Proces replikace DNA. Procesy replikace a transkripce

Replikace DNA je proces biosyntézy deoxyribonukleové kyseliny. Materiálem pro je kyselina adenosin-, guanosin-cytidin- a thymidintrifosforečná nebo ATP, GTP, CTP a TTP.

Mechanismus replikace DNA

Biosyntéza se provádí v přítomnosti takzvaného „semena“ – určitého množství jednovláknové transformované deoxyribonukleové kyseliny a katalyzátoru. DNA polymeráza působí jako katalyzátor. Tento enzym se podílí na spojení nukleotidových zbytků. Během jedné minuty je spojeno více než 1000 nukleotidových zbytků. Nukleotidové zbytky v molekule fragmentu deoxyribonukleové kyseliny jsou propojeny 3', 5'-fosfodiesterovými vazbami. DNA polymeráza katalyzuje adici mononukleotidových zbytků na volný 3-hydroxylový konec transformované deoxyribonukleové kyseliny. Nejprve se syntetizují malé části molekuly DNA. Jsou přístupné působení DNA ligázy a tvoří delší fragmenty deoxyribonukleové kyseliny. Oba fragmenty jsou lokalizovány v Transformovaná deoxyribonukleová kyselina se používá jako růstový bod pro budoucí molekulu DNA a je také templátem, na kterém se tvoří antiparalelní řetězec deoxyribonukleové kyseliny, který je strukturou a sekvencí nukleotidových zbytků shodný s transformovanou DNA. K replikaci DNA dochází během mitotické interfáze.Deoxyribonukleová kyselina je koncentrována v chromozomech a chromatinu. Po vytvoření jednořetězcové deoxyribonukleové kyseliny se tvoří její sekundární a terciární struktury. Dva řetězce deoxyribonukleové kyseliny jsou navzájem spojeny podle pravidla komplementarity. K replikaci DNA dochází v jádrech buněk.

Materiálem pro biosyntézu různých skupin a typů RNA jsou makroergické sloučeniny: ATP, GTP, CTP a TTP. lze v nich syntetizovat za účasti jednoho ze tří naznačených fragmentů: DNA-dependentní RNA polymerázy, polynukleotid-nukleotidyltransferázy a RNA-dependentní RNA polymerázy. První z nich je obsažena v jádrech všech buněk a je otevřená i v mitochondriích. RNA je syntetizována na templátu DNA v přítomnosti ribonukleosidtrifosfátů, manganových a hořčíkových iontů. Vznikne molekula RNA, která je komplementární k templátu DNA. Aby došlo k replikaci DNA v jádrech, vytvoří se primery r-RNA-, t-RNA-, i-RNA- a RNA. První tři jsou transportovány do cytoplazmy, kde se účastní biosyntézy bílkovin.

Replikace DNA probíhá v podstatě stejným způsobem jako translace deoxyribonukleové kyseliny. Přenos, stejně jako uchování dědičné informace, probíhá ve dvou fázích: přepis a překlad. Co je to gen? Gen je hmotná jednotka, která je součástí molekuly deoxyribonukleové kyseliny (u některých virů RNA). Nachází se v chromozomech buněčných jader. Genetická informace se přenáší z DNA přes RNA do proteinu. Transkripce se provádí a spočívá v syntéze mRNA v oblastech molekuly deoxyribonukleové kyseliny. Je třeba říci, že nukleotidová sekvence deoxyribonukleové kyseliny je „přepsána“ do nukleotidové sekvence molekuly mRNA. RNA polymeráza se naváže na odpovídající úsek DNA, „rozmotá“ její dvoušroubovici a kopíruje strukturu deoxyribonukleové kyseliny, přičemž přidává nukleotidy podle principu komplementarity. Jak se fragment pohybuje, syntetizovaný řetězec RNA se vzdaluje od templátu a dvojitá šroubovice DNA za enzymem se okamžitě obnoví. Pokud RNA polymeráza dosáhne konce kopírované oblasti, RNA se přesune z matrice do karyoplazmy, poté se přesune do cytoplazmy, kde se účastní biosyntézy proteinů.

Během translace je sekvence nukleotidů v molekule mRNA translatována do sekvence aminokyselinových zbytků v molekule proteinu. Tento proces probíhá v cytoplazmě, spojuje se zde mRNA a vzniká polyzom.

Na matrici mateřské molekuly DNA. V tomto případě se genetický materiál zakódovaný v DNA zdvojnásobí a rozdělí mezi dceřiné buňky.

