Molekuli paljunemisel moodustub DNA. Kuidas DNA replikatsioon töötab. Replikatsiooni kiirus ja täpsus

DNA replikatsioon on desoksüribonukleiinhappe biosünteesi protsess. Materjaliks on adenosiin-, guanosiin-tsütidiin- ja tümidiintrifosforhape ehk ATP, GTP, CTP ja TTF.

DNA replikatsiooni mehhanism

Biosüntees viiakse läbi nn "seemne" - teatud koguse üheahelalise transformeeritud desoksüribonukleiinhappe ja katalüsaatori - juuresolekul. DNA polümeraas toimib katalüsaatorina. See ensüüm osaleb nukleotiidijääkide ühendamises. Ühe minuti jooksul ühendatakse rohkem kui 1000 nukleotiidijääki. Deoksüribonukleiinhappe fragmendi molekulis olevad nukleotiidijäägid on seotud 3', 5'-fosfodiestersidemetega. DNA polümeraas katalüüsib mononukleotiidi jääkide kinnitumist transformeeritud desoksüribonukleiinhappe vaba 3-hüdroksüüli otsa külge. Kõigepealt sünteesitakse DNA molekuli väikesed tükid. Nad on vastuvõtlikud DNA ligaasi toimele ja moodustavad pikemaid desoksüribonukleiinhappe fragmente. Mõlemad fragmendid paiknevad Transformeeritud desoksüribonukleiinhapet kasutatakse tulevase DNA molekuli kasvupunktina ja see on ühtlasi maatriks, millel moodustub antiparalleelne desoksüribonukleiinhappeahel, mis on struktuurilt ja nukleotiidijääkide järjestuse poolest identne transformeeritud DNA-ga. DNA replikatsioon toimub mitootilise interfaasi käigus.Desoksüribonukleiinhape koondub kromosoomidesse ja kromatiini. Pärast üheahelalise desoksüribonukleiinhappe moodustumist moodustuvad selle sekundaarsed ja tertsiaarsed struktuurid. Kaks desoksüribonukleiinhappe ahelat on omavahel seotud vastavalt komplementaarsuse reeglile. DNA replikatsioon toimub rakkude tuumas.

Erinevate RNA rühmade ja tüüpide biosünteesi materjaliks on kõrge energiaga ühendid: ATP, GTP, CTP ja TTF. saab neis sünteesida ühe kolmest näidatud fragmendist: DNA-sõltuv RNA polümeraas, polünukleotiidnukleotidüültransferaas ja RNA-sõltuv RNA polümeraas. Neist esimest leidub kõigi rakkude tuumades, avatud ka mitokondrites. RNA sünteesitakse DNA matriitsil ribonukleosiidtrifosfaatide, mangaani ja magneesiumiioonide juuresolekul. Moodustub RNA molekul, mis on komplementaarne DNA matriitsiga. Selleks, et tuumades toimuks DNA replikatsioon, moodustuvad r-RNA-, t-RNA-, i-RNA- ja RNA-praimerid. Esimesed kolm transporditakse tsütoplasmasse, kus nad osalevad valkude biosünteesis.

DNA replikatsioon toimub samamoodi nagu desoksüribonukleiinhappe translatsioon. Päriliku teabe edastamine ja säilitamine toimub kahes etapis: transkriptsioon ja tõlkimine. Mis on geen? Geen on materiaalne üksus, mis on osa desoksüribonukleiinhappemolekulist (mõnedes viirustes RNA). Sisaldub raku tuumade kromosoomides. Geneetiline teave edastatakse DNA-st RNA kaudu valku. Transkriptsioon viiakse läbi ja seisneb i-RNA sünteesis desoksüribonukleiinhappe molekuli kohtades. Olgu öeldud, et desoksüribonukleiinhappe nukleotiidjärjestus on "ümber kirjutatud" m-RNA molekuli nukleotiidjärjestusse. RNA polümeraas kinnitub vastava DNA lõigu külge, “keerab lahti” selle kaksikheeliksi ja kopeerib desoksüribonukleiinhappe struktuuri, kinnitades nukleotiide vastavalt komplementaarsuse põhimõttele. Fragmendi liikumisel liigub sünteesitud RNA ahel matriitsist eemale ja ensüümi taga olev DNA kaksikheeliks taastub koheselt. Kui RNA polümeraas jõuab kopeeritud piirkonna lõppu, liigub RNA maatriksist eemale karüoplasmasse, misjärel liigub tsütoplasmasse, kus osaleb valkude biosünteesis.

Translatsiooni käigus transleeritakse nukleotiidide i-RNA molekulis paiknemise järjestus valgu molekulis olevate aminohappejääkide järjestusse. See protsess toimub tsütoplasmas, siin liidetakse i-RNA ja moodustub polüsoom.

1. Millal toimub replikatsioon?- Interfaasi sünteetilises faasis, ammu enne rakkude jagunemist. Ajavahemikku replikatsiooni ja mitoosi profaasi vahel nimetatakse interfaasi sünteetiliseks faasiks, mille käigus rakk jätkab kasvu ja kontrollib, kas kahekordistumine on toimunud õigesti.

