proces replikácie DNA. Replikačné a transkripčné procesy
Replikácia DNA je proces biosyntézy deoxyribonukleovej kyseliny. Materiálom pre je kyselina adenozín-, guanozín-cytidín- a tymidíntrifosforečná alebo ATP, GTP, CTP a TTP.
mechanizmus replikácie DNA
Biosyntéza sa uskutočňuje v prítomnosti takzvaného „semena“ - určitého množstva jednovláknovej transformovanej deoxyribonukleovej kyseliny a katalyzátora. DNA polymeráza pôsobí ako katalyzátor. Tento enzým sa podieľa na spájaní nukleotidových zvyškov. Za jednu minútu je spojených viac ako 1000 nukleotidových zvyškov. Nukleotidové zvyšky v molekule fragmentu deoxyribonukleovej kyseliny sú navzájom spojené 3', 5'-fosfodiesterovými väzbami. DNA polymeráza katalyzuje adíciu mononukleotidových zvyškov na voľný 3-hydroxylový koniec transformovanej deoxyribonukleovej kyseliny. Najprv sa syntetizujú malé časti molekuly DNA. Sú náchylné na pôsobenie DNA ligázy a tvoria dlhšie fragmenty deoxyribonukleovej kyseliny. Oba fragmenty sú lokalizované v transformovanej deoxyribonukleovej kyseline, ktorá sa používa ako rastový bod pre budúcu molekulu DNA a je tiež matricou, na ktorej sa vytvorí antiparalelný reťazec deoxyribonukleovej kyseliny, ktorý je štruktúrou a sekvenciou umiestnenia identický s transformovanou DNA. nukleotidové zvyšky. K replikácii DNA dochádza počas mitotickej interfázy Kyselina deoxyribonukleová sa koncentruje v chromozómoch a chromatíne. Po vytvorení jednovláknovej deoxyribonukleovej kyseliny vznikajú jej sekundárne a terciárne štruktúry. Dva vlákna deoxyribonukleovej kyseliny sú navzájom spojené podľa pravidla komplementarity. K replikácii DNA dochádza v bunkovom jadre.
Materiálom pre biosyntézu rôznych skupín a typov RNA sú vysokoenergetické zlúčeniny: ATP, GTP, CTP a TTP. možno v nich syntetizovať za účasti jedného z troch naznačených fragmentov: DNA-dependentnej RNA polymerázy, polynukleotid-nukleotidyltransferázy a RNA-dependentnej RNA polymerázy. Prvý z nich sa nachádza v jadrách všetkých buniek a nachádza sa aj v mitochondriách. RNA sa syntetizuje na templáte DNA v prítomnosti ribonukleozidtrifosfátov, mangánových a horečnatých iónov. Vytvorí sa molekula RNA, ktorá je komplementárna k templátu DNA. Aby došlo k replikácii DNA, v jadrách sa tvoria priméry r-RNA, t-RNA, i-RNA a RNA. Prvé tri sú transportované do cytoplazmy, kde sa podieľajú na biosyntéze bielkovín.
Replikácia DNA prebieha v podstate rovnakým spôsobom ako translácia deoxyribonukleovej kyseliny. Prenos a uchovanie dedičných informácií sa uskutočňuje v dvoch fázach: transkripcia a preklad. Čo je to gén? Gén je materiálna jednotka, ktorá je súčasťou molekuly deoxyribonukleovej kyseliny (RNA v niektorých vírusoch). Obsiahnuté v chromozómoch bunkových jadier. Genetická informácia sa prenáša z DNA cez RNA do proteínu. Transkripcia sa uskutočňuje a pozostáva zo syntézy mRNA na úsekoch molekuly deoxyribonukleovej kyseliny. Malo by sa povedať, že nukleotidová sekvencia deoxyribonukleovej kyseliny je „prepísaná“ do nukleotidovej sekvencie molekuly mRNA. RNA polymeráza sa pripojí k zodpovedajúcemu úseku DNA, „rozvinie“ jej dvojitú špirálu a skopíruje štruktúru deoxyribonukleovej kyseliny, pričom pridáva nukleotidy podľa princípu komplementarity. Keď sa fragment pohybuje, reťazec syntetizovanej RNA sa vzďaľuje od templátu a dvojzávitnica DNA za enzýmom sa okamžite obnoví. Ak RNA polymeráza dosiahne koniec kopírovaného úseku, RNA sa presunie z matrice do karyoplazmy, potom sa presunie do cytoplazmy, kde sa zúčastňuje biosyntézy proteínov.
