Какое свойство обеспечивает процесс редупликации днк
Молекула ДНК — это находящаяся в хромосоме структура. Одна хромосома содержит одну такую молекулу, состоящую из двух нитей. Редупликация ДНК — это передача информации после самовоспроизведения нитей от одной молекулы на другую. Она присуще как ДНК, так и РНК. В данной статье рассматривается процесс редупликации ДНК.
Общие сведения и виды синтеза ДНК
Известно, что нити в молекуле закручены. Однако, когда начинается процесс редупликации ДНК, они деспирализуются, затем отходят в стороны, и на каждой синтезируется новая копия. По завершении появляются две абсолютно идентичные молекулы, в каждой из которых присутствует материнская и дочерняя нити. Такой синтез получил название полуконсервативный. Молекулы ДНК отодвигаются, оставаясь при этом в единой центромере, и окончательно расходятся лишь тогда, когда у этой центромеры начинается процесс деления.
Другой вид синтеза получил название репаративный. Он, в отличие от предыдущего, не связан с какой-либо клеточной стадией, но начинается при возникновении повреждений ДНК. Если они носят слишком обширный характер, то клетка в конце концов погибает. Однако, если повреждения локальны, то их можно восстановить. В зависимости от проблемы восстановлению подлежит отдельная или две сразу цепочки ДНК. Этот, как его еще называют, внеплановый синтез не занимает продолжительного времени и не требует больших энергозатрат.
Но когда происходит редупликация ДНК, то расходуется много энергии, материала, продолжительность его растягивается на часы.
Редупликация делится на три периода:
- инициацию;
- элонгацию;
- терминацию.
Рассмотрим подробнее эту последовательность редупликации ДНК.
Инициация
В ДНК человека — несколько десятков миллионов пар нуклеотидов (у животных их насчитывается всего сто девять). Редупликация ДНК начинается во многих местах цепочки по следующим причинам. Примерно в это же время в РНК происходит транскрипция, но на время синтеза ДНК она приостанавливается в некоторых отдельных местах. Поэтому перед таким процессом в цитоплазме клетки накапливается достаточное количество вещества для того, чтобы поддержать экспрессию генов и чтобы жизнедеятельность клетки не была нарушена. Ввиду этого процесс должен проходить как можно быстрее. Трансляция в этот период осуществляется, а транскрипция не ведется. Как показали исследования, редупликация ДНК происходит сразу в нескольких тысячах точек — небольших участках с определенной последовательностью нуклеотидов. К ним присоединяются специальные инициаторные белки, к которым в свою очередь присоединяются другие ферменты редупликации ДНК.
Фрагмент ДНК, где происходит синтез, называется репликоном. Он начинается от точки начала и заканчивается тогда, когда фермент завершает репликацию. Репликон автономен, а также снабжает весь процесс собственным обеспечением.
Процесс может начаться не со всех точек сразу, где-то он начинается раньше, где-то — позже; может протекать в одном или в двух противоположных направлениях. События происходят в следующем порядке, когда образуются:
- репликационная вилка;
- РНК-затравка.
Репликативная вилка
Эта часть представляет собой процесс, при котором на отсоединенных нитях ДНК происходит синтез дезоксирибонуклеиновых нитей. Вилки при этом образуют так называемый глазок редупликации. Процессу предшествует целый ряд действий:
- освобождение от связи с гистонами в нуклеосоме — такие ферменты редупликации ДНК как метилирование, ацетилирование и фосфорилирование производят химические реакции, в результате которых белки теряют свой положительный заряд, что способствует их высвобождению;
- деспирализация — это раскручивание, которое необходимо для дальнейшего освобождения нитей;
- разрыв связей водорода между нитями ДНК;
- их расхождение в разные стороны молекулы;
- фиксация, происходящая при помощи белков SSB.
