Коррекция репликации ДНК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

Пензенский институт им. В.Г. Белинского

Кафедра «Общей биологии и биохимии»

Курсовая работа по дисциплине «Биология»

на тему: «Коррекция репликации ДНК»

Выполнила: ст. гр. 14 лс6

Муравьёва А.А.

Проверил: к.б.н., доцент

Салдаев Д.А.

Пенза 2014

Содержание

Введение

1. Определение и общие представления о репликации ДНК

2. Периоды репликации

2.1 Инициация

2.2 Элонгация

2.3 Терминация

3. Коррекция репликации ДНК

4. Конвариантная редупликация, как основа мутационной изменчивости

5. Метилирование ДНК

6. Лекарственные препараты и репликация

Заключение

Список использованных источников литературы

Введение

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 образуется одна молекула ДНК, состоящая только из родительских цепей, и одна, состоящая только из дочерних цепей; «дисперсионная» - все получившееся в результате репликации молекулы ДНК состоят из цепей, одни участки которых вновь синтезированы, а другие взяты из родительской молекулы ДНК.

Репликация ДНК - ключевое событие в ходе деления клетки. Принципиально, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определёнными механизмами регуляции репликации ДНК.

1. Определение и общие представления о репликации ДНК

Репликация ДНК-процесс передачи информации от ДНК на ДНК в результате самовоспроизведения обоих матричных нитей всей молекулы ДНК. Молекула ДНК - это структура, которая находится в хромосоме. В хромосоме только одна молекула ДНК. Молекула ДНК состоит из двух нитей или цепочек. Репликация характерна для ДНК и РНК. В настоящее время термин репликация чаще всего используют для обозначения синтеза новых цепей ДНК на матричных нитях. Репликация у животных осуществляется в ядре клетки и митохондриях. Вначале молекула ДНК деспирализуется, нити отходят друг от друга на каждой свободной нити синтезируется новая копия-дочерняя молекула ДНК. Синтез ДНК на нитях происходит в противоположных направлениях. После завершения синтеза формируются две раздельные молекулы ДНК. В каждой молекуле ДНК содержится материнская и одна дочерняя нить ,т.е. законспектирована половина материала материнской молекулы ДНК. Поэтому такой синтез называют полуконсервативым. После окончания синтеза две молекулы ДНК отходят друг от друга, но остаются соединенными в области центромер .Полностью начинают отходить молекулы ДНК друг от друга в начале профазы, когда соединяющая их центромера делится. Всё вышеперечисленное входит в понятие репликативный синтез ДНК. Этот синтез осуществляется в S-период клеточного цикла. К концу этого периода синтез прекращается.

Различают ещё один вид синтеза ДНК- репаративный .Он связан с синтезом ДНК в месте повреждения и не приурочен к какой-либо стадии клеточного цикла. Повреждения возникают в любой фазе и должны быть срочно восстановлены. В противном случае клетку ожидают неприятные последствия. Как правило, обширные повреждения ДНК в клетке не способны восстанавливаться клетка гибнет. Небольшие повреждения восстанавливаются. Причём в зависимости от того какие имеются повреждения восстановление будет касаться одной или двух цепочек ДНК небольшой протяжённости. В связи с этим такой синтез ДНК не продолжителен и не требует больших энергетических затрат. Такой синтез носит название внеплановый синтез ДНК или репаративный синтез ДНК. Напротив, репликации синтезируются заново вся молекула ДНК хромосомы ,продолжительность её измеряется часами ,при этом расходуется значительное количество энергии и заготовленного материала.

Всё, что известно в настоящее время о репликации ДНК было выяснено в результате многолетнего экспериментального обоснования основных положений модели структуры и репликации

ДНК по Д. Уотсону и Ф. Крику(1953).

