Реплікація ДНК – процес самоподвоєння, головна властивість молекули ДНК. Реплікація відноситься до категорії реакцій матричного синтезу, що йде за участю ферментів. Під дією ферментів молекула ДНК розкручується, і біля кожного ланцюга, що виступає в ролі матриці, за принципами комплементарності та антипаралельності добудовується новий ланцюг. Таким чином, у кожній дочірній ДНК один ланцюг є материнським, а другий - знову синтезованим. Такий спосіб синтезу називається напівконсервативним.
«Будівельним матеріалом» та джерелом енергії для реплікації є дезоксирибонуклеозидтрифосфати (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), що містять три залишки фосфорної кислоти. При включенні дезоксирибонуклеозидтрифосфатів у полінуклеотидний ланцюг два кінцеві залишки фосфорної кислоти відщеплюються, і енергія, що звільнилася, використовується на утворення фосфодіефірного зв'язку між нуклеотидами.
У реплікації беруть участь такі ферменти:
1. гелікази («розплітають» ДНК);
2. дестабілізуючі білки;
3. ДНК-топоізомерази (розрізають ДНК);
4. ДНК-полімерази (підбирають дезоксирибонуклеозидтрифосфати і комплементарно приєднують їх до матричного ланцюга ДНК);
5. РНК-праймази (утворюють РНК-затравки, праймери);
6. ДНК-лігази (зшивають фрагменти ДНК).
За допомогою геліказу в певних ділянках ДНК розплітається, одноланцюгові ділянки ДНК зв'язуються білками, що дестабілізують, утворюється реплікаційна вилка. При розбіжності 10 пар нуклеотидів (один виток спіралі) молекула ДНК повинна здійснити повний оберт навколо осі. Щоб запобігти цьому обертанню ДНК-топоізомераза розрізає один ланцюг ДНК, що дає їй можливість обертатися навколо другого ланцюга.
ДНК-полімераза може приєднувати нуклеотид тільки до 3"-вуглецю дезоксирибози попереднього нуклеотиду, тому даний фермент здатний пересуватися матричною ДНК тільки в одному напрямку: від 3"-кінця до 5"-кінця цієї матричної ДНК. , На її різних ланцюгах збірка дочірніх полінуклеотидних ланцюгів відбувається по-різному і в протилежних напрямках. , фрагментами (фрагменти Оказаки), які після завершення реплікації ДНК-лігазами зшиваються в один ланцюг;
Особливістю ДНК-полімерази є те, що вона може починати свою роботу тільки із «затравки» (праймера). Роль «затравок» виконують короткі послідовності РНК, що утворюються за участю ферменту РНК-праймази та спарені з матричною ДНК. РНК-затравки після закінчення збирання полінуклеотидних ланцюжків видаляються.
Реплікація протікає подібно до прокаріотів та еукаріотів. Швидкість синтезу ДНК у прокаріотів на порядок вища (1000 нуклеотидів за секунду), ніж у еукаріотів (100 нуклеотидів за секунду). Реплікація починається одночасно у кількох ділянках молекули ДНК. Фрагмент ДНК від однієї точки початку реплікації до іншої утворює одиницю реплікації – реплікон.
Реплікація відбувається перед поділом клітини. Завдяки цій здатності ДНК здійснюється передача спадкової інформації від материнської клітини дочірнім.
Репарація («ремонт»)
Репарацією називається процес усунення пошкоджень нуклеотидної послідовності ДНК. Здійснюється спеціальними ферментними системами клітини (ферменти репарації). У процесі відновлення структури ДНК можна виділити такі етапи: 1) ДНК-репаруючі нуклеази розпізнають і видаляють пошкоджену ділянку, в результаті чого в ланцюзі ДНК утворюється пролом; 2) ДНК-полімераза заповнює цей пролом, копіюючи інформацію з другого («хорошого») ланцюга; 3) ДНК-лігаза "зшиває" нуклеотиди, завершуючи репарацію.
Найбільш вивчено три механізми репарації: 1) фоторепарація, 2) ексцизна, або дореплікативна, репарація, 3) постреплікативна репарація.
Зміни структури ДНК відбуваються у клітині постійно під дією реакційно-здатних метаболітів, ультрафіолетового випромінювання, важких металів та їх солей та ін. Тому дефекти систем репарації підвищують швидкість мутаційних процесів, є причиною спадкових захворювань (пігментна ксеродерма, прогерія та ін.).
