Процес реплікації ДНК. Процеси реплікації та транскрипції

Реплікація ДНК – процес біосинтезу дезоксирибонуклеїнової кислоти. Матеріалом є аденозин-, гуанозин-цитидин- і тимідинтрифосфорна кислота або АТФ, ГТФ, ЦТФ і ТТФ.

Механізм реплікації ДНК

Біосинтез здійснюється за наявності так званої «затравки» - деякої кількості однониткової трансформованої дезоксирибонуклеїнової кислоти та каталізатора. Як каталізатор виступає ДНК-полімераза. Цей фермент бере участь у поєднанні нуклеотидних залишків. За хвилину з'єднується понад 1000 нуклеотидних залишків. Нуклеотидні залишки в молекулі фрагмента дезоксирибонуклеїнової кислоти з'єднані між собою 3', 5'-фосфодіефірними зв'язками. ДНК-полімераза каталізує приєднання залишків мононуклеотидів до вільного 3-гідроксильного кінця трансформованої дезоксирибонуклеїнової кислоти. Спочатку синтезуються невеликі частини молекули ДНК. Вони піддаються дії ДНК-лігази та утворюють більш довгі фрагменти дезоксирибонуклеїнової кислоти. Обидва фрагменти локалізуються в Перетворена дезоксирибонуклеїнова кислота використовується як точка зростання майбутньої молекули ДНК і є також матрицею, на якій утворюється антипаралельний ланцюг дезоксирибонуклеїнової кислоти, яка ідентична трансформованій ДНК за будовою та послідовністю розміщення нуклеотидних залишків. Реплікація ДНК відбувається під час інтерфази мітотичного Дезоксирибонуклеїнова кислота концентрується у хромосомах та хроматині. Після формування односпіральної дезоксирибонуклеїнової кислоти утворюється її вторинна та третинна структури. Дві нитки дезоксирибонуклеїнової кислоти поєднуються між собою за правилом комплементарності. Реплікація ДНК відбувається у ядрах клітин.

Матеріалом для біосинтезу різних груп та видів РНК є макроергічні сполуки: АТФ, ГТФ, ЦТФ та ТТФ. може синтезуватися в них за участю одного з трьох зазначених фрагментів: ДНК-залежної РНК-полімерази, полінуклеотид-нуклеотидилтрансферази та РНК-залежної РНК-полімерази. Перша їх міститься у ядрах всіх клітин, відкрита також у мітохондріях. РНК синтезується на ДНК-матриці за наявності рибонуклеозидтрифосфатів, іонів Мангана та Магнію. Утворюється молекула РНК, комплементарна ДНК-матриці. Для того, щоб відбулася реплікація ДНК в ядрах, утворюються р-РНК-, т-РНК-, і-РНК-і РНК-затравки. Перші три транспортуються до цитоплазми, де беруть участь у біосинтезі білка.

Реплікація ДНК відбувається майже як і трансляція дезоксирибонуклеїнової кислоти. Передача, а також збереження спадкової інформації здійснюється у два етапи: транскрипція та трансляція. Що таке ген? Ген – це матеріальна одиниця, яка є частиною молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти (РНК у деяких вірусів). Міститься у хромосомах ядер клітин. Генетична інформація передається з ДНК через РНК до білка. Транскрипція здійснюється і полягає в синтезі і-РНК на ділянках молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти. Слід сказати, що послідовність нуклеотидів дезоксирибонуклеїнової кислоти переписується в нуклеотидну послідовність молекули і-РНК. РНК-полімераза приєднується до відповідної ділянки ДНК, «розплітає» її подвійну спіраль та копіює структуру дезоксирибонуклеїнової кислоти, приєднуючи нуклеотиди за принципом комплементарності. У міру переміщення фрагмента ланцюг синтезованої РНК віддаляється від матриці, а подвійна спіраль ДНК за ферментом відразу ж відновлюється. Якщо РНК-полімераза досягає кінця копійованої ділянки, РНК віддаляється від матриці каріоплазму, після чого переміщається в цитоплазму, де і бере участь у біосинтезі білка.

Під час трансляції послідовність розміщення нуклеотидів у молекулі і-РНК перетворюється на послідовність амінокислотних залишків у білковій молекулі. Цей процес відбувається в цитоплазмі, і РНК тут об'єднується, і утворюється полісома.