Počas translácie sa sekvencia nukleotidov v molekule mRNA preloží do sekvencie aminokyselinových zvyškov v molekule proteínu. Tento proces prebieha v cytoplazme, kde sa spája mRNA a vzniká polyzóm.
Na templáte materskej molekuly DNA. V tomto prípade sa genetický materiál zakódovaný v DNA zdvojnásobí a rozdelí medzi dcérske bunky.
Odkazy
Replikácia DNA (animácia) (anglicky)
Nadácia Wikimedia. 2010.
Pozrite sa, čo je „Replikácia (biológia)“ v iných slovníkoch:
- (z neskorej lat. replicatio opakovanie), reduplikácia, autoreplikácia, proces vlastnej reprodukcie makromolekúl nukleových kyselín, zabezpečujúci presné kopírovanie genetiky. informácie a ich prenos z generácie na generáciu. V srdci mechanizmu R....... Biologický encyklopedický slovník
biológia- BIOLÓGIA (z gréckeho bio life a logos slovo, doktrína) súhrn vied o živote v celej rozmanitosti prejavov jeho foriem, vlastností, súvislostí a vzťahov na Zemi. Termín bol prvýkrát navrhnutý súčasne a nezávisle v roku 1802... ... Encyklopédia epistemológie a filozofie vedy
Tento výraz má iné významy, pozrite si replikáciu. Schematické znázornenie procesu replikácie, čísla označujú: (1) oneskorenie ... Wikipedia
BIOLÓGIA- súbor vied o živote v celej rozmanitosti prejavov jeho foriem, vlastností, súvislostí a vzťahov na Zemi. Tento termín bol prvýkrát navrhnutý súčasne a nezávisle od seba v roku 1802 vynikajúcim francúzskym vedcom J.B. Lamarck a nemčina...... Filozofia vedy: Slovník základných pojmov
- (Neskoro lat. replicatio opakovanie, z lat. replika otočím späť, opakujem) reduplikácia, autoreprodukcia, autosyntéza, proces sebareprodukcie (samokopírovania) nukleových kyselín, ktorý sa vyskytuje vo všetkých živých bunkách (Pozri Nukleové... ... Veľká sovietska encyklopédia- Extrakt (bunkový extrakt, bezbunkový systém) bunky zničené mechanicky alebo chemicky (osmotický šok), používaný na reprodukciu biochemických procesov „in vitro“. Bunky sa používajú na získanie extraktov... Wikipedia
Bunka je základnou jednotkou štruktúry a životnej činnosti všetkých živých organizmov (okrem vírusov, ktoré sa často označujú ako nebunkové formy života), ktorá má vlastný metabolizmus, je schopná samostatnej existencie,... ... Wikipedia
replikácia DNA- Ide o proces jej zdvojenia pred delením buniek. Niekedy hovoria „reduplikácia DNA“. K duplikácii dochádza v S fáze interfázy bunkového cyklu.
Je zrejmé, že samokopírovanie genetického materiálu v živej prírode je nevyhnutné. Len tak môžu dcérske bunky vzniknuté pri delení obsahovať rovnaké množstvo DNA, aké bolo pôvodne v tej pôvodnej. Vďaka replikácii sa všetky geneticky naprogramované štrukturálne a metabolické vlastnosti prenášajú počas niekoľkých generácií.
Počas delenia buniek každá molekula DNA z páru identických ide do svojej dcérskej bunky. To zaisťuje presný prenos dedičných informácií.