ДНК є надійним сховищем генетичної інформації. Але її потрібно не тільки тримати в безпеці, а й передавати потомству. Від цього залежить виживання виду. Адже батьки мають передати дітям усе те, чого вони досягли під час еволюції. У ній записано все: починаючи з кількості кінцівок і закінчуючи кольором очей. Звісно, у мікроорганізмів цієї інформації набагато менше, але її потрібно передати. Для цього клітка ділиться. Щоб генетична інформація дісталася обом дочірнім клітинам, її потрібно подвоїти, цей процес називається "реплікація ДНК". Вона відбувається перед поділом клітини, не має значення, який саме. Це може бути бактерія, яка вирішила розмножитись. Або це може бути зростання нової шкіри на місці порізу. Процес подвоєння дезоксирибонуклеїнової кислоти повинен чітко відрегулюватись і завершитися до початку розподілу клітини.
Де відбувається подвоєння
Реплікація ДНК відбувається безпосередньо в ядрі (у еукаріотів) або в цитоплазмі (у прокаріотів). Нуклеїнова кислота складається з нуклеотидів - аденіну, тиміну, цитозину та гуаніну. Обидва ланцюжки молекули побудовані за принципом компліментарності: аденіну в одному ланцюзі відповідає тімін, а гуаніну – цитозин. Подвоєння молекули має пройти в такий спосіб, щоб у дочірніх спіралей зберігся принцип компліментарності.
Початок реплікації – ініціація
Дезоксирибонуклеїнова кислота є дволанцюжковою спіраль. Реплікація ДНК відбувається шляхом добудовування дочірніх кіл по кожному батьківському ланцюжку. Щоб цей синтез став можливим, спіралі потрібно «розплутати», а ланцюжки відокремити один від одного. Цю роль виконує геліказа – вона розкручує спіраль дезоксирибонуклеїнової кислоти, обертаючись із великою швидкістю. Початок подвоєння ДНК не може розпочатися з будь-якого місця, такий складний процес вимагає певної ділянки молекули – сайту ініціації реплікації. Після того, як була визначена початкова точка подвоєння, а геліказа почала свою роботу з розплутування спіралі, ланцюжки ДНК розходяться в сторони, утворюючи реплікативну вилку. На них сідають ДНК-полімерази. Саме вони й синтезуватимуть дочірні ланцюжки.
Елонгація
В одній молекулі дезоксирибонуклеїнової кислоти може утворитися від 5 до 50 реплікативних виделок. Синтез дочірніх ланцюжків відбувається одночасно у кількох ділянках молекули. Але це складно добудування компліментарних нуклеотидів. Ланцюжки нуклеїнової кислоти антипаралельні один одному. Різна спрямованість батьківських ланцюгів дається взнаки при подвоєнні, це зумовило складний механізм реплікації ДНК. Один з ланцюгів добудовується дочірньою безперервно і називається лідируючою. Воно і правильно, адже полімеразі дуже зручно приєднувати вільний нуклеотид до 3'-ВІН кінця попереднього. Такий синтез йде безперервно, на відміну від процесу другого ланцюга.
Ланцюг, що запізнюється, фрагменти О’Козаки
З іншим ланцюжком виникають складності, адже там вільним виявляється 5'-кінець, до якого неможливо прикріпити вільний нуклеотид. Тоді ДНК полімеразу діє з іншого боку. Для того щоб добудувати дочірній ланцюжок, створюється праймер, компліментарний для батьківського ланцюга. Він утворюється біля самої реплікативної виделки. З нього і починається синтез маленького шматочка, але вже «правильним» шляхом - приєднання нуклеотидів відбувається до 3'-кінця. Таким чином, добудовування ланцюжка у другої дочірньої спіралі відбувається уривчасто і має напрямок, протилежний руху реплікативної вилки. Ці фрагменти були названі фрагментами О'Козаки, вони мають довжину близько 100 нуклеотидів. Після того як фрагмент добудувався до попереднього готового шматочка, праймери вирізаються спеціальним ферментом, місце вирізу заповнюється нуклеотидами, що відсутні.
Термінація
Подвоєння завершується, коли обидва ланцюжки добудували собі дочірні, а всі фрагменти О'Козаки пошиті між собою. У еукаріотів реплікація ДНК закінчується, коли реплікативні виделки зустрічаються один з одним. А у прокаріотів ця молекула кільцева, а процес її подвоєння відбувається без попереднього розриву ланцюга. Виходить, що вся дезоксирибонуклеїнова кислота є одним репліконом. І подвоєння закінчується тоді, коли реплікативні виделки трапляються на протилежному боці кільця. Після закінчення реплікації обидва ланцюжки батьківської дезоксирибонуклеїнової кислоти повинні бути зчеплені назад, після чого обидві молекули закручуються до утворення суперспіралей. Далі відбувається метилювання обох молекул ДНК аденіну в ділянці -ГАТЦ-. Це не роз'єднує ланцюги та не заважає їх компліментарності. Це необхідно для складання молекул у хромосоми, а також для регуляції читання генів.