На матриці батьківської молекули ДНК. При цьому генетичний матеріал, зашифрований у ДНК, подвоюється та ділиться між дочірніми клітинами.

Посилання

Реплікація ДНК (анімація) (англ.)

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Реплікація (біологія)" в інших словниках:

- (Від позднелат. replicatio повторення), редуплікація, аутореплікація, процес самовідтворення макромолекул нуклеїнових до т, що забезпечує точне копіювання генетич. інформації та передачу її від покоління до покоління. В основі механізму Р. … Біологічний енциклопедичний словник

біологія- БІОЛОГІЯ (від грец. bio життя та logos слово, вчення) сукупність наук про життя у всій різноманітності прояву її форм, властивостей, зв'язків та відносин на Землі. Вперше термін був запропонований одночасно і незалежно один від одного у 1802 році. Енциклопедія епістемології та філософії науки

Цей термін має й інші значення, див. Реплікація. Схематичне зображення процесу реплікації, цифрами відзначені: (1) запізн… Вікіпедія

Біологія- Сукупність наук про життя в усьому розмаїтті прояви її форм, властивостей, зв'язків та відносин на Землі. Вперше термін було запропоновано одночасно і незалежно один від одного у 1802 р. видатним французьким ученим Ж.Б. Ламарком та німецькою… … Філософія науки: Словник основних термінів

- (пізньолат. replicatio повторення, від лат. replico звертаюсь назад, повторюю) редуплікація, ауторепродукція, аутосинтез, що протікає у всіх живих клітинах процес самовідтворення (самокопіювання) нуклеїнових кислот. Велика Радянська Енциклопедія- Екстракт (клітинний екстракт, безклітинна система) зруйновані механічним або хімічним (осмотичний шок) способом клітини, що використовуються для відтворення біохімічних процесів "у пробірці". Для отримання екстрактів використовуються клітини … Вікіпедія

Клітина елементарна одиниця будови та життєдіяльності всіх живих організмів (крім вірусів, про які нерідко говорять як про неклітинні форми життя), що володіє власним обміном речовин, здатна до самостійного існування, ... Вікіпедія

Реплікація ДНК- Це процес її подвоєння перед розподілом клітини. Іноді кажуть "редуплікація ДНК". Подвоєння відбувається у S-фазі інтерфази клітинного циклу.

Очевидно, що самокопіювання генетичного матеріалу в живій природі є потребою. Тільки так дочірні клітини, що утворюються при розподілі, можуть містити стільки ж ДНК, скільки його спочатку було у вихідній. Завдяки реплікації всі генетично запрограмовані особливості будови та метаболізму передаються у ряді поколінь.

У процесі поділу клітини кожна молекула ДНК із пари ідентичних відходить у свою дочірню клітину. Таким чином, забезпечується точна передача спадкової інформації.

При синтезі ДНК споживається енергія, тобто це енерговитратний процес.

Механізм реплікації ДНК

Молекула ДНК як така (без подвоєння) є подвійну спіраль. У процесі редуплікації водневі зв'язки між двома комплементарними ланцюгами розриваються. І на кожному окремому ланцюгу, який тепер служить шаблоном-матрицею, будується новий компліментарний їй ланцюг. Таким чином, утворюються дві молекули ДНК. У кожної один ланцюг дістається їй від материнської ДНК, другий - знову синтезований. Тому механізм реплікації ДНК є напівконсервативним(один ланцюг старий, один новий). Такий механізм реплікації було доведено 1958 року.

У молекулі ДНК ланцюги антипаралельні. Це означає, що одна нитка йде у напрямку від 5" кінця до 3", а комплементарна їй навпаки. Цифри 5 та 3 позначають номери атомів вуглецю в дезоксирибозі, що входить до складу кожного нуклеотиду. Через ці атоми нуклеотиди пов'язані між собою фосфодіефірними зв'язками. І там, де в одного ланцюга 3" зв'язки, в іншого - 5", оскільки він перевернутий, тобто йде в іншому напрямку. Для наочності можна припустити, що ви поклали руку на руку, як першокласник, що сидить за партою.

Основний фермент, який виконує нарощування нової нитки ДНК, здатний це робити лише в одному напрямку. А саме: приєднувати новий нуклеотид тільки до 3" кінця. Таким чином, синтез може йти тільки в напрямку від 5" до 3".