Syntéza DNA spotrebováva energiu, t.j. je to energeticky náročný proces.
mechanizmus replikácie DNA
Samotná molekula DNA (bez duplikácie) je dvojitá špirála. Počas procesu reduplikácie sa vodíkové väzby medzi jeho dvoma komplementárnymi vláknami prerušia. A na každej jednotlivej reťazi, ktorá teraz slúži ako šablóna-matica, je postavená nová reťaz, ktorá ju dopĺňa. Týmto spôsobom sa vytvoria dve molekuly DNA. Každý z nich získa jeden reťazec z DNA svojej matky, druhý je novo syntetizovaný. Preto je mechanizmus replikácie DNA polokonzervatívne(jedna reťaz je stará, jedna je nová). Tento replikačný mechanizmus bol preukázaný v roku 1958.
V molekule DNA sú reťazce antiparalelné. To znamená, že jeden závit ide v smere od 5" konca k 3" a doplnkový ide v opačnom smere. Čísla 5 a 3 označujú počet atómov uhlíka v deoxyribóze, ktorá je súčasťou každého nukleotidu. Prostredníctvom týchto atómov sú nukleotidy navzájom spojené fosfodiesterovými väzbami. A kde jedna reťaz má 3" spoje, druhá má 5" spojky, keďže je obrátená, čiže ide opačným smerom. Pre názornosť si môžete predstaviť, že si položíte ruku na ruku, ako keď prvák sedí v lavici.
Hlavný enzým, ktorý vykonáva rast nového vlákna DNA, to môže robiť iba jedným smerom. Totiž: pripojte nový nukleotid len na 3" koniec. Syntéza teda môže prebiehať len v smere od 5" do 3".
Reťazce sú antiparalelné, čo znamená, že syntéza na nich musí prebiehať rôznymi smermi. Ak by sa vlákna DNA najskôr úplne rozišli a potom by sa na nich vybudovalo nové komplementárne, potom by to nebol problém. V skutočnosti sa reťazce v určitom rozchádzajú počiatky replikácie a na týchto miestach matríc okamžite začína syntéza.
Takzvaný replikačné vidlice. V tomto prípade na jednom materskom reťazci syntéza prebieha v smere divergencie vidlice a táto syntéza prebieha nepretržite, bez prestávok. Na druhom templáte syntéza prebieha v opačnom smere ako je smer divergencie pôvodných reťazcov DNA. Preto k takejto reverznej syntéze môže dochádzať len v kusoch, ktoré sú tzv fragmenty Okazaki. Neskôr sú takéto fragmenty „zošité“.
Dcérske vlákno, ktoré sa nepretržite replikuje, sa nazýva vedenie, alebo vedenie. Ten, ktorý je syntetizovaný prostredníctvom fragmentov Okazaki, je zaostávanie alebo zaostávanie, pretože fragmentovaná replikácia je pomalšia.
V diagrame sa reťazce rodičovskej DNA postupne rozchádzajú v smere, v ktorom sa syntetizuje vedúci dcérsky reťazec. Syntéza zaostávajúceho reťazca ide v opačnom smere ako divergencia, takže je nútená prebiehať po častiach.
Ďalšou črtou hlavného enzýmu syntézy DNA (polymerázy) je, že nemôže začať samotnú syntézu, iba pokračovať. Potrebuje osivo alebo primer. Preto sa najprv na rodičovskom vlákne syntetizuje malý komplementárny úsek RNA a potom sa reťazec predĺži pomocou polymerázy. Neskôr sa základné nátery odstránia a otvory sa vyplnia.
Na obrázku sú semená zobrazené iba na zaostávajúcom vlákne. V podstate sú aj na čele. Tu však potrebujete iba jeden základný náter na vidličku.
Keďže vlákna materskej DNA sa nie vždy rozchádzajú od koncov, ale v bodoch inicializácie, v skutočnosti sa nevytvárajú ani tak vidličky ako oči alebo bubliny.