2. Kui enne kahekordistamist oli 46 kromosoomi, siis kui palju on neid pärast kahekordistamist?- DNA dubleerimisel kromosoomide arv ei muutu. Enne kahekordistumist on inimesel 46 üksikut kromosoomi (koosnevad ühest DNA kaksikahelast) ja pärast kahekordistamist 46 topeltkromosoomi (koosnevad kahest identsest DNA kaksikahelast, mis on omavahel tsentromeeris ühendatud).

3. Miks on vaja replikatsiooni?- Et mitoosi ajal saaks iga tütarrakk saada oma DNA koopia. Mitoosi ajal jaguneb igaüks 46 topeltkromosoomist kaheks üksikuks kromosoomiks; saadakse kaks komplekti 46 üksikut kromosoomi; need kaks komplekti lahknevad kaheks tütarrakuks.

DNA struktuuri kolm põhimõtet

Poolkonservatiivne- iga tütar-DNA sisaldab ühte ema DNA ahelat ja ühte äsja sünteesitud ahelat.

Vastastikune täiendavus- AT / CH. Ühe DNA ahela adeniini vastas on alati teise DNA ahela tümiin, tsütosiini vastas on alati guaniin.

Antiparalleelsus- DNA ahelad asuvad üksteise vastas. Neid otste koolis ei õpita, nii et natuke täpsemalt (ja edasi metsikus looduses).

DNA monomeer on nukleotiid, nukleotiidi keskosa on desoksüriboos. Sellel on 5 süsinikuaatomit (lähimal pildil on vasakpoolses alumises desoksüriboosi aatomid nummerdatud). Vaatame: esimesele süsinikuaatomile on kinnitunud lämmastikalus, viienda nukleotiidiga on kinnitunud antud nukleotiidi fosforhape, kolmas aatom on valmis siduma järgmise nukleotiidi fosforhapet. Seega on igal DNA ahelal kaks otsa:

5 "-ots, sellel on fosforhape;
3-tollises otsas on riboos.

Parallelismivastane reegel on see, et DNA kaheahelalise ahela ühes otsas (näiteks lähima pildi ülemises otsas) on ühel ahelal 5 "ots ja teisel 3" ots. Replikatsiooniprotsessi jaoks on oluline, et DNA polümeraas saaks pikendada ainult 3 "otsa. DNA ahel saab kasvada ainult selle 3" otsas.

Sellel joonisel kulgeb DNA dubleerimise protsess alt üles. On näha, et vasak ahel kasvab samas suunas ja parem ahel vastupidises suunas.

Järgmine joonis top uus kett("juhtkett") pikeneb samas suunas kui kahekordistumine. Alumine uus kett("mahajäänud ahel") ei saa samas suunas pikeneda, sest seal on tal 5" ots, mis, nagu mäletame, ei kasva. Seetõttu kasvab alumine ahel lühikese (100-200 nukleotiidi) Okazaki abil killud, millest igaüks kasvab 3" suunas. Iga Okazaki fragment kasvab 3 "praimeri otsast (" RNA praimerid ", praimerid on joonisel punased).

Replikatsiooniensüümid

Replikatsiooni üldine suund- DNA dubleerimise suund.
Vanemlik DNA- vana (ema) DNA.
Roheline pilv teksti "Vanema DNA" kõrval- ensüümi helikaas, mis lõhub vesiniksidemeid vana (ema) DNA ahela lämmastikualuste vahel.
Hallid ovaalid DNA ahelatel, mis on lihtsalt üksteisest rebenenud- destabiliseerivad valgud, mis takistavad DNA ahelate liitumist.
DNA pol III- DNA polümeraas, mis seob uued nukleotiidid ülemise (juhtiv, pidevalt sünteesitud) DNA ahela 3" otsa (Juhtiv tegevussuund).
Primase- primaasensüüm, mis teeb praimerit (Legolt punane osa). Nüüd loeme praimerid vasakult paremale:

esimene aabits on veel pooleli, seda teeb praegu primasa;
teisest praimerist ehitab DNA polümeraas DNA - DNA kahekordistumise suunale vastupidises suunas, kuid 3" otsa suunas;
kolmandast praimerist on DNA ahel juba üles ehitatud (mahajäänud suund), ta jõudis neljanda aabitsa lähedale;
neljas praimer on kõigist lühim, kuna DNA polümeraas (DNA pol I) eemaldab selle (aka RNA, sellel pole DNA-s midagi pistmist, meil oli vaja ainult õiget otsa) ja asendab selle DNA-ga;
viiendat praimerit pole enam joonisel, see lõigatakse täielikult välja ja selle asemele jääb tühimik. DNA ligaas (DNA ligaas)õmbleb selle pilu nii, et alumine (mahajäänud) DNA ahel on terve.

Ülemine pilt ei näita ensüümi topoisomeraasi, kuid edasi munanditesse ilmub see, nii et räägime sellest paar sõna. Siin on kolmest suurest kiust valmistatud köis. Kui kolm seltsimeest võtavad neist kolmest kiust kinni ja hakkavad neid kolmes erinevas suunas tõmbama, siis peagi lakkab köis hargnemast ja kõverdub tihedateks aasadeks. DNA-ga, mis on kaheahelaline köis, võib sama juhtuda, kui mitte topoisomeraasi puhul.

