Протеинът играе голяма роля в насърчаването на вилицата гираза , принадлежащи към категорията на топологичните изомерази. Среща се само в бактериите. Гиразата е релаксиращ ензим, който, като произвежда двуверижни скъсвания, премахва положителните (пред вилицата) и насърчава образуването на отрицателни (зад вилицата) суперспирали в отпуснатата ДНК.
Всяка верига на майчината ДНК служи като шаблон за синтеза на дъщерни молекули. На една верига синтезът протича непрекъснато в посока от 5" до 3" края. Тази верига се нарича лидер. Втората верига с обратна посока, наречена изоставаща, се синтезира под формата на отделни фрагменти, които след това се омрежват чрез лигази в непрекъсната молекула. Фрагментите са кръстени на американския учен Р. Оказаки, който пръв постулира този метод на синтез на ДНК, фрагменти от Оказаки. По време на синтеза вилицата за репликация се движи по протежение на шаблона и новите ДНК сегменти се разплитат последователно, докато вилицата достигне крайната точка на синтез (точка на прекратяване).
Синтезът на нова ДНК верига изисква малък РНК фрагмент като праймер, тъй като неговият водещ ензим, ДНК полимераза, се нуждае от свободна 3" ОН група, за да работи. Три различни ДНК полимерази с подобни функции, обозначени като polI, polII и polIII, са открити в прокариотите. ДНК полимераза I е най-пълно проучена. Тя е единичен полипептид с многофункционална активност (полимераза, 3 "→ 5" екзонуклеаза и 5 "→ 3" екзонуклеаза). Синтезът на праймера (праймера) се осъществява от ензима праймаза, който понякога се включва в комплекса - примозомата на 15-20 протеина, които активират матрицата Праймерът се състои от 10 -60 рибонуклеотида След като ключовият ензим за синтеза на ДНК в Е. coli - polIII - прикрепи първите дезоксирибонуклеотиди към семето, той се отстранява с помощта на polI, който има 3 " → 5" екзонуклеазна активност, т.е. способността да се разцепват крайните нуклеотиди от 3" - края на веригата. Семената също се синтезират в изоставащата нишка в началото на всеки фрагмент на Okazaki. Неговото разцепване, както и удължаването на фрагменти, синтезирани от polIII, се извършват от polI. Ролята на polII в репликацията на E. coli ДНК все още не е напълно ясна.
По време на репликацията на еукариотна ДНК процесът на репликация се усложнява от наличието на протеини в хромозомите. За да се разкрие ДНК, е необходимо да се разруши силно кондензираният комплекс от ДНК и хистони и след репликация отново да се уплътнят дъщерните молекули. Размотаването на ДНК причинява супернавиване на области, разположени близо до вилицата за репликация. За облекчаване на полученото напрежение и свободно движение на вилицата тук работят специфични релаксиращи ензими - топоизомерази. Два вида топоизомерази са идентифицирани в различни организми: тип I и II. Те променят степента на супернавиване и вида на супернавиването, като произвеждат прекъсвания в една (топоизомерази тип I) или и в двете ДНК вериги (топоизомерази тип II) и елиминират риска от заплитане на ДНК.
Бактериалната репликация на ДНК е двупосочен процес с едно място на започване. За разлика от това, еукариотната хромозома се състои от отделни места за репликация - репликони и има много места за започване. Репликоните могат да се репликират по различно време и с различна скорост. Скоростта на репликация на ДНК в еукариотните клетки е много по-ниска, отколкото в прокариотните. При Е. coli скоростта е приблизително 1500 bp. в секунда, при еукариоти - 10-100 bp. за секунда. Двойноверижната кръгова ДНК на някои вируси се репликира в търкалящ се пръстен. В този случай една верига от ДНК се нарязва на едно място от специфичен ензим и нуклеотидите започват да се прикрепват към свободния 3" OH-край, образуван с помощта на ензима polIII. Вътрешната кръгова молекула служи като матрица. врязаната нишка се измества и след това се удвоява като изоставащата верига E. coli, за да образуват фрагменти, които са омрежени от лигази.