Každá bublina môže mať dve vidlice, t.j. reťaze sa budú rozchádzať v dvoch smeroch. Môžu však urobiť len jednu vec. Ak je napriek tomu divergencia obojsmerná, potom od inicializačného bodu na jednom reťazci DNA bude syntéza prebiehať dvoma smermi - dopredu a dozadu. V tomto prípade sa v jednom smere uskutoční kontinuálna syntéza a v druhom smere Okazakiho fragmenty.
Prokaryotická DNA nie je lineárna, ale má kruhovú štruktúru a len jeden začiatok replikácie.
Diagram ukazuje dve vlákna materskej molekuly DNA červenou a modrou farbou. Novo syntetizované vlákna sú znázornené bodkovanými čiarami.
U prokaryotov je samokopírovanie DNA rýchlejšie ako u eukaryotov. Ak je rýchlosť reduplikácie v eukaryotoch stovky nukleotidov za sekundu, potom v prokaryotoch dosahuje tisíc alebo viac.
Replikačné enzýmy
Replikáciu DNA zabezpečuje celý komplex enzýmov tzv replisome. Existuje viac ako 15 replikačných enzýmov a proteínov, z ktorých najvýznamnejšie sú uvedené nižšie.
Hlavným replikačným enzýmom je už spomínaný DNA polymeráza(v skutočnosti je ich niekoľko rôznych), čo priamo predlžuje reťaz. Toto nie je jediná funkcia enzýmu. Polymeráza je schopná „skontrolovať“, ktorý nukleotid sa snaží pripojiť na koniec. Ak to nie je vhodné, vymaže ho. Inými slovami, čiastočná oprava DNA, t.j. jej oprava chýb replikácie, nastáva už v štádiu syntézy.
Nukleotidy nachádzajúce sa v nukleoplazme (alebo cytoplazme v baktériách) existujú vo forme trifosfátov, teda nejde o nukleotidy, ale o deoxynukleozidtrifosfáty (dATP, dTTP, dGTP, dCTP). Sú podobné ATP, ktorý má tri fosfátové zvyšky, z ktorých dva sú spojené vysokoenergetickou väzbou. Keď sa takéto väzby prerušia, uvoľní sa veľa energie. Deoxynukleozidtrifosfáty majú tiež dve vysokoenergetické väzby. Polymeráza oddeľuje posledné dva fosfáty a uvoľnenú energiu využíva na polymerizačnú reakciu DNA.
Enzým helicase oddeľuje templátové reťazce DNA prerušením vodíkových väzieb medzi nimi.
Keďže molekula DNA je dvojitá špirála, prerušenie väzieb vyvoláva ešte väčšie krútenie. Predstavte si povraz dvoch povrazov stočených voči sebe a na jednej strane ťaháte jeden koniec doprava, druhý doľava. Tkaná časť sa ešte viac zvlní a bude pevnejšia.
Na odstránenie takéhoto napätia je potrebné, aby sa ešte neprerušená dvojzávitnica rýchlo otáčala okolo svojej osi a „resetovala“ výslednú superspiralizáciu. To je však príliš energeticky náročné. Preto je v bunkách implementovaný iný mechanizmus. Enzým topoizomeráza pretrhne jednu z nití, prevlečie druhú cez medzeru a prvú opäť zošije. Takto sa eliminujú výsledné supercoils.
Templátové reťazce DNA, ktoré sa oddelili v dôsledku pôsobenia helikázy, sa pokúšajú opäť spojiť so svojimi vodíkovými väzbami. Aby tomu zabránili, konajú DNA viažuce proteíny. Nie sú to enzýmy v tom zmysle, že nekatalyzujú reakcie. Takéto proteíny sa pripájajú k reťazcu DNA po celej jeho dĺžke a zabraňujú uzavretiu komplementárnych reťazcov templátovej DNA.
Priméry sa syntetizujú RNA primárna. A sú vymazané exonukleáza. Po odstránení základného náteru sa otvor vyplní iným typom polymerázy. V tomto prípade však nie sú jednotlivé časti DNA zošité.
Jednotlivé časti syntetizovaného reťazca sú zosieťované replikačným enzýmom ako napr DNA ligáza.