Odkazy

replikace DNA (animace) (anglicky)

Nadace Wikimedia. 2010 .

Podívejte se, co je "Replikace (biologie)" v jiných slovnících:

- (z pozdní lat. replicatio opakování), reduplikace, autoreplikace, proces sebereprodukce makromolekul nukleových kyselin na t, zajišťující přesné kopírování genetick. informace a jejich přenos z generace na generaci. V srdci mechanismu R. ... ... Biologický encyklopedický slovník

biologie- BIOLOGIE (z řec. bio život a slovo logos, učení) souhrn věd o životě ve všech rozmanitých projevech jeho forem, vlastností, souvislostí a vztahů na Zemi. Termín byl poprvé navržen současně a nezávisle na sobě v roce 1802 ... ... Encyklopedie epistemologie a filozofie vědy

Tento termín má jiné významy, viz replikace. Schematické znázornění procesu replikace, čísla označují: (1) pozdní ... Wikipedie

BIOLOGIE- soubor věd o životě ve všech rozmanitých projevech jeho forem, vlastností, souvislostí a vztahů na Zemi. Poprvé tento termín navrhl současně a nezávisle na sobě v roce 1802 vynikající francouzský vědec J.B. Lamarck a Němec ... ... Filosofie vědy: Slovník základních pojmů

- (Pozdně latinské replicatio opakování, z latiny replico obracím se zpět, opakuji) reduplikace, autoreprodukce, autosyntéza, proces sebereprodukce (sebekopírování) nukleových kyselin vyskytující se ve všech živých buňkách (Viz Nucleic ... ... Velká sovětská encyklopedie- Extrakt (buněčný extrakt, bezbuněčný systém) mechanicky nebo chemicky zničené (osmotický šok) buňky sloužící k reprodukci biochemických procesů "in vitro". Buňky se používají k získání extraktů ... Wikipedie

Buňka je základní jednotka stavby a životně důležité činnosti všech živých organismů (kromě virů, které jsou často označovány jako nebuněčné formy života), mající vlastní metabolismus, schopnou samostatné existence, ... ... Wikipedia

replikace DNA je proces jeho zdvojení před dělením buněk. Někdy označovaná jako „replikace DNA“. Ke zdvojení dochází v S-fázi interfáze buněčného cyklu.

Je zřejmé, že vlastní kopírování genetického materiálu u volně žijících zvířat je nutností. Jen tak mohou dceřiné buňky vzniklé při buněčném dělení obsahovat tolik DNA, jako bylo původně v té původní. Díky replikaci se všechny geneticky naprogramované vlastnosti struktury a metabolismu přenášejí v řadě generací.

V procesu buněčného dělení jde každá molekula DNA z páru identických do své dceřiné buňky. To zajišťuje přesný přenos dědičné informace.

Během syntézy DNA se spotřebovává energie, to je proces, který je energeticky náročný.

Mechanismus replikace DNA

Samotná molekula DNA (bez zdvojení) je dvojitá šroubovice. V procesu reduplikace se přeruší vodíkové vazby mezi jeho dvěma komplementárními řetězci. A na každém jednotlivém řetězci, který nyní slouží jako šablona-matice, je postaven nový doplňkový řetězec. Vzniknou tak dvě molekuly DNA. Za každý dostane jeden řetězec z mateřské DNA, druhý je nově syntetizován. Mechanismus replikace DNA tedy je polokonzervativní(jeden řetěz starý, jeden nový). Tento replikační mechanismus byl prokázán v roce 1958.

V molekule DNA jsou vlákna antiparalelní. To znamená, že jeden řetězec jde ve směru od 5" konce ke 3" a doplňkový jde opačně. Čísla 5 a 3 označují počet atomů uhlíku v deoxyribóze, která je součástí každého nukleotidu. Nukleotidy jsou prostřednictvím těchto atomů spojeny fosfodiesterovými vazbami. A kde jeden řetězec má 3 "spojení, druhý má 5", jelikož je obrácený, tedy jde opačným směrem. Pro názornost si můžete představit, že si položíte ruku na ruku, jako když prvňáček sedí v lavici.

Hlavní enzym, který provádí prodloužení nového řetězce DNA, je schopen to udělat pouze jedním směrem. Totiž: připojit nový nukleotid pouze na 3" konec. Syntéza tak může jít pouze směrem od 5" do 3".