Швидкість та точність реплікації
Друга стадія подвоювання ДНК (елонгація) відбувається зі швидкістю близько 700 нуклеотидів на секунду. Якщо згадати, що на один виток нуклеїнової кислоти припадає 10 пар мономерів, то виходить, що під час «розплетення» молекула обертається із частотою 70 обертів на секунду. Для порівняння: швидкість обертання кулера у системному блоці комп'ютера становить приблизно 500 обертів на секунду. Але незважаючи на високі темпи, ДНК полімераз практично ніколи не помиляється. Адже вона просто вибирає компліментарні нуклеотиди. Але навіть якщо вона робить помилку, ДНК-полімераза її розпізнає, робить крок назад, відриває неправильний мономер і замінює його вірним. Механізм реплікації ДНК є дуже складним, але основні моменти ми змогли розібрати. Важливо розуміти його значення як мікроорганізмів, так багатоклітинних істот.
Молекула ДНК - це структура, що знаходиться в хромосомі. Одна хромосома містить одну таку молекулу, що складається із двох ниток. Редуплікація ДНК - це передача інформації після відтворення ниток від однієї молекули на іншу. Вона властиво як ДНК, і РНК. У статті розглядається процес редуплікації ДНК.
Загальні відомості та види синтезу ДНК
Відомо, що нитки у молекулі закручені. Однак коли починається процес редуплікації ДНК, вони деспіралізуються, потім відходять у сторони, і на кожній синтезується нова копія. По завершенні з'являються дві абсолютно ідентичні молекули, у кожній з яких є материнська та дочірня нитки. Такий синтез отримав назву напівконсервативний. Молекули ДНК відсуваються, залишаючись при цьому в єдиному центромірі, і остаточно розходяться лише тоді, коли у цієї центроміри починається процес розподілу.
Інший вид синтезу отримав назву репаративний. Він, на відміну від попереднього, не пов'язаний з якоюсь клітинною стадією, але починається при виникненні пошкоджень ДНК. Якщо вони мають дуже великий характер, то клітина зрештою гине. Однак, якщо пошкодження локальні, їх можна відновити. Залежно від проблеми відновленню підлягає окремий або два відразу ланцюжки ДНК. Цей, як його ще називають, позаплановий синтез не триває тривалого часу та не потребує великих енерговитрат.
Але коли відбувається редуплікація ДНК, витрачається багато енергії, матеріалу, тривалість його розтягується на годинник.
Редуплікація поділяється на три періоди:
- ініціацію;
- елонгацію;
- термінацію.
Розглянемо докладніше цю послідовність редуплікації ДНК.
Ініціація
У ДНК людини кілька десятків мільйонів пар нуклеотидів (у тварин їх налічується всього сто дев'ять). Редуплікація ДНК починається у багатьох місцях ланцюжка з таких причин. Приблизно в цей же час у РНК відбувається транскрипція, але на час синтезу ДНК вона зупиняється в окремих місцях. Тому перед таким процесом у цитоплазмі клітини накопичується достатня кількість речовини для того, щоб підтримати експресію генів та щоб життєдіяльність клітини не була порушена. З огляду на це процес повинен проходити якнайшвидше. Трансляція у період здійснюється, а транскрипція не ведеться. Як показали дослідження, редуплікація ДНК відбувається відразу в кількох тисячах точок – невеликих ділянках із певною послідовністю нуклеотидів. До них приєднуються спеціальні ініціаторні білки, яких у свою чергу приєднуються інші ферменти редуплікації ДНК.
Фрагмент ДНК, де відбувається синтез, називається реплікон. Він починається від початку і закінчується тоді, коли фермент завершує реплікацію. Реплікон автономен, а також забезпечує весь процес власним забезпеченням.
Процес може початися не з усіх точок відразу, десь він починається раніше, десь пізніше; може протікати в одному або двох протилежних напрямках. Події відбуваються в наступному порядку, коли утворюються:
- реплікаційна вилка;
- РНК-затравка.
Реплікативна вилка
Ця частина є процесом, при якому на від'єднаних нитках ДНК відбувається синтез дезоксирибонуклеїнових ниток. Виделки при цьому утворюють так зване вічко редуплікації. Процесу передує ціла низка дій:
- звільнення від зв'язку з гістонами в нуклеосомі - такі ферменти редуплікації ДНК як метилювання, ацетилювання та фосфорилювання виробляють хімічні реакції, внаслідок яких білки втрачають свій позитивний заряд, що сприяє їх вивільненню;
- деспіралізація - це розкручування, яке необхідне для подальшого звільнення ниток;
- розрив зв'язків водню між нитками ДНК;
- їх розбіжність у різні сторони молекули;
- фіксація, що відбувається за допомогою білків SSB.
РНК-затравка
Синтез здійснює фермент під назвою ДНК-полімераза. Однак почати його самостійно він не може, тому це роблять інші ферменти – РНК-полімерази, які називають ще РНК-затравками. Таким чином, ініціація закінчується синтезом двох РНК-затравок на двох розірваних і відійшли в різні боки нитках ДНК.