Topoisomerees lõikab läbi ühe kahest DNA ahelast, misjärel (teine joonis, punane nool) pöördub DNA ümber ühe oma ahela, nii et tihedaid silmuseid ei teki (topoloogiline stress väheneb).

Lõpeta alareplikatsioon

Replikatsiooniensüümidega superpildilt on selge, et pärast praimeri eemaldamist allesjäänud kohas lõpetab DNA polümeraas järgmise Okazaki fragmendi. (Tõesti arusaadav? Kui üldse, siis superpildil olevaid Okazaki fragmente tähistavad numbrid ringides.) Kui superpildi replikatsioon jõuab loogilise (vasakpoolse) lõpuni, siis viimasel (vasakpoolsemal) Okazaki fragmendil ei ole “järgmist” , seega pole kedagi, kes pärast praimeri eemaldamist saadud tühjal alal DNA-d lõpetaks.

Siin on veel üks joonistus. Must DNA ahel on vana, emapoolne. Erinevalt superpildist toimub DNA dubleerimine vasakult paremale. Kuna uuel (rohelisel) DNA-l on 5" ots paremal, on see mahajäänud ja pikeneb eraldi fragmentidega (Okazaki). Iga Okazaki fragment kasvab oma praimeri 3" otsast (sinine ristkülik). Praimerid, nagu mäletame, eemaldatakse DNA polümeraasi abil, mis lõpetab sel hetkel järgmise Okazaki fragmendi (seda protsessi tähistab punane ellips). Kromosoomi lõpus pole kedagi, kes seda osa lappiks, kuna järgmist Okazaki fragmenti pole, seal on juba tühi ruum (vahe)... Seega pärast iga replikatsiooni lühendatakse tütarkromosoomide mõlemad 5-tollised otsad. (terminali alareplikatsioon).

Tüvirakud (nahas, punases luuüdis, munandites) peavad jagunema palju rohkem kui 60 korda. Seetõttu toimib neis ensüüm telomeraas, mis pikendab telomeere pärast iga replikatsiooni. Telomeraas pikendab DNA väljaulatuvat 3 "otsa, nii et see kasvab Okazaki fragmendi suuruseks. Pärast seda sünteesib primaas sellel praimeri ja DNA polümeraas pikendab DNA alareplitseeritud 5" otsa.

Testiki

1. Replikatsioon on protsess, mille käigus:
A) toimub transport-RNA süntees;
B) toimub DNA süntees (kopeerimine);
C) ribosoomid tunnevad ära antikoodonid;
D) tekivad peptiidsidemed.

2. Ühendage prokarüootide replikatsioonis osalevate ensüümide funktsioonid nende nimedega.

3. Replikatsiooni ajal eukarüootsetes rakkudes praimerite eemaldamine
A) teostab ensüüm, millel on ainult DNaasi aktiivsus
B) moodustab Okazaki fragmente
C) esineb ainult mahajäänud ahelates
D) esineb ainult tuumas

4. Kui eraldate bakteriofaagi fX174 DNA, leiate, et see sisaldab 25% A, 33% T, 24% G ja 18% C. Kuidas te neid tulemusi seletaksite?
A) Katse tulemused on valed; kuskil oli viga.
B) Võib eeldada, et A protsent on ligikaudu võrdne T omaga, mis kehtib ka C ja G puhul. Seetõttu Chargaffi reeglit ei rikuta, DNA on kaheahelaline ja replitseerub poolkonservatiivselt.
B) Kuna A ja T ning vastavalt C ja G protsendid on erinevad, on DNA üks ahel; seda replitseerib spetsiaalne ensüüm, mis järgib spetsiaalset replikatsioonimehhanismi ühe ahelaga mallina.
D) Kuna A ei ole võrdne T-ga ja G ei ole võrdne C-ga, siis peab DNA olema üheahelaline, seda replitseeritakse komplementaarse ahela sünteesimise teel ja kasutades seda kaheahelalist vormi mallina.

5. Diagramm viitab kaheahelalisele DNA replikatsioonile. Valige iga ruudu I, II, III jaoks üks selles piirkonnas toimiv ensüüm.

A) Telomeraas
B) DNA topoisomeraas
C) DNA polümeraas
D) DNA helikaas
E) DNA ligaas

6. Lämmastiku kerge isotoobiga (N-14) söötme bakterikultuur viidi ühele jagunemisele vastavaks ajaks rasket isotoopi (N-15) sisaldavasse söötmesse ja viidi seejärel tagasi söötmesse lämmastiku kerge isotoop. Bakteri DNA koostise analüüs pärast kahele replikatsioonile vastavat perioodi näitas:

Variandid vastus	DNA
Variandid vastus	lihtne	keskmine	raske
A	3/4	1/4	-
B	1/4	3/4	-
V	-	1/2	1/2
G	1/2	1/2	-

7. Ühte haruldast geneetilist häiret iseloomustavad immuunpuudulikkus, vaimne ja füüsiline alaareng ning mikrotsefaalia. Oletame, et leiate selle sündroomiga patsiendi DNA ekstraktist peaaegu võrdses koguses pikki ja väga lühikesi DNA-lõike. Milline ensüüm on sellel patsiendil kõige tõenäolisemalt puudu/puudulik?
A) DNA ligaas
B) Topoisomeraas
C) DNA polümeraas
D) Helicase

