Процесс репликации ДНК

«МАТИ» – РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО

 

 

 

 

 

 

Доклад

 на тему:

«Процесс репликации ДНК»

 

 

 

 

 

 

Преподаватель: ___________.

Студент:  ______________.

Группа: _______________

 

 

 

г. Москва

2014  
Содержание

 

Введение

1. Понятие и основа репликации
2. Процесс репликации ДНК
3. Основные ферагменты репликации ДНК

Заключительная часть

Список использованной литературы

 

 

Введение

 

Вся информация о строении и функционировании любого организма содержится в закодированном виде в его генетическом материале, основу которого у подавляющего числа организмов составляет ДНК. Роль ДНК заключается в хранении и передаче генетической (наследственной) информации в живых организмах. Чтобы эта информация могла передаваться от одного поколения клеток (и организмов) к другому, необходимо её точное копирование и последующее распределение её копий между потомками. Процесс, с помощью которого создаются копии молекулы ДНК, называется репликацией. Перед тем как разделится, клетки с помощью репликации создают копию своего генома, и в результате клеточного деления в каждую дочернюю клетку переходит одна копия. Благодаря этому, генетическая информация, содержащаяся в родительской клетке, не исчезает, а сохраняется и передаётся потомкам. В случае многоклеточных организмов передача этой информации осуществляется с помощью половых клеток, образующихся в результате мейотического деления и также несущих копию генома (гаплоидного). Их слияние приводит к объединению двух родительских геномов в одной клетке (зиготе). Из неё развивается организм, клетки которого несут генетическую информацию обоих родительских организмов. Таким образом, основное значение репликации заключается в снабжении потомства генетической информацией. Для обеспечения стабильности организма и вида ДНК должна реплицироваться полностью и с очень высокой точностью, что обеспечивается функционированием определённого набора белков. Замечательной особенностью ДНК является то, что она несёт гены кодирующие эти белки, и, таким образом, информация о механизме её собственного удвоения закодирована в ней самой.

 

 

1. Понятие и основа репликации

 

Репликация (позднелат. replicatio — повторение, от лат. replico — обращаюсь назад, повторяю), редупликация, ауторепродукция, аутосинтез, протекающий во всех живых клетках процесс самовоспроизведения (самокопирования) нуклеиновых кислот, генов, хромосом.

Репликация ДНК — это процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, который происходит в процессе деления клетки на матрице родительской молекулы ДНК. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками. Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза.

В основе механизма репликации лежит ферментативный синтез дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) или рибонуклеиновых кислот (РНК), осуществляемый по матричному принципу. Предложенная в 1953 Дж. Уотсоном и Ф. Криком модель строения ДНК — так называемая двойная спираль — с одной стороны, объяснила, каким образом записана генетическая информация в молекуле ДНК, с другой — позволила понять и экспериментально изучать химические механизмы удвоения генетического материала. Строгая специфичность спаривания азотистых оснований в молекуле ДНК обусловливает комплементарность последовательностей оснований в двух цепях и обеспечивает высокую точность. Согласно Уотсону и Крику, процесс Репликации ДНК предусматривает: 1) разрыв водородных связей и расплетение нитей двойной спирали; 2) синтез на одиночных нитях комплементарных цепей. В результате из одной двухцепочечной ДНК возникают две подобные молекулы, причём в каждой из дочерних молекул одна полинуклеотидная цепь родительская, а другая — синтезированная заново.

Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм репликации называется полуконсервативным. В настоящее время этот механизм считается доказанным благодаря опытам Мэтью Мезельсона и Франклина Сталя (1958 г.). Ранее существовали и две другие модели: «консервативная» — в результате репликации одна молекула ДНК состоит только из родительских цепей, а другая — только из дочерних цепей; «дисперсионная» — все получившиеся в результате репликации молекулы ДНК состоят из цепей, одни участки которых вновь синтезированы, а другие взяты из родительской молекулы ДНК).

Цепи молекулы ДНК расходятся, образуя репликационную вилку, и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.

 

 

2. Процесс репликации ДНК

 

В процессе репликации двойная спираль ДНК, состоящая из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, раскручивается на отдельные цепи и одновременно начинается синтез новых полинуклеотидных цепей; при этом исходные цепи ДНК играют роль матриц. Новая цепь, синтезирующаяся на каждой из исходных цепей, идентична др. исходной цепи. Когда процесс завершается, образуются две идентичные двойные спирали, каждая из которых состоит из одной старой (исходной) и одной новой цепи. Таким образом от одного поколения к другому передается только одна из двух цепей, составляющих исходную молекулу ДНК.