РНК-затравка
Синтез осуществляет фермент, под названием ДНК-полимераза. Однако начать его самостоятельно он не может, поэтому это делают другие ферменты — РНК-полимеразы, которые называют еще РНК-затравками. Они синтезируются параллельно дезоксирибонуклеиновым нитям по комплементарному принципу. Таким образом, инициация заканчивается синтезом двух РНК-затравок на двух разорванных и отошедших в разные стороны нитях ДНК.
Элонгация
Данный период начинается с присоединения нуклеотида и 3′ концу РНК-затравки, что осуществляет уже упомянутая ДНК-полимераза. К первому она присоединяет второй, третий нуклеотид, и так далее. Основания новой нити соединяются с материнской цепочкой водородными связями. Считается, что синтез нити идет в направлении 5 ‘- 3’.
Там, где он происходит в сторону репликационной вилки, синтез протекает непрерывно и удлиняется при этом. Поэтому такую нить называют ведущей или лидирующей. На ней РНК-затравки больше не формируются.
Однако на противоположной материнской нити ДНК-нуклеотиды продолжают присоединяться к РНК-затравке, и дезоксирибонуклеиновая цепь синтезируется в противоположном от вилки редупликации направлении. Ее в этом случае называют запаздывающей или отстающей.
На отстающей нити синтез происходит фрагментарно, где по окончании одного участка начинается синтез на другом участке поблизости при помощи все той же РНК-затравки. Таким образом, на запаздывающей цепи имеются два фрагмента, которые соединены ДНК и РНК. Они получили название фрагменты Оказаки.
Далее все повторяется. Тогда расплетается другой виток спирали, разрываются связи водорода, нити расходятся в стороны, ведущая цепь удлиняется, на отстающей синтезируется следующий фрагмент РНК-затравки, после чего — фрагмент Оказаки. После этого на запаздывающей нити РНК-затравки разрушаются, а фрагменты ДНК соединяются в одну. Так на этой цепи происходит одновременно:
- образование новых РНК-затравок;
- синтез фрагментов Оказаки;
- разрушение РНК-затравок;
- воссоединение в одну единую цепь.
Терминация
Процесс продолжается до тех пор, пока две репликативные вилки не встретятся, или одна из них не подойдет к концу молекулы. После встречи вилок дочерние нити ДНК соединяются ферментом. В случае же, если вилка отошла к концу молекулы, редупликация ДНК заканчивается с помощью специальных ферментов.
Коррекция
В данном процессе важная роль отводится контролю (или коррекции) редупликации. К месту синтеза поступают все четыре вида нуклеотидов, а путем пробного спаривания ДНК-полимераза отбирает те, которые необходимы.
Нужный нуклеотид должен быть способен сформировать столько же связей водорода, сколько аналогичный нуклеотид на матричной нити ДНК. Кроме того, между сахарофосфатными остовами должно быть определенное постоянное расстояние, соответствующее трем кольцам в двух основаниях. Если нуклеотид не соответствует этим требованиям, соединение происходить не будет.
Контроль проводится перед включением его в состав цепи и перед включением последующего нуклеотида. После этого формируется связь в остове сахарофосфата.
Мутационная изменчивость
Механизм редупликации ДНК, несмотря на высокий процент точности, всегда имеет нарушения в нитях, называющихся в основном «генными мутациями». Примерно на тысячу нуклеотидных пар приходится одна ошибка, которая называется конвариантная редупликация.
Она случается по разным причинам. К примеру, при высокой или слишком низкой концентрации нуклеотидов, дезаминирования цитозина, присутствия мутагенов в области синтеза, и другое. В некоторых случаях ошибки могут исправиться репарационными процессами, в других исправление становится невозможным.
Если повреждение коснулось неактивного места, ошибка не будет иметь тяжелых последствий, когда происходит процесс редупликации ДНК. Последовательность нуклеотида того или иного гена может проявиться с ошибкой спаривания. Тогда дело обстоит иначе, и негативным результатом может стать как гибель этой клетки, так и гибель всего организма. Следует также учитывать, что генные мутации основаны на мутационной изменчивости, которая делает генофонд пластичнее.