8. DNA molekul on topeltheeliks, mis sisaldab nelja erinevat tüüpi lämmastiku aluseid. Milline järgmistest väidetest nii replikatsiooni kui ka DNA keemia kohta on õige?
A) Kahe ahela aluste järjestused on samad.
B) DNA kaksikahelas on puriinisisaldus võrdne pürimidiini sisaldusega.
C) Mõlemad ahelad sünteesitakse pidevalt 5 '→ 3' suunas.
D) Vastsünteesitud nukleiinhappe esimese aluse kinnitumist katalüüsib DNA polümeraas.
E) DNA polümeraasi veaparandustegevus viiakse läbi 5 '→ 3' suunas.

9. Enamikul DNA polümeraasidel on ka aktiivsus:
A) ligeerimine;
B) endonukleaas;
C) 5"-eksonukleaas;
D) 3"-eksonukleaas.

10. DNA helikaas on DNA replikatsiooni võtmeensüüm, mis keerab kaheahelalise DNA lahti üheahelaliseks DNA-ks. Allpool kirjeldatakse katset, mille eesmärk on selgitada selle ensüümi omadusi.

Milline järgmistest väidetest selle katse kohta on õige?
A) Geeli ülaosas ilmuv riba on ainult ssDNA, 6,3 kb.
B) Geeli põhjas olev riba on märgistatud 300 bp DNA-ga.
C) Kui hübridiseeritud DNA-d töödeldakse ainult DNA helikaasiga ja reaktsioon on lõppenud, näeb ribade paigutus välja selline, nagu on näidatud joonisel b rajal 3.
D) Kui hübridiseeritud DNA-d töödeldakse ainult keetmisega ilma helikaasiga töötlemiseta, näeb ribade paigutus välja selline, nagu on näidatud joonise b rajal 2.
E) Kui hübridiseeritud DNA-d töödeldakse ainult keedetud helikaasiga, näeb ribade paigutus välja selline, nagu on näidatud joonise b rajal 1.

Rajooniolümpiaad 2001
- Ülevenemaaline olümpiaad 2001
- rahvusvaheline olümpiaad 2001
- rahvusvaheline olümpiaad 1991
- rahvusvaheline olümpiaad 2008
- 2008. aasta ringkonnaolümpiaad
- rahvusvaheline olümpiaad 2010
Nende olümpiaadide täistekstid leiate.

Kui tegemist on pärilikkuse molekuliga, peab see selle kvaliteedi realiseerimiseks end täpselt kopeerima ja säilitama seega kogu algses DNA molekulis saadaoleva teabe kindla nukleotiidijärjestuse kujul. See saavutatakse spetsiaalse protsessiga, mis eelneb mis tahes keharaku jagunemisele, mida nimetatakse DNA replikatsiooniks.

DNA replikatsiooni olemus seisneb selles, et spetsiaalne ensüüm lõhub nõrgad vesiniksidemed, mis ühendavad kahe ahela nukleotiide. Selle tulemusena katkevad DNA ahelad ja igast ahelast "torkavad välja" vabad lämmastiku alused (nn replikatsioonikahvli välimus). Spetsiaalne ensüüm DNA polümeraas hakkab liikuma mööda vaba DNA ahelat 5-otsast 3-otsa (juhtahel), aidates kinnituda rakus pidevalt sünteesitud vabu nukleotiide äsja sünteesitud DNA 3-tollise otsa külge. DNA teisel ahelal (lagging ahel) moodustub uus DNA väikeste segmentide kujul, mis koosnevad 1000-2000 nukleotiidist (Okazaki fragmendid).

Selle ahela DNA fragmentide replikatsiooni alustamiseks on vaja lühikeste RNA fragmentide sünteesi (RNA iseloomulikke tunnuseid käsitletakse allpool) seemnetena, mille jaoks kasutatakse spetsiaalset ensüümi - RNA polümeraasi (primaas). Seejärel eemaldatakse RNA praimerid, DNA sisestatakse DNA polümeraas I abil moodustunud piludesse. Seega kasutatakse iga DNA ahelat matriitsi või matriitsina komplementaarse ahela konstrueerimiseks ja DNA replikatsioon on poolkonserveerunud (st üks ahel uus DNA molekul on "vana" ja teine on uus).

Rakk kasutab juhtivate ja mahajäänud ahelate paljundamiseks erinevaid ensüüme. Replikatsiooni tulemusena moodustub kaks uut absoluutselt identset DNA molekuli, mis on ka identsed algse DNA molekuliga enne selle reduplikatsiooni algust (DNA replikatsiooni protsess on täpsemalt näidatud joonisel 3.5). DNA polümeraas, nagu iga teine ensüüm, kiirendab oluliselt komplementaarsete nukleotiidide kinnitumist vaba DNA ahelaga, kuid adeniini keemiline afiinsus tümiini ja tsütosiini guaniini suhtes on nii suur, et need ühinevad üksteisega isegi ilma DNA polümeraas lihtsates reaktsioonisegudes.