Формулируя свою модель Д. Уотсон и Ф. Крик предположили, что репликация ДНК происходит в несколько последовательных этапов, а именно: разрыв водородных связей между двумя полинуклеотидными цепями и разделение последних; разматывание полинуклеотидных цепей; синтез вдоль каждой из полинуклеотидных цепей новой цепи с комплементарной последовательностью азотистых оснований. Они предположили далее, что разделение и разматывание полинуклеотидных цепей начинается с одного конца молекулы, продолжается по направлению к другому её концу и сопровождается одновременно идущим с того же конца молекулы синтезом новых полинуклеотидных цепей. Таким образом, в репликации ДНК каждая полинуклеотидная цепь действует в качестве шаблона для вновь синтезируемой полинуклеотидной цепи, причём шаблон обеспечивает выбор определённых нуклеотидных последовательностей из всех возможных последовательностей. В результате этого каждая новая молекула ДНК состоит из одной старой и одной новой, комплементарной старой. Этот способ репликации ДНК получил название полуконсервативой репликации.

Полуконсервативный характер репликации ДНК был доказан М. Месельсоном и Ф.Сталем в 1958 году.

У прокариотов репликация ДНК начинается с 0-пункта репликации ,составленного примерно 300 нуклеотидами и продолжается в двух направлениях ,образуя репликационную «вилку». Скорость движения «вилки» составляет 500 нуклеотидов в секунду. Удвоение молекулы ДНК происходит за 40 минут. Кроме того, у прокариотов действует механизм «вращающее колесо», по которому репликационная «вилка» двигается вокруг кольца ,генерируя цепи, на которых синтезируются комплементарные цепи. Изучение ферментативного синтеза ДНК компонентами которого являются ДНК-полимераза, дезоксирбонуклеозид 5-трифосфаты всех четырёх азотистых оснований ,ионы магния и ДНК-«затравка», показало ,что присутствие всех этих компонентов в смеси сопровождается добавлением мононуклеотидов к растущему концу цепи ДНК , причём они добавляются к 3-гидроксильному концу «затравочной» последовательности ,и цепь растёт в направлении от 5' к 3'-концу.

Реакция катализируется ДНК-полимеразой 3. После добавления в смесь ДНК-«затравки» синтез ДНК не прекращается даже тогда, когда количество вновь синтезированной ДНК достигает количества ДНК-«затравки». Если же один из компонентов в смеси отсутствует, частота полимеризации снижается во много раз. Отсутствие ДНК-затравки полностью исключает реакцию.

Установлено, что для репликации ДНК необходимы белки, детерминируемые генами A, B, C, G. Комплекс репликативных ферментов и белков получил название ДНК-репликазной системы.

Изучение ферментативного синтеза ДНК показано также, что копируются обе цепи, но так как цепи ДНК в спирали антипараллельны, то синтез одной цепи происходит в направлении от 5' к 3' концу, тогда как другой от 3' к 5' концу. Синтез цепи в направлении от 5 к 3 является непрерывным, тогда как синтез в направлении от 3' к 5' концу прерывен ,поскольку синтезируются короткие сегменты в направлении от 3' к 5' концу прерывен, поскольку синтезируются короткие сегменты в направлении от 5' к 3' концу, которые затем воссоединяются ДНК-лигазой. Короткие сегменты по 1000-2000 нуклеотидов получили название фрагментов Р.Оказаки. Следовательно, рост обеих цепей обеспечивается одной и той же полимеразой. Репликационная «вилка» ассиметрична. Цепь, синтезируемая непрерывно, называют лидирующей, а цепь, синтезируемую непрерывно,-запаздывающей. «Запаздывание» второй цепи связано с тем, что синтез каждого фрагмента Оказаки осуществляется только тогда, когда в результате продвижения лидирующей цепи откроется необходимый участок цепи шаблона.

Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены: (1) запаздывающая нить, (2) лидирующая нить, (3)ДНК-полимераза (Polб), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) праймаза, (7) фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза (Polд), (9)хеликаза, (10) одиночная нить со связанными белками, (11) топоизомераза

У бактерий открыты ДНК-полимеразы 1,2,3. Главной является ДНК-полимераза 3,которая отвечает за элонгацию цепей ДНК.