Ланцюги антипаралельні, отже синтез повинен йти на них у різних напрямках. Якби ланцюга ДНК спочатку повністю розходилися, а потім на них уже будувалася нова комплементарна, то це не було б проблемою. Насправді ж ланцюги розходяться у певних точках початку реплікації, і у цих місцях на матрицях відразу починається синтез.

Формуються так звані реплікаційні вилки. При цьому на одному материнському ланцюгу синтез йде у бік розходження вилки, і цей синтез відбуватиметься безперервно, без розривів. На другій матриці синтез йде у зворотний бік від напрямку розбіжності ланцюгів вихідної ДНК. Тому такий зворотний синтез може йти лише шматками, які називаються фрагментами Оказаки. Пізніше такі фрагменти "зшиваються" між собою.

Дочірній ланцюг, який реплікується безперервно, називається лідируючою, або ведучою. Та, що синтезується через фрагменти Оказаки, - запізнювальною, або відстаючоюоскільки фрагментарна реплікація виконується повільніше.

На схемі нитки батьківської ДНК поступово розходяться у напрямі, у якому йде синтез провідного дочірнього ланцюга. Синтез відстаючого ланцюга йде у зворотний розбіжності бік, тому змушений виконуватися шматками.

Інший особливістю основного ферменту синтезу ДНК (полімерази) і те, що не може сам розпочати синтез, лише продовжити. Йому необхідна затравка, або праймер. Тому на батьківській нитці спочатку синтезується невелика комплементарна ділянка РНК, потім вже відбувається нарощування ланцюга за допомогою полімерази. Пізніше праймери віддаляються, дірки забудовуються.

На схемі затравки показані тільки на ланцюгу, що відстає. Насправді вони є і на лідируючій. Однак тут потрібний лише один праймер на вилку.

Оскільки ланцюги материнської ДНК не завжди розходяться з кінців, а в точках ініціалізації, то насправді формуються не так виделки, скільки вічка, або бульбашки.

У кожному міхурі може бути дві вилки, тобто ланцюги будуть розходитися у двох напрямках. Однак можуть лише в одному. Якщо все ж таки розбіжність двонаправлена, то з точки ініціалізації на одній нитці ДНК синтез йтиме у двох напрямках - вперед і назад. При цьому в один бік виконуватиметься безперервний синтез, а в інший – фрагментами Оказаки.

ДНК прокаріотів не лінійна, а має кільцеву структуру і лише одну точку початку реплікації.

На схемі червоним та синім кольором показано дві нитки батьківської молекули ДНК. Нові нитки, що синтезуються, показані пунктиром.

У прокаріотів самокопіювання ДНК виконується швидше, ніж у еукаріотів. Якщо швидкість редуплікації в еукаріотів становить сотні нуклеотидів в секунду, то у прокаріотів досягає тисячі і більше.

Ферменти реплікації

Реплікацію ДНК забезпечує цілий комплекс ферментів, що називається реплісомою. Усього ферментів та білків реплікації понад 15. Нижче перераховані найбільш значущі.

Основним ферментом реплікації є вже згадана ДНК-полімераза(насправді є кілька різних), яка безпосередньо здійснює нарощування ланцюга. Не єдина функція ферменту. Полімераза здатна «перевіряти», який нуклеотид намагається приєднатися до кінця. Якщо невідповідний, вона його видаляє. Інакше кажучи, часткова репарація ДНК, т. е. її виправлення помилок реплікації, відбувається на етапі синтезу.

Нуклеотиди, що знаходяться в нуклеоплазмі (або цитоплазмі у бактерій), існують у формі трифосфатів, тобто це не нуклеотиди, а дезоксинуклеозидтрифосфати (дАТФ, дТТФ, дГТФ, дЦТФ). Вони схожі на АТФ, у якої три фосфатні залишки, два з яких пов'язані макроергічним зв'язком. При розриві таких зв'язків виділяється багато енергії. Також і у дезоксинуклеозидтрифосфатів два макроергічні зв'язки. Полімераза відокремлює два останні фосфати і використовує енергію, що виділяється на реакцію полімеризації ДНК.

Фермент Хеліказаподіляє нитки матричної ДНК, розриваючи водневі зв'язки між ними.

Оскільки молекула ДНК є подвійною спіраль, то розрив зв'язків провокує ще більше її скручування. Уявіть канат із двох закручених щодо один одного мотузок, і ви з одного боку за кінці тягнете одну праворуч, іншу – ліворуч. Сплетена частина стане ще більше скручуватися, буде тугішою.