Елонгація
Даний період починається з приєднання нуклеотиду і 3" кінця РНК-затравки, що здійснює вже згадана ДНК-полімераза. До першого вона приєднує другий, третій нуклеотид, і так далі. Підстави нової нитки з'єднуються з материнським ланцюжком Вважається, що синтез нитки йде в напрямку 5" - 3".
Там, де він відбувається у бік вилки реплікації, синтез протікає безперервно і подовжується при цьому. Тому таку нитку називають провідною чи лідируючою. На ній РНК-затравки більше не формуються.
Однак на протилежній материнській нитці ДНК-нуклеотиди продовжують приєднуватися до РНК-затравки, і дезоксирибонуклеїновий ланцюг синтезується у протилежному від вилки редуплікації напрямку. Її в цьому випадку називають запізнюваною або відстаючою.
На відстаючої нитки синтез відбувається фрагментарно, де по закінченні однієї ділянки починається синтез на іншій ділянці поблизу за допомогою тієї ж РНК-затравки. Таким чином, на ланцюгу, що запізнюється, є два фрагменти, які з'єднані ДНК і РНК. Вони отримали назву фрагменти Оказакі.
Далі все повторюється. Тоді розплітається інший виток спіралі, розриваються зв'язки водню, нитки розходяться в сторони, що веде ланцюг подовжується, на відстаючій синтезується наступний фрагмент РНК-затравки, після чого фрагмент Оказаки. Після цього на нижній нитці РНК-затравки руйнуються, а фрагменти ДНК з'єднуються в одну. Так на цьому ланцюзі відбувається одночасно:
- утворення нових РНК-затравок;
- синтез фрагментів Оказаки;
- руйнування РНК-затравок;
- возз'єднання в один єдиний ланцюг.
Термінація
Процес триває до тих пір, поки дві реплікативні вилки не зустрінуться, або одна з них не підійде до кінця молекули. Після зустрічі виделок дочірні нитки ДНК з'єднуються ферментом. Якщо ж вилка відійшла до кінця молекули, редуплікація ДНК закінчується за допомогою спеціальних ферментів.
Корекція
У цьому процесі важлива роль приділяється контролю (або корекції) редуплікації. До місця синтезу надходять усі чотири види нуклеотидів, а шляхом пробного спарювання ДНК-полімеразу відбирає ті, які необхідні.
Потрібний нуклеотид повинен бути здатний сформувати стільки ж зв'язків водню, скільки аналогічний нуклеотид на нитці матричної ДНК. Крім того, між сахарофосфатними кістяками має бути певна постійна відстань, що відповідає трьом кільцям у двох підставах. Якщо нуклеотид не відповідає цим вимогам, з'єднання не відбуватиметься.
Контроль проводиться перед включенням його до складу ланцюга та перед включенням наступного нуклеотиду. Після цього формується зв'язок в кістяку сахарофосфату.
Мутаційна мінливість
Механізм редуплікації ДНК, незважаючи на високий відсоток точності, завжди має порушення в нитках, які називаються переважно «генними мутаціями». Приблизно на тисячу нуклеотидних пар припадає одна помилка, яка називається конваріантна редуплікація.
Вона трапляється з різних причин. Наприклад, при високій або надто низькій концентрації нуклеотидів, дезамінування цитозину, присутності мутагенів в галузі синтезу та інше. У деяких випадках помилки можуть виправитися репараційними процесами, в інших виправлення стає неможливим.
Якщо пошкодження торкнулося неактивного місця, помилка не матиме тяжких наслідків, коли відбувається редуплікація ДНК. Послідовність нуклеотиду того чи іншого гена може виявитися з помилкою спарювання. Тоді справа інакша, і негативним результатом може стати як загибель цієї клітини, так і загибель всього організму. Слід також враховувати, що засновані на мутаційній мінливості, яка робить генофонд пластичним.
Метилювання
У момент синтезу або одразу після нього відбувається метилювання ланцюгів. Вважається, що в людини цей процес потрібен для того, щоб сформувати хромосоми та регулювати транскрипцію генів. У бактеріях цей процес є захистом ДНК від розрізання його ферментами.
1. Коли відбувається реплікація?- У синтетичній фазі інтерфази, задовго до поділу клітини. Період між реплікацією та профазою мітозу називається постсинтетична фаза інтерфази, у ньому клітина продовжує зростати та перевіряє, чи правильно сталося подвоєння.
2. Якщо до подвоєння було 46 хромосом, скільки буде після подвоєння?– Кількість хромосом при подвоєнні ДНК не змінюється. До подвоєння у людини 46 одинарних хромосом (що складаються з одного подвійного ланцюжка ДНК), а після подвоєння - 46 подвійних хромосом (що складаються з двох однакових подвійних ланцюжків ДНК, з'єднаних між собою в центромірі).