Řetězce jsou antiparalelní, což znamená, že syntéza k nim musí jít různými směry. Pokud by se řetězce DNA nejprve úplně rozcházely a pak by na nich byl postaven nový komplementární, pak by to nebyl problém. Ve skutečnosti se řetězce v určitém směru rozcházejí počáteční body replikace a v těchto místech na matricích okamžitě začíná syntéza.

Takzvaný replikační vidlice. Na jednom mateřském řetězci přitom probíhá syntéza ve směru rozbíhavosti vidlice a tato syntéza probíhá kontinuálně, bez přestávek. Na druhém templátu probíhá syntéza v opačném směru, než je směr divergence řetězců původní DNA. Proto taková zpětná syntéza může probíhat pouze po částech, které se nazývají fragmenty Okazaki. Později se takové fragmenty „sešívají“ dohromady.

Zavolá se podřízený řetězec, který se nepřetržitě replikuje vedení nebo vedení. Ten, který je syntetizován prostřednictvím fragmentů Okazakiho - zaostávající, nebo zaostávající protože fragmentovaná replikace je pomalejší.

V diagramu se vlákna rodičovské DNA postupně rozcházejí ve směru, ve kterém je syntetizován vedoucí dceřiný řetězec. Syntéza zaostávajícího řetězce jde opačným směrem než divergence, proto musí být prováděna po částech.

Dalším znakem hlavního enzymu syntézy DNA (polymerázy) je, že nemůže samotnou syntézu zahájit, pouze pokračovat. On potřebuje primer nebo primer. Proto je nejprve na rodičovském řetězci syntetizována malá komplementární oblast RNA, poté je řetězec prodloužen pomocí polymerázy. Později se odstraní základní nátěry a vytvoří se otvory.

V diagramu jsou semena zobrazena pouze na zaostávajícím řetězu. Ve skutečnosti jsou na čele. Zde je však potřeba pouze jeden základní nátěr na vidlici.

Vzhledem k tomu, že řetězce mateřské DNA se ne vždy rozcházejí od konců, ale v bodech inicializace, ve skutečnosti se netvoří tolik vidličky jako oči nebo bubliny.

Každá bublina může mít dvě vidlice, to znamená, že řetězy se budou rozcházet ve dvou směrech. Mohou však jen jedno. Pokud je přesto nesoulad obousměrný, pak od okamžiku inicializace na jednom řetězci DNA půjde syntéza dvěma směry - dopředu a dozadu. V tomto případě bude kontinuální syntéza provedena v jednom směru a Okazakiho fragmenty v druhém směru.

Prokaryotická DNA není lineární, ale má kruhovou strukturu a pouze jeden počátek replikace.

V diagramu jsou dvě vlákna rodičovské molekuly DNA znázorněna červeně a modře. Nová vlákna, která se syntetizují, jsou znázorněna tečkovanými čarami.

U prokaryot je samokopírování DNA rychlejší než u eukaryot. Pokud je rychlost reduplikace u eukaryot stovky nukleotidů za sekundu, pak u prokaryot dosahuje tisíc nebo více.

Replikační enzymy

Replikaci DNA provádí komplex enzymů tzv replisome. Replikačních enzymů a proteinů je celkem více než 15. Nejvýznamnější jsou uvedeny níže.

Hlavním enzymem replikace je již zmíněný DNA polymeráza(ve skutečnosti existuje několik různých), které přímo implementují růst řetězce. To není jediná funkce enzymu. Polymeráza je schopna „zkontrolovat“, který nukleotid se pokouší připojit ke konci. Pokud se nehodí, smaže ho. Jinými slovy, částečná oprava DNA, tj. její oprava replikačních chyb, nastává již ve fázi syntézy.

Nukleotidy nacházející se v nukleoplazmě (nebo v cytoplazmě u bakterií) existují ve formě trifosfátů, to znamená, že to nejsou nukleotidy, ale deoxynukleosidtrifosfáty (dATP, dTTP, dGTP, dCTP). Jsou podobné ATP, který má tři fosfátové zbytky, z nichž dva jsou spojeny makroergickými vazbami. Když se tyto vazby přeruší, uvolní se velké množství energie. Také v deoxynukleosid trifosfátech jsou dvě vazby makroergické. Polymeráza oddělí poslední dva fosfáty a uvolněnou energii využije pro polymerační reakci DNA.

Enzym helicase odděluje vlákna matricové DNA přerušením vodíkových vazeb mezi nimi.