Метилирование
В момент синтеза или сразу после него происходит метилирование цепей. Считается, что у человека этот процесс нужен для того, чтобы сформировать хромосомы и регулировать транскрипцию генов. В бактериях данный процесс служит защитой ДНК от разрезания его ферментами.
4 июня 2014
Автор КакПросто!
Редупликация – это удвоение спирали ДНК, которое происходит в процессе деления клетки. Спираль ДНК располагается в ядре, и после того, как оно раздвоится, начинаются все остальные процессы, которые сопровождают деление клетки.
Размножение – это основное свойство, которое отличает живые организмы от неживых. Абсолютно все виды живых организмов способны к воспроизведению себе подобных, в противном случае вид исчез бы очень быстро. Способы размножения различных существ очень отличаются друг от друга, но в основе всех этих процессов лежит деление клетки, а в его основе лежит механизм редупликации ДНК.
Деление клеток вовсе не обязательно сопровождает процесс размножения организма. Рост и регенерация тоже зависят от деления клеток. Но у одноклеточных существ, к которым относятся бактерии и простейшие, деление клетки – основной репродуктивный процесс.
Многоклеточные организмы живут значительно дольше, чем одноклеточные, и время их жизни превышает период жизни клеток, из которых они состоят, порой в огромное количество раз.
Удвоение спирали ДНК – самый важный процесс при делении клетки. Спираль делится на две аналогичные, и каждая цепочка хромосом абсолютно идентична родительской. Именно поэтому процесс называется редупликация. Две одинаковые «половинки» спирали называются хроматидами.
Между основаниями спирали ДНК (это аденин–тимин и гуанин–цитозин) существуют комплементарные водородные связи, и во время редупликации специальные ферменты разрывают их. Комплементарными называют такие связи, когда пара может соединяться только друг с другом. Если речь об основаниях спирали ДНК, то гуанин и цитозин, например, образуют комплементарную пару. Нить ДНК расходится на две части, после чего к каждому нуклеотиду пристраивается другой комплементарный нуклеатид. Таким образом получается, что образуются две новые спирали, совершенно одинаковые.
Как правило, клетки делятся посредством митоза. В этот процесс входит несколько фаз, и деление ядра является самой первой из них. Уже после того, как ядро разделилось, делится и цитоплазма. С этим процессом связано такое понятие, как жизненный цикл клетки: это время, которое прошло с момента отделения клетки от родительской, до того, как она сама разделилась.
Митоз начинается с редупликации. После этого процесса оболочка ядра разрушается, и какое-то время ядра в клетке вообще не существует. Хромосомы в это время максимально скручены, их хорошо видно в микроскоп. Затем две новые спирали разделяются и перемещаются к полюсам клетки. Когда спирали достигают своей цели – каждая приближается к своему клеточному полюсу – то раскручиваются. В это же время вокруг них начинают формироваться оболочки ядра. Пока этот процесс завершается, уже начинается деление цитоплазмы. Последняя фаза митоза происходит, когда две абсолютно идентичные клетки отделяются одна от другой.
Войти на сайт
или
Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.
Репликация ДНК — процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой способ синтеза называется полуконсервативным.
«Строительным материалом» и источником энергии для репликации являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), содержащие три остатка фосфорной кислоты. При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка фосфорной кислоты отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование фосфодиэфирной связи между нуклеотидами.
В репликации участвуют следующие ферменты:
1. геликазы («расплетают» ДНК);
2. дестабилизирующие белки;
3. ДНК-топоизомеразы (разрезают ДНК);
4. ДНК-полимеразы (подбирают дезоксирибонуклеозидтрифосфаты и комплементарно присоединяют их к матричной цепи ДНК);
5. РНК-праймазы (образуют РНК-затравки, праймеры);
6. ДНК-лигазы (сшивают фрагменты ДНК).