Для усунення подібної напруги необхідно, щоб подвійна спіраль, що ще не розійшлася, швидко крутилася навколо своєї осі, «скидаючи» надспіралізацію, що виникає. Однак це надто енерговитратно. Тому у клітинах реалізується інший механізм. Фермент топоізомеразурозриває одну з ниток, пропускає через розрив другою і знову зшиває першу. Чим і усуваються супервітки, що виникають.

Хелікази нитки матричної ДНК, що розійшлися в результаті дії, намагаються знову з'єднатися своїми водневими зв'язками. Щоб цього не сталося, набувають чинності ДНК-зв'язуючі білки. Не ферменти тому розумінні, що реакцій де вони каталізують. Такі білки прикріплюються до нитки ДНК на її протязі і не дають комплементарним ланцюгам матричної ДНК зімкнутися.

Праймери синтезуються РНК-праймазою. А віддаляються екзонуклеазою. Після видалення праймера "дірку" забудовує інший тип полімерази. Однак при цьому окремі ділянки ДНК не зшиваються.

Окремі частини синтезованого ланцюга зшиваються таким ферментом реплікації як ДНК-лігаза.

Є молекулою спадковості, то для реалізації цієї якості вона повинна точно копіювати саму себе і таким чином зберігати всю інформацію, що є у вихідній молекулі ДНК, у вигляді певної послідовності нуклеотидів. Це забезпечується за рахунок особливого процесу, що передує розподілу будь-якої клітини організму, який називається реплікацією ДНК.

Суть реплікації днк у тому, що спеціальний фермент розриває слабкі водневі зв'язку, які з'єднують між собою нуклеотиди двох ланцюгів. В результаті ланцюга ДНК роз'єднуються, і з кожного ланцюга стирчать вільні азотисті підстави (виникнення так званої вилки реплікації). Особливий фермент ДНК-полімераза починає рухатися вздовж вільного ланцюга ДНК від 5- до З-кінцю (лідируючий ланцюг), допомагаючи приєднатися вільним нуклеотидам, що постійно синтезуються в клітці, до З"-кінця знову синтезованого ланцюга ДНК. На другій нитці ДНК (нитка, що відстає) ) нова ДНК утворюється у вигляді невеликих сегментів, що складаються з 1000-2000 нуклеотидів(Фрагменти Оказаки).

Для початку реплікації ДНК фрагментів цієї нитки потрібен синтез коротких фрагментів РНК (про характерні особливості РНКбуде сказано нижче) як затравок, для чого використовується особливий фермент – РНК-полімераза (праймаза). Згодом праймери РНК видаляються, в проломи, що утворилися, вбудовується ДНК за допомогою ДНК полімерази I. Таким чином, кожен ланцюг ДНК використовується як матриця або шаблон для побудови комплементарного ланцюга і реплікація ДНК є напівконсервативною (тобто одна нитка в новій молекулі ДНК - «стара », а друга - нова).

Для реплікації лідируючої та відстаючої ланцюгів клітиною використовують різні ферменти. В результаті реплікації утворюються дві нові абсолютно ідентичні молекули ДНК, ідентичні також вихідної молекули ДНК до початку її редуплікації (детальніше процес реплікації ДНК показаний на рис. 3.5). ДНК-полімераза, як і будь-який інший фермент, суттєво прискорює процес приєднання комплементарних нуклеотидів до вільного ланцюга ДНК, проте хімічна спорідненість аденінадо тиміну, а цитозинудо гуаніну настільки велике, що вони з'єднуються один з одним і відсутність ДНК-полімерази в простій реакційній суміші.

Можна сказати, дещо спрощуючи, що феномен точного подвоєння молекули ДНК, в основі якого лежить комплементарність основ цієї молекули, становить молекулярну основу спадковості. Швидкість реплікації ДНК у людини відносно низька і для того, щоб забезпечити реплікацію ДНК будь-якої хромосоми людини, були б потрібні тижні, якби реплікація починалася з однієї точки. Насправді в молекулі ДНК будь-якої хромосоми, а кожна хромосома людини містить тільки одну молекулу ДНК, є безліч місць ініціації реплікації (репліконів). Від кожного реплікона реплікація йде в обох напрямках доти, доки сусідні реплікони не зливаються. Тому реплікація ДНК у кожній хромосоміпротікає відносно швидко.