Je molekula dedičnosti, potom, aby si uvedomila túto kvalitu, musí sa presne kopírovať a tak zachovať všetky informácie dostupné v pôvodnej molekule DNA vo forme špecifickej sekvencie nukleotidov. Dosahuje sa to špeciálnym procesom, ktorý predchádza rozdeleniu ktorejkoľvek bunky v tele, ktorý sa nazýva replikácia DNA.
Podstatou replikácie DNA je, že špeciálny enzým rozbíja slabé vodíkové väzby, ktoré spájajú nukleotidy dvoch reťazcov. Výsledkom je, že vlákna DNA sú oddelené a z každého vlákna „trčia“ voľné dusíkaté bázy (vzhľad takzvanej replikačnej vidlice). Špeciálny enzým DNA polymeráza sa začne pohybovať po voľnom reťazci DNA od 5- po 3-koniec (vedúci reťazec), čím pomáha pripájať voľné nukleotidy neustále syntetizované v bunke na 3"-koniec novosyntetizovaného reťazca DNA. Na druhom vlákne DNA (zaostávajúce vlákno) sa tvorí nová DNA v malých segmentoch pozostávajúcich z 1000-2000 nukleotidy(úlomky Okazaki).
Na začatie replikácie fragmentov DNA tohto vlákna je potrebná syntéza krátkych fragmentov RNA (o charakteristických črtách RNA bude diskutované nižšie) ako primer, na ktorý sa používa špeciálny enzým - RNA polymeráza (primáza). Následne sa odstránia priméry RNA a do vzniknutých medzier sa pomocou DNA polymerázy I vloží DNA. Každé vlákno DNA sa teda použije ako templát alebo templát na konštrukciu komplementárneho vlákna a replikácia DNA je semikonzervatívna (t.j. reťazec v novej molekule DNA je „starý“ a druhý je nový).
Bunka používa rôzne enzýmy na replikáciu vedúcich a zaostávajúcich reťazcov. Následkom replikácie vznikajú dve nové absolútne identické molekuly DNA, ktoré sú tiež zhodné s pôvodnou molekulou DNA pred začiatkom jej reduplikácie (proces replikácie DNA je bližšie znázornený na obr. 3.5). DNA polymeráza, ako každý iný enzým, výrazne urýchľuje proces pridávania komplementárnych nukleotidov do voľného reťazca DNA, ale chemická afinita adenín Timinovi a cytozín na guanín je taký veľký, že sa navzájom spájajú aj v neprítomnosti DNA polymerázy v jednoduchej reakčnej zmesi.
Trochu zjednodušene môžeme povedať, že fenomén presného zdvojenia molekuly DNA, ktorý je založený na komplementarite báz tejto molekuly, tvorí molekulárny základ dedičnosti. Rýchlosť replikácie DNA u ľudí je relatívne pomalá a replikácia DNA akéhokoľvek ľudského chromozómu by trvala týždne, ak by replikácia začala z jedného bodu. V skutočnosti, v molekule DNA akéhokoľvek chromozómu a každý ľudský chromozóm obsahuje iba jednu molekulu DNA, existuje veľa miest iniciácie replikácie (replikóny). Od každého replikónu replikácia pokračuje v oboch smeroch, kým sa susedné replikóny nezlúčia. Preto replikácia DNA v každom chromozóm prebieha pomerne rýchlo.
Replikácia (z latinského replicatio - obnova) je proces syntézy dcérskej molekuly DNA na matrici materskej molekuly DNA. Pri následnom delení materskej bunky dostane každá dcérska bunka jednu kópiu molekuly DNA, ktorá je identická s DNA pôvodnej materskej bunky. Tento proces zabezpečuje presné odovzdávanie genetických informácií z generácie na generáciu. Replikácia DNA sa uskutočňuje komplexným enzýmovým komplexom pozostávajúcim z 15-20 rôznych proteínov, nazývaných replikóm.
Replikácia DNA je kľúčovou udalosťou počas delenia buniek. Je dôležité, aby v čase delenia bola DNA replikovaná úplne a iba raz. Zabezpečujú to určité mechanizmy regulujúce replikáciu DNA.