3. Навіщо потрібна реплікація?– Щоб під час мітозу кожна дочірня клітина могла отримати свою копію ДНК. При мітозі кожна з 46 подвійних хромосом поділяється на дві одинарні; виходить два набори по 46 одинарних хромосом; ці два набори розходяться у дві дочірні клітини.
Три принципи будови ДНК
Напівконсервативність- кожна дочірня ДНК містить один ланцюжок з материнської ДНК і один новосинтезований.
Комплементарність- АТ/ЦГ. Навпаки аденіну одного ланцюга ДНК завжди стоїть тимін іншого ланцюга ДНК, навпроти цитозину завжди стоїть гуанін.
Антипаралельність- Ланцюжки ДНК лежать один до одного протилежними кінцями. Ці кінці не вивчають у школі, тому трохи докладніше (і далі – у нетрі).
Мономером ДНК є нуклеотид, центральною частиною нуклеотиду – дезоксирибозу. Вона має 5 атомів вуглецю (на найближчому малюнку у лівої нижньої дезоксирибози атоми пронумеровані). Дивимося: до першого атома вуглецю приєднується азотна підстава, до п'ятого - фосфорна кислота даного нуклеотиду, третій атом готовий приєднати фосфорну кислоту наступного нуклеотиду. Таким чином, у будь-якого ланцюжка ДНК є два кінці:
- 5"-кінець, на ньому розташовується фосфорна кислота;
- 3"-кінець, на ньому розташовується рибоза.
Правило антипаралельності полягає в тому, що на одному кінці подвійного ланцюга ДНК (наприклад, на верхньому кінці найближчого малюнка) один ланцюг має 5"-кінець, а інший 3"-кінець. Для процесу реплікації важливо, що ДНК-полімераза може подовжувати тільки 3"-кінець. Ланцюжок ДНК може рости тільки своїм 3"-кінцем.
На цьому малюнку процес подвоєння ДНК йде знизу нагору. Видно, що лівий ланцюжок росте в тому ж напрямку, а правий – у протилежному.
На наступному малюнку верхній новий ланцюжок("провідний ланцюг") подовжується в тому ж напрямку, в якому відбувається подвоєння. Нижній новий ланцюжок("відстає ланцюг") не може подовжуватися в тому ж напрямку, тому що там у неї 5"-кінець, який, як ми пам'ятаємо, не росте. Тому нижній ланцюжок росте за допомогою коротких (100-200 нуклеотидів) фрагментів Оказаки, кожен з яких росте в 3"-напрямку. Кожен фрагмент Оказаки росте від 3"-кінця праймера ("РНК-затравки", на малюнку праймери червоні).
Ферменти реплікації
Надзвичайна пряма реплікація- Напрямок, в якому відбувається подвоєння ДНК.
Parental DNA- Стара (материнська) ДНК.
Зелена хмара поруч із написом "Parental DNA"- фермент геліказу, який розриває водневі зв'язки між азотистими основами старого (материнського) ланцюжка ДНК.
Сірі овальчики на щойно відірваних один від одного ланцюжках ДНК- Дестабілізуючі білки, які не дають ланцюжкам ДНК з'єднатися.
DNA pol III- ДНК-полімераза, яка приєднує нові нуклеотиди до 3"-кінця верхнього (лідируючого, синтезованого неприривно) ланцюжка ДНК (Leading strand).
Primase- Фермент праймазу, яка робить праймер (червону деталь від Лего). Тепер вважаємо праймери зліва направо:
- перший праймер ще недороблений, його саме зараз робить праймаза;
- від другого за рахунком праймера ДНК-полімеразу будує ДНК - у напрямку, протилежному напрямку подвоєння ДНК, зате в напрямку 3"-кінця;
- від третього за рахунком праймера ланцюжок ДНК вже побудовано (Lagging strand), вона підійшла впритул до четвертого за рахунком праймера;
- четвертий за рахунком праймер коротший за всіх, тому що ДНК-полімераза (DNA pol I)видаляє його (він же РНК, ДНК йому робити нічого, від нього нам був потрібен тільки правильний кінець) і замінює на ДНК;
- п'ятого праймера на малюнку вже немає, він повністю вирізаний, на його місці залишився розрив. ДНК-лігаза (DNA ligase)зшиває цей розрив, щоб нижній (відстаючий) ланцюжок ДНК був цілим.
На суперкартині не позначений фермент топоізомеразу, але далі а тестиках він фігуруватиме, так що скажемо і про нього пару слів. Ось вам мотузка, що складається з трьох великих жил. Якщо три товариші візьмуться за ці три жили і почнуть тягнути їх у три різні боки, то дуже скоро мотузка перестане розплітатися і зав'ється в тугі петлі. З ДНК, яка є двожильною мотузкою, могло б статися те ж саме, якби не топоізомеразу. 