Репликация включает в себя несколько этапов, каждый из которых контролируется и направляется целым комплексом специальных белков-ферментов.

I.  Молекула ДНК в интерфазном ядре находится в спирализованном состоянии и для начала репликации необходимо деспирализовать хроматин и «расплести» двойную спираль ДНК. Деспирализацию хроматина проводят специальные гистонные белки. Потом двойную цепь ДНК «расплетают» специальные белки-ферменты топоизомеразы и хеликазы.  Топоизомераза  раскручивает спираль ДНК и образуется участок - «глазок», где две соседние цепи ДНК разъединены. На каждом конце такого «глазка» образуется точка начала репликации – репликативная вилка. Участок ДНК, где начинается и идет репликация называется – репликон.

II. Теперь на  расплетенных нитях «родительской»  ДНК начинают синтезироваться  «дочерние» нити, подчиняясь закону  комплементарности пар нуклеотидов. В настоящее время доказана  схема «полуконсервативного» синтеза ДНК. По этой схеме на каждой из расплетенных цепей ДНК достраивается новая цепь.

 Начало процесса  синтеза новых цепей ДНК осуществляется  сложным комплексом белков и  ферментов. Этот комплекс получил  название – реплисома.   Она состоит из: короткой молекулы РНК-праймера (затравки), запускающей синтез новой цепи; фермента – праймазы, синтезирующей РНК-праймеры; фермента ДНК-полимеразы, соединяющего нуклеотиды в цепь.

Скорость синтеза ДНК составляет: у эукариот – 100-400 пар нуклеотидов/сек; у прокариот значительно выше – около 3000 пар нуклеотидов/сек.

III. Следующим  этапом синтеза ДНК является  «проверка» правильности синтеза  новой цепи ДНК. Это делают  также ферменты ДНК-полимеразы I и III. Это чрезвычайно важно, ведь  каждая «ошибка» - это мутация, последствия которой предсказать невозможно. Механизм исправления ошибок заключается в вырезании поврежденного участка синтезируемой нити ДНК ферментами - нуклеазами с последующим восстановлением пробела с помощью ДНК-полимераз. Точность репликации очень высокая, ошибки составляют менее чем  1 пару замен нуклеотидов на 1млн. пар.

IV. Синтез новых  цепей ДНК идет одновременно  с двух «материнских» цепей  антипараллельно, в направлении  5’ → 3’ конец. По одной нити  ДНК, называемой «главной»,  синтез  идет непрерывно. По другой – антипараллельной, называемой «запаздывающей», синтез новой цепи ДНК идет отдельными фрагментами,  каждый из которых запускается своим РНК-праймером. Эти фрагменты получили наименование по имени японского биолога – «фрагменты Оказаки». По мере синтеза фрагментов они сшиваются специальным ферментом – ДНК-лигазой в непрерывную цепь ДНК.  Однонитевые участки  ДНК в процессе репликации покрываются специальными стабилизирующими белками (SSB).

V. Процесс репликации  ДНК должно остановиться вовремя! Ферменты ДНК – полимеразы только добавляют в растущую цепь нуклеотиды и проверяют их правильное расположение.

У прокариотов остановка происходит очень «просто» - их ДНК кольцевая, т.е. не имеет конца, и синтез завершается, когда  две репликативные вилки встречаются друг с другом.

У эукариот эта проблема решается более сложным путем. На конце эукариотических хромосом имеется специальный участок из 100 – 1000 многократно повторяющихся кусочков цепи из шести нуклеотидов (например: у человека: ТТАGGG). Он  не несет в себе функции генов и служит сигналом к окончанию репликации и получил наименование - теломер. С каждым циклом репликации и деления теломерный участок уменьшается.  С помощью специального фермента – теломеразы утраченный участок теломера может синтезироваться  и  длина хромосомы восстанавливается.

 

3. Основные ферменты репликации ДНК

 

ДНК – полимераза

ДНК-полимераза — фермент, участвующий в репликации ДНК. Ферменты этого класса катализируют полимеризацию дезоксирибонуклеотидов вдоль цепочки нуклеотидов ДНК, которую фермент «читает» и использует в качестве шаблона. Тип нового нуклеотида определяется по принципу комплементарности с шаблоном, с которого ведётся считывание. Собираемая молекула комплементарна шаблонной моноспирали и идентична второму компоненту двойной спирали.