Реплікація (від латів. replicatio - відновлення) - процес синтезу дочірньої молекули ДНК на матриці батьківської молекули ДНК. У ході подальшого поділу материнської клітини кожна дочірня клітина отримує по одній копії молекули ДНК, яка є ідентичною ДНК вихідної материнської клітини. Цей процес забезпечує точну передачу генетичної інформації з покоління до покоління. Реплікацію ДНК здійснює складний ферментний комплекс, що складається з 15-20 різних білків, званий реплісомою (англ. replisome)

Реплікація ДНК - ключова подія під час поділу клітини. Принципово, щоб на момент поділу ДНК була реплікована повністю і лише один раз. Це забезпечується певними механізмами регулювання реплікації ДНК.

Реплікація проходить у три етапи:

1. Ініціація реплікації

2. Елонгація

3. Термінація реплікації.

Регуляція реплікації здійснюється переважно на етапі ініціації. Це досить легко здійснимо, тому що реплікація може починатися не з будь-якої ділянки ДНК, а з певного, званого сайтом ініціації реплікації. У геномі таких сайтів може бути лише один, так і багато. З поняттям сайту ініціації реплікації тісно пов'язане реплікон. Реплікон – це ділянка ДНК, яка містить сайт ініціації реплікації та реплікується після початку синтезу ДНК із цього сайту. Геноми бактерій, як правило, є одним репліконом, це означає, що реплікація всього геному є наслідком всього одного акта ініціації реплікації.

Геноми еукаріотів (а також їх окремі хромосоми) складаються з великої кількості самостійних репліконів, це значно скорочує сумарний час реплікації окремої хромосоми. Молекулярні механізми, які контролюють кількість актів ініціації реплікації у кожному сайті за один цикл поділу клітини, називаються контролем копійності. У бактеріальних клітинах, крім хромосомної ДНК, часто містяться плазміди, які являють собою окремі реплікони. У плазмід існують свої механізми контролю копійності: вони можуть забезпечувати синтез як однієї копії плазміди за клітинний цикл, так і тисяч копій.

Реплікація починається на сайті ініціації реплікації з розплетення подвійної спіралі ДНК, у своїй формується реплікаційна вилка — місце безпосередньої реплікації ДНК. У кожному сайті може формуватися одна чи дві реплікаційні вилки залежно від того, чи є реплікація одно- чи двонаправленою. Найбільш поширена двонаправлена ​​реплікація. Через деякий час після початку реплікації в електронний мікроскоп можна спостерігати реплікаційне вічко — ділянку хромосоми, де ДНК вже реплікована, оточена більш протяжними ділянками нереплікованої ДНК.

У реплікаційній вилці ДНК копіює великий білковий комплекс (реплісома), ключовим ферментом якого є ДНК-полімераза. Реплікаційна вилка рухається зі швидкістю близько 100 000 пар нуклеотидів за хвилину у прокаріотів і 500-5000 - у еукаріотів.

Молекулярний механізм реплікації:

Ферменти (хеліказу, топоізомеразу) і ДНК-зв'язуючі білки розплітають ДНК, утримують матрицю в розведеному стані та обертають молекулу ДНК. Правильність реплікації забезпечується точною відповідністю комплементарних пар основ та активністю ДНК-полімерази, здатної розпізнати та виправити помилку. Реплікація у еукаріотів здійснюється декількома різними ДНК-полімеразами (на відміну від реплікації ДНК у прокаріотів).

ДНК-полімераза I діє на ланцюгу, що запізнюється, для видалення РНК-праймерів і дореплікації очищених місць ДНК. ДНК полімераза III - основний фермент реплікації ДНК, що здійснює синтез провідного ланцюга ДНК і фрагментів Оказаки при синтезі ланцюга, що запізнюється (фрагменти Оказаки - відносно короткі фрагменти ДНК, які утворюються на відстаючої ланцюга в процесі реплікації ДНК). Далі відбувається закручування синтезованих молекул за принципом суперспіралізації та подальшої компактизації ДНК. Синтез енерговитратний.

Ланцюги молекули ДНК розходяться, утворюють реплікаційну вилку, і кожна з них стає матрицею, на якій синтезується новий комплементарний ланцюг. В результаті утворюються дві нові двоспіральні молекули ДНК, ідентичні батьківській молекулі.