Топоізомереза розрізає одну з двох ниток ДНК, після чого (другий малюнок, червона стрілка) ДНК провертається навколо одного зі своїх ланцюгів, так що тугі петлі не утворюються (топологічний стрес знижується).
Кінцева недореплікація
З суперкартини з ферментами реплікації зрозуміло, що на місці, що залишилося після видалення праймера, ДНК-полімераза добудовує фрагмент Оказаки, що наступає за рахунком. (Правда зрозуміло? Якщо що, фрагменти Оказаки на суперкартині позначені цифрами в кружечках.) Коли реплікація на суперкартині дійде свого логічного (лівого) кінця, то в останнього (крайнього лівого) фрагмента Оказаки не буде «наступного», тому нікому буде добудувати ДНК на порожньому місці, що вийшов після видалення праймера.
Ось вам ще рисунок. Чорний ланцюжок ДНК - старий, материнський. Подвоєння ДНК, на відміну суперкартини, відбувається зліва направо. Оскільки у нової (зеленої) ДНК справа 5"-кінець, то вона є відстаючої і подовжується окремими фрагметами (Оказакі). Кожен фрагмент Оказакі росте від 3"-кінця свого праймера (синього прямокутника). Праймери, як ми пам'ятаємо, видаляються ДНК-полімеразою, яка на цьому місці добудовує наступний фрагмент Оказакі (цей процес позначений червоною крапкою). Наприкінці хромосоми нема кому закласти цю ділянку, тому що немає наступного фрагмента Оказаки, там уже порожнє місце (Gap). Таким чином, після кожної реплікації у дочірніх хромосом коротшають обидва 5"-кінці. (Кінцева недореплікація).
Стовбурові клітини (у шкірі, червоному кістковому мозку, насінниках) повинні ділитися набагато більше, ніж 60 разів. Тому у них функціонує фермент теломераза, який після кожної реплікації подовжує теломери. Теломераза подовжує виступаючий 3"-кінець ДНК, так що він збільшується до розміру фрагмента Оказаки. Після цього праймаза синтезує на ньому праймер, і ДНК-полімераза подовжує недореплікований 5"-кінець ДНК.
Тестики
1. Реплікація - це процес, у якому:
А) відбувається синтез транспортних РНК;
Б) відбувається синтез (копіювання) ДНК;
В) рибосоми впізнають антикодони;
Г) утворюються пептидні зв'язки.
2. Співвіднесіть функції ферментів, що беруть участь у реплікації прокаріотів, з їх назвами.
3. Під час реплікації у еукаріотичних клітинах видалення праймерів
А) здійснюється ферментом тільки з ДНК-азною активністю
Б) утворює фрагменти Оказаки
В) відбувається тільки у відстаючих ланцюгах
Г) відбувається лише у ядрі
4. Якщо ви проекстрагуєте ДНК бактеріофага fX174, ви виявите, що в його складі знаходиться 25% A, 33% T, 24% G, і 18% C. Як Ви могли б пояснити ці результати?
а) Результати експерименту неправильні; десь сталася помилка.
Б) Можна було б припустити, що відсотковий вміст A приблизно дорівнює такому T, що також справедливо для C і G. Отже, правило Чаргафа не порушується, ДНК є дволанцюжковою і реплікується напівконсервативно.
В) Оскільки відсоткові співвідношення A і T і, відповідно, C і G різні, ДНК є одним ланцюгом; вона реплікується за допомогою особливого ферменту, наступного особливого механізму реплікації з одним ланцюгом як матриця.
Г) Оскільки ні A не дорівнює T, і ні G не дорівнює C, то ДНК повинна бути одноланцюгової, вона реплікується шляхом синтезу комплементарного ланцюга та використанням цієї дволанцюгової форми як матриці.
5. Діаграма відноситься до реплікації дволанцюгової ДНК.
Для кожного із квадратів I, II, III виберіть один фермент, який функціонує на цій ділянці.
А) Теломераза
Б) ДНК-топоізомеразу
В) ДНК-полімераза
Г) ДНК-геліказу
Д) ДНК-лігаза
| 6. Культура бактерій із середовища з легким ізотопом азоту (N-14) перенесли в середовище, що містить важкий ізотоп (N-15) на час, що відповідає одному поділу, а потім повернули в середу з легким ізотопом азоту. Аналіз складу ДНК бактерій після періоду, що відповідає двом реплікаціям, показав: Варіанти |
відповіді | ||
| ДНК | легка | середня | |
| важка | 3/4 | 1/4 | - |
| А | 1/4 | 3/4 | - |
| Б | - | 1/2 | 1/2 |
| У | 1/2 | 1/2 | - |
Г
7. Одне рідкісне генетичне захворювання характеризується імунодефіцитом, відставанням у розумовому та фізичному розвитку та мікроцефалією. Припустимо, що в екстракті ДНК пацієнта з цим синдромом ви виявили майже однакові кількості довгих та дуже коротких відрізків ДНК. Який фермент у цього пацієнта найімовірніше відсутній/дефектний?