Выделяют ДНК-зависимую ДНК-полимеразу, использующую в качестве матрицы одну из цепей ДНК, и РНК-зависимую ДНК-полимеразу, способную также к считыванию информации с РНК (обратная транскрипция).

ДНК-полимеразу считают холоферментом, поскольку для нормального функционирования она требует присутствия ионов магния в качестве кофактора. В отсутствии ионов магния о ней можно говорить как об апоферментe.

ДНК-полимераза начинает репликацию ДНК, связываясь с отрезком цепи нуклеотидов. Среднее количество нуклеотидов, присоединяемое ферментов ДНК-полимеразой за один акт связывания/диссоциации с матрицей, называют процессивностью.

ДНК – лигазы

Лигаза — фермент, катализирующий соединение двух молекул с образованием новой химической связи (лигирование). При этом обычно происходит отщепление (гидролиз) небольшой химической группы от одной из молекул.

Лигазы относятся к классу ферментов EC 6.

В молекулярной биологии лигазы разделяют на две большие группы — РНК-лигазы и ДНК-лигазы. ДНК-лигаза, осуществляющая репарацию ДНК

ДНК-лигазы — ферменты, катализирующие ковалентное сшивание цепей ДНК в дуплексе при репликации, репарации и рекомбинации. Они образуют фосфодиэфирные мостики между 5'-фосфорильной и 3'-гидроксильной группами соседних дезоксинуклеотидов в местах разрыва ДНК или между двумя молекулами ДНК. Для образования этих мостиков лигазы используют энергию гидролиза пирофосфорильной связи АТФ. Один из самых распространённых коммерчески доступных ферментов — ДНК-лигаза бактериофага Т4.

ДНК – геликазы

ДНК геликазы - ферменты раскручивающие двуцепочечную спираль ДНК с затратой энергии гидролиза трифосфатов NTP. Образуемая одноцепочечная ДНК участвует в различных процессах, таких как репликация, рекомбинация, и репарация. ДНК геликазы необходимы для репликации, репарации, рекомбинации и транскрипции. Геликазы присутствуют во всех организмах.

ДНК-топоизомеразы

ДНК-топоизомеразы—ферменты, изменяющие степень сверхспиральности и тип сверхспирали. Путём одноцепочечного разрыва они создают шарнир, вокруг которого нереплецированный дуплекс ДНК, находящейся перед вилкой, может свободно вращаться. Это снимает механическое напряжение, возникающее при раскручивании двух цепей в репликативной вилке, что является необходимым условием для её непрерывного движения. Кроме того, топоизомеразы (типа II) обеспечивают разделение или образование катенанов - сцепленных кольцевых ДНК (образуются в результате репликации кольцевой ДНК), а также устранение узлов и спутанных клубков из длинной линейной ДНК. Существует два типа топоизомераз. Топоизомеразы типа I уменьшают число сверхвитков в ДНК на единицу за один акт. Эти топоизомеразы надрезают одну из двух цепей, в результате чего фланкирующие дуплексные области могут повернутся вокруг интактной цепи, и затем воссоединяют концы разрезанной цепи. Эта реакция не требует энергии АТФ, т.к. энергия фосфодиэфирной связи сохраняется благодаря тому, что тирозиновый остаток в молекуле фермента выступает то в роли акцептора, то в роли донора фосфорильного конца разрезанной цепи.

Топоизомеразы типа II вносят временные разрывы в обе комплиментарные цепи, пропускают двухцепочечный сегмент той же самой или другой молекулы ДНК через разрыв, а затем соединяют разорванные концы. В результате за один акт снимаются два положительных или отрицательных сверхвитка. Топоизомеразы типа II тоже используют тирозиновые остатки для связывания 5¢-конца каждой разорванной цепи в то время . когда другой дуплекс проходит через место разрыва.

Праймаза

Праймаза—фермент, обладающий РНК-полимеразной активностью; служит для образования РНК-праймеров, необходимых для инициации синтеза ДНК в точке ori и дальнейшем для синтеза отстающей цепи.

 

 

Заключение

 

Суть репликации ДНК заключается в том, что специальный фермент разрывает слабые водородные связи, которые соединяют между собой нуклеотиды двух цепей. В результате цепи ДНК разъединяются. А  генетическая программа клеточных организмов записана в нуклеотидной последовательности ДНК. Для сохранения уникальных свойств организма необходимо точное воспроизведение этой последовательности в каждом последующем поколении. Во время деления клетки содержание ДНК должно удвоиться, чтобы каждая дочерняя клетка могла получить полный спектр ДНК. 
Список использованной литературы.