Vzhledem k tomu, že molekula DNA je dvojitá šroubovice, rozbití vazeb vyvolává ještě větší kroucení. Představte si lano ze dvou provazů stočených vůči sobě a na jedné straně táhnete jeden konec doprava, druhý doleva. Tkaná část se ještě více zkroutí, bude těsnější.

K odstranění takového napětí je nutné, aby se dvojitá šroubovice, která se ještě nerozpadla, rychle otočila kolem své osy a „resetovala“ výsledné supercoiling. To je však příliš energeticky náročné. Proto je v buňkách realizován jiný mechanismus. Enzym topoizomeráza přetrhne jednu z nití, druhou protáhne mezerou a první znovu zašije. Tím se eliminují vznikající supercoily.

Řetězce matricové DNA, které se rozptýlily v důsledku působení helikázy, se snaží znovu spojit svými vodíkovými vazbami. Aby se to nestalo, DNA vazebné proteiny. Nejsou to enzymy v tom smyslu, že nekatalyzují reakce. Takové proteiny jsou připojeny k řetězci DNA po celé jeho délce a neumožňují uzavření komplementárních řetězců templátové DNA.

Primery jsou syntetizovány RNA primase. A jsou odstraněny exonukleáza. Po odstranění primeru vytvoří „díru“ jiný typ polymerázy. V tomto případě však nejsou jednotlivé úseky DNA sešity.

Jednotlivé části syntetizovaného řetězce jsou zesíťovány takovým replikačním enzymem, jako je DNA ligáza.

Je molekula dědičnosti, pak aby si tuto kvalitu uvědomila, musí se přesně kopírovat a zachovat tak všechny informace dostupné v původní molekule DNA ve formě specifické sekvence nukleotidů. To zajišťuje speciální proces, který předchází dělení jakékoli buňky v těle, kterému se říká replikace DNA.

Podstatou replikace DNA je, že speciální enzym rozbíjí slabé vodíkové vazby, které spojují nukleotidy dvou řetězců. V důsledku toho jsou vlákna DNA odpojena a z každého vlákna „trčí“ volné dusíkaté báze (vzhled tzv. replikační vidlice). Speciální enzym, DNA polymeráza, se začne pohybovat po volném řetězci DNA z 5-konce na 3-konec (vedoucí řetězec), čímž pomáhá spojit volné nukleotidy, neustále syntetizované v buňce, k 3“ konci nově syntetizovaného Řetězec DNA Na druhém řetězci DNA (zaostávajícím řetězci) se tvoří nová DNA ve formě malých segmentů skládajících se z 1000-2000 nukleotidy(fragmenty Okazaki).

K zahájení replikace fragmentů DNA tohoto vlákna je nutná syntéza krátkých fragmentů RNA (o charakteristických rysech RNA bude pojednáno níže) jako semeno, pro které se používá speciální enzym - RNA polymeráza (primáza). Následně jsou RNA primery odstraněny a DNA je vložena do vzniklých mezer pomocí DNA polymerázy I. Každý řetězec DNA je tedy použit jako templát nebo templát pro stavbu komplementárního řetězce a replikace DNA je semikonzervativní (tj. jeden řetězec v nové molekule DNA je „stará“ a druhá je nová).

K replikaci vedoucích a zaostávajících řetězců v buňce se používají různé enzymy. V důsledku replikace vznikají dvě nové absolutně identické molekuly DNA, které jsou rovněž shodné s původní molekulou DNA před zahájením její reduplikace (proces replikace DNA je blíže znázorněn na obr. 3.5). DNA polymeráza, jako každý jiný enzym, výrazně urychluje proces přidávání komplementárních nukleotidů do volného řetězce DNA, avšak chemická afinita adenin na thymin a cytosin na guanin je tak vysoká, že se vzájemně spojují i ​​v nepřítomnosti DNA polymerázy v jednoduché reakční směsi.

Poněkud zjednodušeně lze říci, že fenomén přesného zdvojení molekuly DNA, který je založen na komplementaritě bází této molekuly, je molekulárním základem dědičnosti. Rychlost replikace DNA u lidí je relativně pomalá a replikace DNA jakéhokoli lidského chromozomu by zabrala týdny, pokud by replikace začala z jednoho bodu. Ve skutečnosti v molekule DNA jakéhokoli chromozomu a každý lidský chromozom obsahuje pouze jednu molekulu DNA, existuje mnoho míst iniciace replikace (replikonů). Od každého replikonu replikace pokračuje v obou směrech, dokud se sousední replikony nesloučí. Proto replikace DNA v každém chromozóm proudí poměrně rychle.