Mõnevõrra lihtsustades võib öelda, et DNA molekuli täpse kahekordistumise nähtus, mis põhineb selle molekuli aluste komplementaarsusel, moodustab pärilikkuse molekulaarse aluse. DNA replikatsiooni kiirus inimestel on suhteliselt aeglane ja mis tahes inimese kromosoomi DNA replikatsiooniks kuluks nädalaid, kui replikatsioon algaks ühest punktist. Tegelikult sisaldab iga kromosoomi DNA molekulis a-iga inimese kromosoom ainult ühte DNA molekuli, replikatsiooni initsiatsiooni kohti (replikonid) on palju. Igast replikonist jätkub replikatsioon mõlemas suunas, kuni naaberreplikonid ühinevad. Seetõttu toimub DNA replikatsioon igas kromosoomis suhteliselt kiiresti.

Replikatsioon (ladina keelest replikatio – uuendamine) on DNA tütarmolekuli sünteesi protsess DNA lähtemolekuli maatriksil. Järgneva emaraku jagunemise käigus saab iga tütarrakk DNA molekuli ühe koopia, mis on identne algse emaraku DNA-ga. See protsess tagab geneetilise teabe täpse edastamise põlvest põlve. DNA replikatsiooni viib läbi kompleksne ensüümikompleks, mis koosneb 15-20 erinevast valgust, mida nimetatakse replikisoomiks.

DNA replikatsioon on rakkude jagunemise käigus võtmetähtsusega sündmus. On oluline, et jagunemise ajal oleks DNA täielikult replitseeritud ja ainult üks kord. Seda pakuvad teatud DNA replikatsiooni reguleerimise mehhanismid.

Replikatsioon toimub sisse kolm etappi:

1. Replikatsiooni algatamine

2. Pikendamine

3. Replikatsiooni lõpetamine.

Eukarüootide genoomid (nagu ka nende üksikud kromosoomid) koosnevad suurest hulgast sõltumatutest replikonitest, mis vähendab oluliselt üksiku kromosoomi replikatsiooni koguaega. Molekulaarseid mehhanisme, mis kontrollivad replikatsiooni initsiatsiooniaktide arvu igas kohas ühe raku jagunemise tsükli jooksul, nimetatakse koopiaarvu kontrolliks. Lisaks kromosomaalsele DNA-le sisaldavad bakterirakud sageli plasmiide, mis on üksikud replikonid. Plasmiididel on oma koopiakontrolli mehhanismid: nad suudavad sünteesida ainult ühe plasmiidi koopia rakutsükli kohta või tuhandeid koopiaid.

Replikatsioon algab replikatsiooni initsiatsiooni kohast DNA kaksikheeliksi lahtikerimisega, replikatsioonikahvli moodustumisega – DNA otsese replikatsiooni kohaga. Iga sait võib moodustada ühe või kaks replikatsioonikahvlit, olenevalt sellest, kas replikatsioon on ühe- või kahesuunaline. Kahesuunaline replikatsioon on tavalisem. Mõni aeg pärast replikatsiooni algust võib elektronmikroskoobis jälgida replikatsioonisilma – kromosoomi lõiku, kus DNA on juba replitseeritud ja mida ümbritsevad mittereplitseeruva DNA pikemad lõigud.

Replikatsioonikahvlis kopeerib DNA suurt valgukompleksi (replicisoomi), mille võtmeensüümiks on DNA polümeraas. Replikatsioonikahvel liigub prokarüootidel umbes 100 000 aluspaari minutis ja eukarüootidel 500–5000 aluspaari minutis.

Molekulaarne replikatsioonimehhanism:

Ensüümid (helikaas, topoisomeraas) ja DNA-d siduvad valgud kerivad DNA lahti, hoiavad maatriksi lahjendatuna ja pööravad DNA molekuli. Replikatsiooni õigsuse tagab komplementaarsete aluspaaride täpne kokkulangevus ja DNA polümeraasi aktiivsus, mis suudab vea ära tunda ja parandada. Replikatsiooni eukarüootides teostavad mitmed erinevad DNA polümeraasid (erinevalt DNA replikatsioonist prokarüootides).

DNA polümeraas I toimib mahajäänud ahelale, eemaldades RNA praimerid ja replitseerides puhastatud DNA saite. DNA polümeraas III on peamine DNA replikatsiooniensüüm, mis sünteesib mahajäänud ahela sünteesi käigus juhtivat DNA ahelat ja Okazaki fragmente (Okazaki fragmendid on suhteliselt lühikesed DNA fragmendid, mis tekivad DNA replikatsiooni käigus mahajäänud ahelal). Lisaks väänatakse sünteesitud molekule vastavalt superkerimise ja DNA edasise tihendamise põhimõttele. Süntees on energiakulukas.

DNA molekuli ahelad lahknevad, moodustavad replikatsioonikahvli ja igaüks neist muutub maatriksiks, millel sünteesitakse uus komplementaarne ahel. Selle tulemusena moodustuvad kaks uut kaheahelalist DNA molekuli, mis on identsed lähtemolekuliga.