А) ДНК-лігаза
Б) Топоізомераза
В) ДНК-полімераза
Г) Геліказу
8. Молекула ДНК, являє собою подвійну спіраль, що містить чотири різні типи азотистих основ. Яке з наступних тверджень щодо як реплікації, так і хімічної будови ДНК є правильним?
A) Послідовності основ двох ланцюгів одні й самі.
B) У подвійному ланцюзі ДНК вміст пуринів дорівнює вмісту піримідинів.
C) Обидва ланцюги синтезуються у напрямку 5'→3' безперервно.
D) Приєднання першої основи нової нуклеїнової кислоти каталізується ДНК-полімеразою.
E) Активність ДНК-полімерази з виправлення помилок здійснюється у напрямку 5'→3'.
9. Більшість ДНК-полімераз має також активність:
А) лігазної;
Б) ендонуклеазний;
В) 5"-екзонуклеазний;
Г) 3"-екзонуклеазний.
10. ДНК-хеліказа - це ключовий фермент реплікації ДНК, що розкручує дволанцюжкову ДНК до одноланцюгової. Нижче описано експеримент, присвячений з'ясування властивостей цього ферменту.
Яке з таких тверджень щодо цього експерименту є правильним?
А) Смуга, що у верхній частині гелю, є лише ssДНК, величиною 6,3 kb.
Б) Смуга, що з'являється у нижній частині гелю, це мічена 300bp ДНК.
Г) Якщо гібридизовану ДНК обробити тільки кип'ятінням без обробки хеліказою, розташування смуг виглядає як зображено на доріжці 2 малюнку b.
Д) Якщо гібридизовану ДНК обробити тільки прокип'яченою хеліказою, розташування смуг виглядає як зображено на доріжці 1 малюнку b.
Окружна олімпіада 2001
- Всеросійська олімпіада 2001
- міжнародна олімпіада 2001
- міжнародна олімпіада 1991
- міжнародна олімпіада 2008
- Окружна олімпіада 2008
- міжнародна олімпіада 2010
Повні тексти цих олімпіад можна знайти.
Реплікація - це механізм самокопіювання та основна властивість спадкового матеріалу, яким виступають молекули ДНК.
Особливістю ДНК є те, що зазвичай її молекули складається з двох комплементарних один одному ланцюгів, що утворюють подвійну спіраль. У процесі реплікації ланцюга материнської молекули ДНК розходяться, і на кожній будується новий комплементарний ланцюг. В результаті однієї подвійної спіралі утворюється дві, ідентичні вихідної. Т. е. з однієї молекули ДНК утворюються дві, ідентичні матричної і між собою.
Таким чином, реплікація ДНК відбувається напівконсервативним способом, коли кожна дочірня молекула містить одну материнську ланцюг і одну знову синтезовану.
У еукаріотів реплікація відбувається в S-фазі інтерфази клітинного циклу.
Наведений нижче механізм та основні ферменти характерні для переважної більшості організмів. Однак бувають винятки, в основному серед бактерій та вірусів.
Розбіжність ланцюгів вихідної молекули ДНК забезпечує фермент геліказа, або Хеліказа, який у певних місцях хромосом розриває водневі зв'язки між азотистими основами ДНК. Хелікази переміщуються ДНК з витратою енергії АТФ.
Щоб ланцюжки знову не з'єдналися, вони утримуються на відстані один від одного дестабілізуючими білками. Білки вишиковуються в ряд з боку пентозо-фосфатного кістяка ланцюга. В результаті утворюються зони реплікації, які називаються реплікаційними вилками.
Реплікаційні виделки утворюються над будь-яких місцях ДНК, лише у точках початку реплікації, Що складаються з певної послідовності нуклеотидів (близько 300 штук). Такі місця розпізнаються спеціальними білками, після чого утворюється так званий реплікаційне око, в якому розходяться два ланцюги ДНК
З точки початку реплікація може йти як в одному, так і двох напрямках по довжині хромосоми. В останньому випадку ланцюга ДНК розходяться вперед і назад, і з одного вічка реплікації утворюються дві реплікаційні вилки.
Реплікон- одиниця реплікації ДНК, від точки її початку та до точки її закінчення.
Оскільки в ДНК ланцюга спірально закручені відносно один одного, то поділ їх хеліказою викликає поява додаткових витків перед виделкою реплікації. Щоб зняти напругу, молекула ДНК повинна була б провертатися навколо своєї осі один раз на кожні 10 пар нуклеодидів, що розійшлися, саме стільки утворюють один виток спіралі. У такому разі ДНК швидко оберталася б з витратою енергії. Але цього не відбувається, тому що природа знайшла більш ефективний спосіб впоратися з напругою спіралі, що виникає при реплікації.