Replikácia prebieha v tri etapy:
1. Spustenie replikácie
2. Predĺženie
3. Ukončenie replikácie.
K regulácii replikácie dochádza hlavne v iniciačnej fáze. Je to celkom jednoduché implementovať, pretože replikácia nemôže začať z akéhokoľvek úseku DNA, ale z presne definovaného úseku, ktorý sa nazýva miesto iniciácie replikácie. V genóme môže byť buď len jedno, alebo viacero takýchto miest. Koncept replikónu úzko súvisí s pojmom miesta iniciácie replikácie. Replikón je časť DNA, ktorá obsahuje počiatok replikácie a replikuje sa po začatí syntézy DNA z tohto miesta. Bakteriálne genómy sú typicky jediným replikónom, čo znamená, že replikácia celého genómu je výsledkom len jedného aktu iniciácie replikácie.
Eukaryotické genómy (ako aj ich jednotlivé chromozómy) pozostávajú z veľkého počtu nezávislých replikónov, čo výrazne znižuje celkový čas replikácie jednotlivého chromozómu. Molekulárne mechanizmy, ktoré riadia počet udalostí iniciácie replikácie na každom mieste počas jedného cyklu bunkového delenia, sa nazývajú kontrola počtu kópií. Okrem chromozomálnej DNA bakteriálne bunky často obsahujú plazmidy, čo sú jednotlivé replikóny. Plazmidy majú svoje vlastné mechanizmy kontroly počtu kópií: dokážu zabezpečiť syntézu len jednej kópie plazmidu na bunkový cyklus alebo tisícky kópií.
Replikácia začína v mieste iniciácie replikácie odvíjaním dvojitej špirály DNA, ktorá tvorí replikačnú vidlicu – miesto priamej replikácie DNA. Každá lokalita môže tvoriť jednu alebo dve replikačné vidlice v závislosti od toho, či je replikácia jednosmerná alebo obojsmerná. Obojsmerná replikácia je bežnejšia. Po určitom čase po začiatku replikácie je možné v elektrónovom mikroskope pozorovať replikačné oko - časť chromozómu, kde už bola replikovaná DNA, obklopená rozsiahlejšími úsekmi nereplikovanej DNA.
Na replikačnej vidlici DNA kopíruje veľký proteínový komplex (replizóm), ktorého kľúčovým enzýmom je DNA polymeráza. Replikačná vidlica sa pohybuje rýchlosťou asi 100 000 párov báz za minútu u prokaryotov a 500-5000 u eukaryotov.
Molekulárny mechanizmus replikácie:
Enzýmy (helikáza, topoizomeráza) a proteíny viažuce DNA odvíjajú DNA, udržiavajú templát zriedený a otáčajú molekulu DNA. Správna replikácia je zabezpečená presným párovaním komplementárnych párov báz a aktivitou DNA polymerázy, ktorá je schopná chybu rozpoznať a opraviť. Replikácia v eukaryotoch sa uskutočňuje niekoľkými rôznymi DNA polymerázami (na rozdiel od replikácie DNA v prokaryotoch).
DNA polymeráza I pôsobí na zaostávajúce vlákno, aby odstránila RNA primery a predreplikovala purifikované miesta DNA. DNA polymeráza III je hlavný DNA replikačný enzým, ktorý syntetizuje vedúci reťazec DNA a Okazakiho fragmenty počas syntézy zaostávajúceho reťazca (Okazakiho fragmenty sú relatívne krátke fragmenty DNA, ktoré sa tvoria na zaostávajúcom reťazci počas replikácie DNA). Ďalej sú syntetizované molekuly skrútené podľa princípu supercoilingu a ďalšieho zhutňovania DNA. Syntéza je energeticky náročná.
Vlákna molekuly DNA sa rozchádzajú, tvoria replikačnú vidličku a každé z nich sa stáva templátom, na ktorom sa syntetizuje nové komplementárne vlákno. V dôsledku toho sa vytvoria dve nové molekuly dvojvláknovej DNA, identické s rodičovskou molekulou.