1. Algatus.

Replikatsioon algab DNA rangelt määratletud piirkondadest – replikatsiooni alguspunktidest – ori (inglise päritolust – algus). Siin on spetsiifilised nukleotiidjärjestused – DNA kastid, mille tunneb ära initsiaatorvalk, millega seonduvad hiljem teised replikatsiooniensüümid. Kuna DNA süntees toimub ainult üheahelalisel maatriksil, peab sellele eelnema kahe DNA ahela kohustuslik eraldamine, s.t. maatriksi valmistamine, mis hõlmab järgmisi protsesse:

· DNA helikaasid keeravad ATP energia abil lahti DNA kaksikheeliksi. Kettide lahknemise alguse kohta nimetatakse iseloomuliku Y-kuju tõttu replikatiivseks hargiks.

· DNA topoisomeraasid leevendavad DNA lahtikerimise ajal topoloogilist stressi (supercoiling). Selleks lõhub ensüüm esmalt DNA ahela, seejärel kinnitub selle katkenud otsaga kovalentselt. Sellel sidemel on märkimisväärne energia, mistõttu reaktsioon on pöörduv ega nõua täiendavaid energiakulusid. On leitud kahte tüüpi topoisomeraase: topoisomeraas I (toob sisse üheahelalised katkestused) ja topoisomeraas II (toob sisse kaheahelalised katkestused DNA-s).

· SSB-valgud (inglise keeles single-Strand DNA-binding proteins) seonduvad üheahelaliste piirkondadega ja stabiliseerivad keerdumata dupleksi, vältides juuksenõela teket.

DNA matriit on valmis. Nüüd on vaja rakus saadaolevatest desoksüribonukleosiidtrifosfaatidest (dNTP) ehitada komplementaarne ahel DNA lähtemolekuli igale ahelale. Ensüüme, mis katalüüsivad matriitsi DNA poolt määratud desoksüribonukleotiidide liitumisreaktsiooni, nimetatakse DNA polümeraasideks (DNAP).

Esimese DNA polümeraasi avastas 1957. aastal A. Kornberg ja 1959. aastal pälvis ta Nobeli preemia DNA biosünteesi mehhanismi avastamise eest.

Kõige paremini uuritud DNA-d prokarüootides on:

· DNAP I. Funktsioonid:

5'-3'- eksonukleaas (võib eemaldada 5'-otsa nukleotiidi)

· DNAP II. Roll pole täielikult mõistetav. Ei osale replikatsioonis.

· DNAP III. Peamine replikatsiooni ensüüm. Funktsioonid:

polümeraas (ühendab nukleotiide fosfodiestersidemetega),

3'-5'-eksonukleaas (võib eemaldada 3'-otsa nukleotiidi)

DNAP-l on kaks funktsiooni:

Esiteks ei saa DNA polümeraasid alustada DNA sünteesi, vaid võivad olemasoleva polünukleotiidahela 3' otsa lisada uusi desoksüribonukleotiidühikuid. Järelikult tuleb DNA-d kruntida. DNAP toimimiseks vajalik praimer (praimer) koosneb RNA-st (ligikaudu 15-17 nukleotiidist) ja seda sünteesib ensüüm primaas. Primaas seondub helikaasi ja DNA-ga, moodustades struktuuri, mida nimetatakse primosoomiks. Seejärel kinnitub DNAP III praimeri külge ja pikendab ahelat.

Teiseks, uue polümeraasi ahela süntees viiakse läbi ainult 5'-3' suunas piki antiparalleelselt orienteeritud matriitsahelat, s.o. 3'-5'. Vastassuunaliste ahelate süntees ei toimu kunagi, seetõttu peavad replikatsioonikahvlis sünteesitud ahelad kasvama vastassuunas. Ühe ahela süntees (juhtiv, juhtiv) toimub pidevalt ja teine (mahajäänud) - fragmentidena. Juhtahel kasvab 5-st otsast 3-ni replikatsioonikahvli suunas ja vajab ainult ühte initsiatsiooniakti. Mahajäänud ahela kasv läheb samuti 5-st otsast 3-ni, kuid vastupidises suunas replikatiivse kahvli liikumisele. Mahajäänud ahela sünteesiks peavad toimuma mitmed initsiatsioonisündmused, mille tulemusena moodustub palju lühikesi ahelaid (Okazaki fragmendid), mille pikkus prokarüootides on 1000-2000 nukleotiidi.

Iga Okazaki fragmendi alguses on RNA praimer, mis tuleb eemaldada. ribonukleotiide ei tohi DNA-s esineda. DNAP I eemaldab oma 5'-3'-eksonukleaasi aktiivsuse tõttu praimeri ja asendab selle desoksüribonukleotiididega. Kahe külgneva Okazaki fragmendi vaheline lõhe õmmeldakse ensüümi DNA ligaasiga, kasutades ATP energiat.

2. Pikendamine (ahela pikenemine).

Replikatsiooniensüümide kompleks, mida nimetatakse replikisoomiks, liigub piki matriitsi DNA molekuli, kerides selle lahti ja moodustades komplementaarseid DNA ahelaid.

3. Lõpetamine (replikatsiooni lõpp).

DNA sisaldab replikatsiooni terminatsiooni saite, mis sisaldavad spetsiifilisi järjestusi, millega terminaatorvalgud seonduvad, takistades replikatsioonikahvli edasist levikut. DNA süntees lõpeb.