С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка. При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.
ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3′-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3′-конца к 5′-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3’–5′ синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей. На цепи 5’–3′ — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей).
Особенностью ДНК-полимеразы является то, что она может начинать свою работу только с «затравки» (праймера). Роль «затравок» выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участи фермента РНК-праймазы и спаренные с матричной ДНК. РНК-затравки после окончания сборки полинуклеотидных цепочек удаляются.
Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон.
Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.
Репарация («ремонт»)
Репарацией называется процесс устранения повреждений нуклеотидной последовательности ДНК. Осуществляется особыми ферментными системами клетки (ферменты репарации). В процессе восстановления структуры ДНК можно выделить следующие этапы: 1) ДНК-репарирующие нуклеазы распознают и удаляют поврежденный участок, в результате чего в цепи ДНК образуется брешь; 2) ДНК-полимераза заполняет эту брешь, копируя информацию со второй («хорошей») цепи; 3) ДНК-лигаза «сшивает» нуклеотиды, завершая репарацию.
Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.
Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).
☰
Репликация — это механизм самокопирования и основное свойство наследственного материала, которым выступают молекулы ДНК.
Особенностью ДНК является то, что обычно ее молекулы состоит из двух комплементарных друг другу цепей, образующих двойную спираль. В процессе репликации цепи материнской молекулы ДНК расходятся, и на каждой строится новая комплементарная цепь. В результате из одной двойной спирали образуется две, идентичные исходной. Т. е. из одной молекулы ДНК образуются две, идентичные матричной и между собой.
Таким образом, репликация ДНК происходит полуконсервативным способом, когда каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую цепь и одну вновь синтезированную.
У эукариот репликация происходит в S-фазе интерфазы клеточного цикла.
Описанный ниже механизм и основные ферменты характерны для подавляющего большинства организмов. Однако бывают исключения, в основном среди бактерий и вирусов.
Расхождение цепей исходной молекулы ДНК обеспечивает фермент геликаза, или хеликаза, который в определенных местах хромосом разрывает водородные связи между азотистыми основаниями ДНК. Хеликазы перемещаются по ДНК с затратой энергии АТФ.
Чтобы цепочки снова не соединились, они удерживаются на расстоянии друг от друга дестабилизирующими белками. Белки выстраиваются в ряд со стороны пентозо-фосфатного остова цепи. В результате образуются зоны репликации, называемые репликационными вилками.
Репликационные вилки образуются не в любых местах ДНК, а только в точках начала репликации, состоящих из определенной последовательности нуклеотидов (около 300 штук). Такие места распознаются специальными белками, после чего образуется так называемый репликационный глаз, в котором расходятся две цепи ДНК.
Из точки начала репликация может идти как в одном, так и в двух направлениях по длине хромосомы. В последнем случае цепи ДНК расходятся вперед и назад, и из одного репликационного глазка образуются две репликационные вилки.
Репликон — единица репликации ДНК, от точки ее начала и до точки ее окончания.
Поскольку в ДНК цепи спирально закручены относительно друг друга, то разделение их хеликазой вызывает появление дополнительных витков перед репликационной вилкой. Чтобы снять напряжение, молекула ДНК должна была бы проворачиваться вокруг своей оси один раз на каждые 10 пар разошедшихся нуклеодидов, именно столько образуют один виток спирали. В таком случае ДНК бы быстро вращалась с затратой энергии. Но этого не происходит, т. к. природа нашла более эффективный способ справится с возникающим при репликации напряжением спирали.
Фермент топоизомераза разрывает одну из цепей ДНК. Отсоединенный участок проворачивается на 360° вокруг второй целой цепи и снова соединяется со своей цепью. Этим снимается напряжение, т. е. устраняются супервитки.
Каждая отдельная цепь ДНК старой молекулы используется в качестве матрицы для синтеза новой комплементарной себе цепи. Добавление нуклеотидов к растущей дочерней цепи обеспечивает фермент ДНК-полимераза. Существует несколько разновидностей полимераз.