ДНК- полимераза 1 заполняет бреши в запаздывающей цепи, тогда как функция ДНК- полимеразы2 не совсем понятна. В случае синтез лидирующей цепи у ДНК- полимеразы имеется спаренный 3 конец, что позволяет начать полимеризацию следующей цепи. Однако для ДНК-полимеразы, синтезирующей «запаздывающую» цепь, необходима «затравка», обладающая спаренным 3 концом. Эту затравку в виде коротких сегментов РНК синтезирует из рибонуклеозидтрифосфатов ДНК-проймаза на ДНК-шаблоне запаздывающей цепи. Данный процесс характерен тем, что предшествующий синтез коротких сегментов РНК «затравливает» каждую новую инициацию синтеза ДНК. Затем включается ДНК-полимераза, полимеризуя 5- фосфат дезоксирибонуклеотидного остатка с 3'-гидроксильным концом цепи РНК, что приводит к нормальному синтезу цепи ДНК удаляется и брешь заполняется ДНК. Таким образом, роль «затравки» в синтезе фрагментов Оказаки выполняется РНК.

Репликация ДНК эукариотов характеризуется теми же механизмами, что и у прокариотов, хотя скорость полимеризации цепей является меньшей (около 50 нуклеотидов в секунду у млекопитающих). В репликации ДНК эукариотов принимают участие те же ферменты что и в случае прокариотов. Размеры ферментов Оказаки составляют 100-200 нуклеотидов.

Раскручивание двойной цепи ДНК происходит с участием трёх разных белков :белки, деспирализующие спираль. Они связываются с одноцепочечными ДНК ,помогают ДНК-геликазам раскручивать спираль и обеспечивают протяженный одноцепочечный шаблон для полимеризации; ДНК- геликазы, раскручивание ДНК. Они прямо вовлечены в катализационирование раскручивания; ДНК-гиразы, которые катализируют формирование негативных супер витков в ДНК. У эукариотов известно пять ДНК-полимераз, из которых главную роль в репликации играют полимеразы альфа и сигма. Начинает альфа-полимераза.

Синтез из ведущей и «запаздывающей» цепей, поскольку только она обладает «затравочной» активностью. Дальнейшую элонгацию лидирующей цепи осуществляет сигма-фермент , а «запаздывающей» цепи -Е- или альфа-фермент. Завершает репликацию «запаздывающей» цепи Y-фермент ,который является митохондриальным.

Установлен также белок (циклин),который синтезируется в S-фазе клеточного цикл также необходим для репликации ДНК.

Спирализацию ДНК после репликации обеспечивают ферменты ДНК-топоизомеразы. Процесс репликации ДНК характеризуется исключительной точностью. Фрагменты Оказаки , продуцируемые в ДНК у эукариотов, имеют длину от 20 до 100 пар нуклеотидов. Это, возможно, связано с тем, что у эукариотов синтез ДНК более медленный (одна молекула ДНК в минуту) по сравнению с прокариотами (30 молекул в минуту).

Удвоение хромосом у эукариотов является сложным процессом, поскольку включает не только репликации гигантских молекул ДНК, но и синтез связанных с ДНК гистонов и негистоновых хромосомных белков. Конечный этап-упаковка ДНК и гистонов в нуклеосомы. Считают, что удвоение хромосом также имеет полуконсервативный характер.

Репликационное поведение хромосом основывается на 3 функциональных свойства, а именно: непосредственно репликация, секрегация хромосом при репликации ДНК и делении клеток, а также репликация и предохранение концов хромосом.