Varem märkisime, et lisaks polümeraasi aktiivsusele on DNAP-l ka 3'-5' eksonukleaas. See on vajalik korrigeerimiseks, s.t. valesti sisestatud nukleotiidi eemaldamine. DNAP kontrollib kahekordselt iga nukleotiidi vastavust mallile: üks kord enne selle lisamist kasvavasse ahelasse, teine kord enne järgmise nukleotiidi lisamist.

Replikatsioonikiirus prokarüootides on 500 nukleotiidi sekundis.

Replikatsioonimeetodid

· Θ-tüüp. Replikatiivne ocellus laieneb mööda ringikujulist DNA molekuli vastassuundades. Sel juhul moodustub vahestruktuur, mis meenutab kreeka tähte θ. See on iseloomulik prokarüootidele ja mõnele viirusele.

· Σ-tüüpi (rullimisrõnga mehhanism). Replikatsioon algab fosfodiestersideme katkemisega ühes lähtetsükli molekuli ahelatest. DNAP kinnitub vaba 3' otsa ja loob uue ahela. Vahestruktuur on tähe σ kujuga. Seda tüüpi replikatsiooni leidub mõnes viiruses, eriti lambda bakteriofaagis.

· Lineaarsete molekulide replikatsioon koos mitme üksteise poole liikuva replikatiivse kahvli moodustumisega. See on iseloomulik kõigile lineaarsete DNA molekulidega eukarüootidele ja viirustele.

Replikatsiooni tunnused eukarüootides

1. Replikatsioon toimub raku mitootilise tsükli S-perioodil.

2. Ühes DNA molekulis on palju replikoneid; replikatsiooni alguspunkte on mitu.

3. DNP polümeraasid:

· Α – DNA polümeraas. Peamine replikatsiooni ensüüm. Sellel on ka primaaside aktiivsus. Sünteesib Okazaki fragmente.

· Β – DNA polümeraas – parandav ensüüm (eemaldab DNA kahjustuse).

Γ - DNA polümeraas tagab mitokondriaalse DNA sünteesi

· Δ – DNA polümeraas osaleb juhtiva ahela sünteesis.

4. Okazaki fragmentide pikkus on 100-200 nukleotiidi.

5. Replikatsioonikiirus 50 nukleotiidi / sek.

6. On olemas ensüüm telomeraas, mis pikendab DNA 3'-otsa enne replikatsiooni, sest iga kord pärast replikatsiooni vähendatakse lineaarse DNA molekuli 3' otsa pikkust praimeri suuruse võrra. Telomeeride pikenemise häired on seotud kantserogeneesi ja vananemisega.

Seega saame eelpool käsitletud materjalist järeldada, et replikatsiooni bioloogiline tähendus seisneb geneetilise informatsiooni täpses reprodutseerimises, mis on vajalik selleks, et tütarrakkude pärandmaterjal oleks identne emaraku pärandmaterjaliga. See on väga oluline nii paljurakuliste organismide arenguks ja normaalseks funktsioneerimiseks kui ka vegetatiivse paljunemise teostamiseks.

DNA replikatsioon

DNA replikatsioon- desoksüribonukleiinhappe tütarmolekuli sünteesi protsess DNA lähtemolekuli maatriksil. Järgneva emaraku jagunemise käigus saab iga tütarrakk DNA molekuli ühe koopia, mis on identne algse emaraku DNA-ga. See protsess tagab geneetilise teabe täpse edastamise põlvest põlve. DNA replikatsiooni viib läbi 15-20 erinevast valgust koosnev kompleksne ensüümkompleks, mida nimetatakse eng. vastumeelsus) .

Õppige ajalugu

Iga DNA molekul koosneb algse lähtemolekuli ühest ahelast ja ühest äsja sünteesitud ahelast. Seda replikatsioonimehhanismi nimetatakse poolkonservatiivseks. Praegu peetakse seda mehhanismi tõestatuks tänu Matthew Meselsoni ja Franklin Stahli (g.) katsetele. Varem oli veel kaks mudelit: "konservatiivne" - replikatsiooni tulemusena moodustub üks DNA molekul, mis koosneb ainult vanemahelatest ja üks, mis koosneb ainult tütarahelatest; “Dispersive” - kõik replikatsiooni tulemusena saadud DNA molekulid koosnevad ahelatest, mille osad on äsja sünteesitud, teised aga võetud DNA algmolekulist.

Üldised vaated

replikatsiooni algatamine
pikenemine
replikatsiooni lõpetamine.