В репликационной вилке к освободившимся водородным связям цепей согласно принципу комплиментарности присоединяются свободные нуклеотиды, находящиеся в нуклеоплазме. Присоединяющиеся нуклеотиды представляют собой дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дНТФ), а конкретно дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ.
После образования водородных связей фермент ДНК-полимераза связывает нуклеотид фосфоэфирной связью с последним нуклеотидом синтезируемой дочерней цепи. При этом отделяется пирофосфат, включающий два остатка фосфорной кислоты, который потом расщепляется на отдельные фосфаты. Реакция отщепления пирофосфата в результате гидролиза энергетически выгодна, так как связь между первым, который уходит в цепь, и вторым фосфатными остатками богата энергией. Эта энергия используется полимеразой.
Полимераза не только удлиняет растущую цепь, но и способна отсоединять ошибочные нуклеотиды, т. е. обладает корректирующей способностью. Если последний нуклеотид, который должен быть присоединен к новой цепи, не комплементарен матричному, то полимераза его удалит.
ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к -OH группе, находящейся при 3-м атоме углерода дезоксирибозы. Таким образом цепь синтезируется только со стороны своего 3´-конца. То есть синтез новой цепи ДНК идет в направлении от 5´- к 3´-концу. Поскольку в двуцепочечной молекуле ДНК цепи антипараллельны, то процесс синтеза по материнской, или матричной, цепи идет в обратном направлении – от 3´- к 5´-концу.
Поскольку цепи ДНК антипараллельны, а синтез новой цепи возможен только в направлении 5´→3´, то в репликационной вилке дочерние цепи будут синтезироваться в разных направлениях.
На матрице 3´→5´ сборка новой полинуклеотидной последовательности происходит по большей части непрерывно, так как эта цепь синтезируется в направлении 5´→3´. Антипараллельная матрица характеризуется 5´→3´ направлением, поэтому синтез дочерней цепи по ходу движения вилки здесь не возможен. Здесь он был бы 3´→5´, но ДНК-полимера не может присоединять к 5´-концу.
Поэтому синтез на матрице 5´→3´ выполняется небольшими участками — фрагментами Оказаки (названы в честь открывшего их ученого). Каждый фрагмент синтезируется в обратном ходу образования вилки направлении, что обеспечивает соблюдение правила сборки от 5´- к 3´-концу.
Другим «недостатком» полимеразы является то, что она не может сама начать синтез участка дочерней цепи. Причина этого кроется в том, что ей необходим -OH-конец нуклеотида, уже соединенного с цепью. Поэтому необходима затравка, или праймер. Им выступает короткая молекула РНК, синтезируемые ферментом РНК-праймазой и спаренная с матричной цепью ДНК. Синтез каждого участка Оказаки начинается со своей РНК-затравки. Та цепь, которая синтезируется непрерывно, обычно имеет один праймер.
После удаления праймеров и застраивания брешей ДНК-полимеразой отдельные участки дочерней цепи ДНК сшиваются между собой ферментом ДНК-лигазой.
Непрерывная сборка идет быстрее, чем фрагментарная. Поэтому одна из дочерних цепей ДНК называется лидирующей, или ведущей, вторая — запаздывающей, или отстающей.
У прокариот репликация протекает быстрее: примерно 1000 нуклеотидов в секунду. В то время как у эукариот только около 100 нуклеотидов. Количество нуклеотидов в каждом фрагменте Оказаки у эукариот составляет примерно до 200, у прокариот — до 2000.
У прокариот кольцевые молекулы ДНК представляют собой один репликон. У эукариот каждая хромосома может содержать множество репликонов. Поэтому синтез начинается в нескольких точках, одновременно или нет.
Ферменты и другие белки репликации действуют совместно, образуя комплекс и двигаясь по ДНК. Всего в процессе участвует около 20 разных белков, здесь были перечислены лишь основные.