Фермент топоізомеразурозриває один із ланцюгів ДНК. Від'єднана ділянка провертається на 360° навколо другого цілого ланцюга і знову з'єднується зі своїм ланцюгом. Цим знімається напруга, тобто усуваються супервитки.
Кожен окремий ланцюг ДНК старої молекули використовується як матриця для синтезу нового комплементарного собі ланцюга. Додавання нуклеотидів до зростаючого дочірнього ланцюга забезпечує фермент ДНК-полімераза. Існує кілька різновидів полімераз.
У реплікаційній вилці до водневих зв'язків ланцюгів, що звільнилися, згідно з принципом компліментарності приєднуються вільні нуклеотиди, що знаходяться в нуклеоплазмі. Приєднуються нуклеотиди є дезоксирибонуклеозидтрифосфати (дНТФ), саме дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ.
Після утворення водневих зв'язків фермент ДНК-полімераза пов'язує нуклеотид фосфоефірним зв'язком з останнім нуклеотидом синтезованого дочірнього ланцюга. При цьому відокремлюється пірофосфат, що включає два залишки фосфорної кислоти, який потім розщеплюється окремі фосфати. Реакція відщеплення пірофосфату в результаті гідролізу енергетично вигідна, оскільки зв'язок між першим, що йде в ланцюг, і другим фосфатними залишками багата на енергію. Ця енергія використовується полімеразою.
Полімераза не тільки подовжує ланцюг, що росте, але і здатна від'єднувати помилкові нуклеотиди, тобто володіє коригуючою здатністю. Якщо останній нуклеотид, який має бути приєднаний до нового ланцюга, не комплементарний матричному, то полімераза його видалить.
ДНК-полімераза може приєднувати нуклеотид тільки до групи -OH, що знаходиться при 3-му атомі вуглецю дезоксирибози. Таким чином ланцюг синтезується тільки з боку свого 3-кінця. Тобто синтез нового ланцюга ДНК йде в напрямку від 5'- до 3'-кінця. Оскільки в дволанцюжковій молекулі ДНК ланцюги антипаралельні, то процес синтезу по материнській, або матричній, ланцюга йде у зворотному напрямку - від 3'- до 5'-кінця.
Оскільки ланцюги ДНК антипаралельні, а синтез нового ланцюга можливий тільки в напрямку 5'→3', то в вилці реплікації дочірні ланцюги будуть синтезуватися в різних напрямках.
На матриці 3'→5' складання нової полінуклеотидної послідовності відбувається здебільшого безперервно, так як цей ланцюг синтезується в напрямку 5'→3'. Антипаралельна матриця характеризується 5'→3' напрямком, тому синтез дочірнього ланцюга в процесі руху вилки тут не можливий. Тут він був би 3'→5', але ДНК-полімеру не може приєднувати до 5'-кінця.
Тому синтез на матриці 5'→3' виконується невеликими ділянками - фрагментами Оказаки (Названі на честь вченого, що відкрив). Кожен фрагмент синтезується у зворотному ході утворення вилки напрямку, що забезпечує дотримання правила складання від 5'- до 3'-кінця.
Іншим «недоліком» полімерази є те, що вона не може сама розпочати синтез ділянки дочірнього ланцюга. Причина цього в тому, що їй необхідний -OH-кінець нуклеотиду, вже з'єднаного з ланцюгом. Тому необхідна затравка, або праймер. Ним виступає коротка молекула РНК, що синтезуються ферментом РНК-праймазоюі спарена з матричним ланцюгом ДНК. Синтез кожної ділянки Оказаки починається зі своєї РНК-затравки. Той ланцюг, який синтезується безперервно, зазвичай має один праймер.
Після видалення праймерів та забудовування проломів ДНК-полімеразою окремі ділянки дочірнього ланцюга ДНК зшиваються між собою ферментом ДНК-лігазою.
Безперервне складання йде швидше, ніж фрагментарне. Тому один із дочірніх ланцюгів ДНК називається лідируючою, або ведучою, друга - запізнювальною , або відстаючої.
У прокаріотів реплікація протікає швидше: приблизно 1000 нуклеотидів на секунду. У той час як у еукаріотів лише близько 100 нуклеотидів. Кількість нуклеотидів у кожному фрагменті Оказаки у еукаріотів становить приблизно до 200, у прокаріотів - до 2000.
У прокаріотів кільцеві молекули ДНК являють собою один реплікон. У еукаріотів кожна хромосома може містити безліч репліконів. Тому синтез починається у кількох точках, одночасно чи ні.
Ферменти та інші білки реплікації діють спільно, утворюючи комплекс і рухаючись ДНК. Загалом у процесі бере участь близько 20 різних білків, тут було перераховано лише основні.