Replikatsiooni reguleerimine toimub peamiselt initsiatsioonifaasis. Seda on üsna lihtne rakendada, sest replikatsioon võib alata mitte mis tahes DNA tükist, vaid rangelt määratletud tükist, mida nimetatakse replikatsiooni initsiatsioonikohaks. Genoomis võib selliseid saite olla ainult üks või mitu. Replikatsiooni initsiatsioonikoha mõistega on tihedalt seotud mõiste replikon ... Replikon on DNA osa, mis sisaldab replikatsiooni initsiatsioonisaiti ja replitseerub, kui DNA süntees sellest kohast algab. Bakterite genoomid esindavad reeglina ühte replikoni, mis tähendab, et kogu genoomi replikatsioon on vaid ühe replikatsiooni initsiatsiooniakti tulemus. Eukarüootide genoomid (nagu ka nende üksikud kromosoomid) koosnevad suurest hulgast sõltumatutest replikonitest, mis vähendab oluliselt üksiku kromosoomi replikatsiooni koguaega. Molekulaarseid mehhanisme, mis kontrollivad replikatsiooni initsiatsiooniaktide arvu igas kohas ühe raku jagunemise tsükli jooksul, nimetatakse koopiaarvu kontrolliks. Lisaks kromosomaalsele DNA-le sisaldavad bakterirakud sageli plasmiide, mis on üksikud replikonid. Plasmiididel on oma koopiakontrolli mehhanismid: nad suudavad sünteesida ainult ühe plasmiidi koopia rakutsükli kohta või tuhandeid koopiaid.

Replikatsioon algab replikatsiooni alguse kohast DNA kaksikheeliksi lahtikerimisega, moodustades replikatsioonikahvel - DNA otsese replikatsiooni koht. Iga sait võib moodustada ühe või kaks replikatsioonikahvlit, olenevalt sellest, kas replikatsioon on ühe- või kahesuunaline. Kahesuunaline replikatsioon on tavalisem. Mõni aeg pärast replikatsiooni algust elektronmikroskoobis saate jälgida replikatsiooni piiluauk - kromosoomi piirkond, kus DNA on juba replitseeritud ja mida ümbritsevad mittereplitseeruva DNA suuremad piirkonnad.

Molekulaarne replikatsioonimehhanism

Ensüümid (helikaas, topoisomeraas) ja DNA-d siduvad valgud kerivad DNA lahti, hoiavad maatriksit lahjendatud olekus ja pööravad DNA molekuli. Replikatsiooni õigsuse tagab komplementaarsete aluspaaride täpne kokkulangevus ja DNA polümeraasi aktiivsus, mis suudab vea ära tunda ja parandada. Replikatsiooni eukarüootides teostavad mitmed erinevad DNA polümeraasid. Lisaks väänatakse sünteesitud molekule vastavalt superkerimise ja DNA edasise tihendamise põhimõttele. Süntees on energiakulukas.

Replikatsiooniprotsessi omadused

Märkmed (redigeeri)

Kirjandus

DNA säilitamine põlvkondade seerias: DNA replikatsioon (Favorova O.O., SOZH, 1996)PDF (151 KB)
DNA replikatsioon (animatsioon)

Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.

Vaadake, mis on "DNA replikatsioon" teistes sõnaraamatutes:

dna replikatsioon- - uue DNA biosüntees ema DNA maatriksil ... Biokeemiliste terminite lühisõnastik

DNA replikatsioon- DNR biosintezė staatus T valdkond keemia apibrėžtis Fermentų katalizuojama polinukleotidinė DNR sintezė ja DNR maatriksid. atitikmenys: angl. DNA replikatsioon rus. DNA replikatsioon ryšiai: sinonimas - DNR replikatsioon ... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

- (hiljast lat. replicatio kordamine), reduplikatsioon, autoreplikatsioon, nukleiinhappe makromolekulide isepaljunemise protsess t-ks, pakkudes geneetilise täpset kopeerimist. teave ja selle edastamine põlvest põlve. R-i mehhanism ... ... Bioloogia entsüklopeediline sõnastik

- (alates hilise lat. replikatio kordamine) (autoreproduktsiooni autosüntees, reduplikatsioon), DNA molekulide kahekordistamine (mõnes RNA viiruses) spetsiaalsete ensüümide osalusel. Replikatsiooni nimetatakse ka kromosoomide dubleerimiseks, mis põhineb replikatsioonil ... Suur entsüklopeediline sõnaraamat

- (desoksüribonukleiinhape), NUKLEIINHAPPE, mis on eukarüootsete rakkude ja mõnede VIIRUSTE KROMOSOOMI põhikomponent. DNA-d nimetatakse sageli elu "ehituskiviks", kuna see sisaldab GENEETILIST KOODI ... ... Teaduslik ja tehniline entsüklopeediline sõnastik

Replikatsioon on haldamata- * Replikatsioon mittereaktiivne * Plasmiidide mitmekordne DNA replikatsioon, mis ei ole seotud rakkude jagunemisega ja mida see jagunemine ei kontrolli ... Geneetika. entsüklopeediline sõnaraamat

DNA topeltheeliks Deoksüribonukleiinhape (DNA) on üks kahest nukleiinhapete tüübist, mis tagavad elusorganismide arengu ja funktsioneerimise geneetilise programmi säilitamise, ülekande põlvest põlve ja elluviimise. Peamine ... ... Vikipeedia

Replikatsiooniprotsessi skemaatiline esitus, tähistatud numbrid: (1) mahajäänud ahel, (2) juhtiv ahel, (3) DNA polümeraas (Polα), (4) DNA ligaas, (5) RNA praimer, (6) DNA primaas, ( 7) Okazaki fragment, (8) DNA polümeraas (Polδ), (9) ... ... Wikipedia