Replikace (z lat. replicatio - obnova) - proces syntézy dceřiné molekuly DNA na matrici mateřské molekuly DNA. Při následném dělení mateřské buňky obdrží každá dceřiná buňka jednu kopii molekuly DNA, která je totožná s DNA původní mateřské buňky. Tento proces zajišťuje přesný přenos genetické informace z generace na generaci. Replikace DNA je prováděna komplexním enzymovým komplexem, který se skládá z 15-20 různých proteinů, nazývaných replisome (anglicky replisome).

Replikace DNA je klíčovou událostí v průběhu buněčného dělení. Je důležité, aby v době dělení byla DNA zcela replikována a pouze jednou. To je zajištěno určitými mechanismy regulace replikace DNA.

Replikace probíhá v tři fáze:

1. Zahájení replikace

2. Prodloužení

3. Ukončení replikace.

Replikace je regulována hlavně v iniciační fázi. To je docela snadné implementovat, protože replikace nemůže začít z jakéhokoli segmentu DNA, ale z přesně definovaného segmentu, který se nazývá místo zahájení replikace. V genomu může být buď pouze jedno, nebo mnoho takových míst. Pojem místa zahájení replikace úzce souvisí s pojmem replikon. Replikon je úsek DNA, který obsahuje místo iniciace replikace a replikuje se po zahájení syntézy DNA z tohoto místa. Bakteriální genomy jsou zpravidla jediným replikonem, což znamená, že replikace celého genomu je výsledkem pouze jednoho aktu zahájení replikace.

Eukaryotické genomy (stejně jako jejich jednotlivé chromozomy) se skládají z velkého množství nezávislých replikonů, což výrazně zkracuje celkovou dobu replikace jednotlivého chromozomu. Molekulární mechanismy, které řídí počet iniciací replikace v každém místě na cyklus buněčného dělení, se nazývají řízení počtu kopií. Kromě chromozomální DNA bakteriální buňky často obsahují plazmidy, což jsou jednotlivé replikony. Plazmidy mají své vlastní mechanismy kontroly počtu kopií: mohou poskytnout syntézu pouze jedné kopie plazmidu na buněčný cyklus nebo tisíce kopií.

Replikace začíná v místě zahájení replikace s rozvinutím dvoušroubovice DNA, čímž se vytvoří replikační vidlice, místo přímé replikace DNA. Každá lokalita může tvořit jednu nebo dvě replikační větve v závislosti na tom, zda je replikace jednosměrná nebo obousměrná. Obousměrná replikace je běžnější. Nějaký čas po začátku replikace lze pomocí elektronového mikroskopu pozorovat replikační oko – oblast chromozomu, kde již byla replikována DNA, obklopenou více rozšířenými oblastmi nereplikované DNA.

V replikační vidlici DNA kopíruje velký proteinový komplex (replizom), jehož klíčovým enzymem je DNA polymeráza. Replikační vidlice se pohybuje rychlostí asi 100 000 párů bází za minutu u prokaryot a 500-5000 u eukaryot.

Molekulární mechanismus replikace:

Enzymy (helikáza, topoizomeráza) a proteiny vázající DNA odvíjejí DNA, udržují matrici ve zředěném stavu a rotují molekulu DNA. Správnost replikace je zajištěna přesnou shodou komplementárních párů bází a aktivitou DNA polymerázy, která je schopna chybu rozpoznat a opravit. Replikace u eukaryot se provádí několika různými DNA polymerázami (na rozdíl od replikace DNA u prokaryot).

DNA polymeráza I působí na zaostávající řetězec, aby odstranila primery RNA a předreplikovala purifikovaná místa DNA. DNA polymeráza III je hlavním DNA replikačním enzymem, který syntetizuje vedoucí řetězec DNA a Okazakiho fragmenty během syntézy zaostávajícího řetězce (Okazakiho fragmenty jsou relativně krátké fragmenty DNA, které se tvoří na zaostávajícím řetězci během replikace DNA). Dále jsou syntetizované molekuly stočeny podle principu supercoilingu a dalšího zhutňování DNA. Syntéza je energeticky náročná.

Řetězce molekuly DNA se rozcházejí, tvoří replikační vidličku a každý z nich se stává templátem, na kterém se syntetizuje nový komplementární řetězec. V důsledku toho se vytvoří dvě nové dvouvláknové molekuly DNA, identické s rodičovskou molekulou.