0-пункты репликации существуют в хромосомах организмов-эукариотов, состоящих из определённых последовательностей азотистых оснований, причём являются множественными. Эти пункты получили название автономно реплицирующихся последовательностей. Определение количества репликационных «вилок» показало, что они удалены один от другого на расстоянии 30000-300000 пар азотистых оснований. В результате этого по каждой хромосоме двигаются много репликационных «вилок» ,причём одновременно и независимо дна от другой. Инициацию репликации ДНК обеспечивают белки, связанные с 0-пунктом репликации, а также белки -киназы. Последние ответственны за выход ДНК из репликации. Но как действуют эти механизмы- это вопрос, который ещё не получил разрешения. За сегрегацию хромосом в дочерние клетки ответственны центромеры.

В репликаци и предохранении концов хромосом имеют значение так называемые теломеры, представляющие собой повторяющиеся последовательности ДНК длиной 5-10 азотистых оснований. Их роль заключается в обеспечении доступа ДНК-полимеразы к концам цепей ДНК. Вновь образованные хромосомы содержат как старые гистоны, так и вновь синтезированные, контроль которых у млекопитающих осуществляется 20 генными блоками, каждый из которых содержит по 5 гистоновых генов.

Однако репликация эукариотической ДНК имеет и существенное отличие от репликации прокариотической ДНК. Когда ДНК эукариотов метят Н-тимидином, а затем экстрагируют из хромосом и изучают методом радиографии,то при этом наблюдают тандемный порядок радиоактивности. Это свидетельствует о том, что одиночные молекулы ДНК содержат множественные 0-пункты репликации. Например, в ДНК клеток млекопитающих 0-пукты встречаются через каждые 40000-200000 пар оснований. Экспериментальные данные указывают на то, что репликация хромосомы эукариотов происходит в двух направлениях, поскольку репликационные «вилки» двигаются в двух направлениях из центральных 0-пунктов к репликационным терминусам (пунктам остановки репликации). Сегмент хромосомы, чья репликация находится под контролем одного 0-пункта и двух терминусов, является единицей репликации и её называют репликоном. Размеры эукариотических репликонов зависят от вида организмов, но в общем они составляют около 10-100 нм.

Одним из основных свойств материала наследственности является его способность к самокопированию-репликация. Это свойство обеспечивается особенностями химической организации молекулы ДНК, состоящей из каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуется две идентичные двойные спирали. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным. дезоксирибонуклеиновый элонгация редупликация

Для осуществления репликации материнской ДНК должны быть отделены друг от друга, чтобы стать матрицами, на которых будут синтезироваться комплементарные цепи дочерних молекул.

Инициация репликации осуществляется в особых участках ДНК. Они включают последовательность, состоящую из 300 нуклеотидных пар, узнаваемую специфическими белками. Двойная спираль ДНК в этих локусах разделится на две цепи, при этом, как правило, по обе стороны от точки начала репликации образуются области расхождения олинуклеотидных цепей-репликационные вилки, которые движутся в противоположных от локуса направлениях. Между репликационными вилками образуется структура, называемая репликационным глазком, где на двух цепях материнской ДНК образуются новые полинуклеотидные цепи.

С помощью фермента геликазы, развивающего водородные связи, двойная спираль ДНК расплетается в точках начала репликации. Образующиеся при этом одинарные цепи ДНК связываются специальными дестабилизрующими белками, которые растягивают остовы цепей, делая их азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами ,находящимися в нуклеоплазме. На каждой из цепей, образующихся в области репликационной вилки, при участии фермента ДНК-полимеразы осуществляется синтез комплементарных цепей. В процессе синтеза репликационные вилки движутся вдоль материнской спирали в противоположных направлениях, захватывая всё новые зоны.

Разделение спирально закрученных цепей родительской ДНК ферментом геликазой вызывает появление супер витков перед репликационной вилкой. Это объясняется тем, что при расхождении каждых 10 пар нуклеотидов, образующих один виток спирали, родительская ДНК должна совершить один полный оборот вокруг своей оси. Следовательно, для продвижения репликационной вилки вся молекул ДНК перед ней должна была быстро вращаться, что потребовал бы большой затраты энергии. В деятельности это не наблюдается благодаря особому классу белков ,называемых ДНК-топоизомеразами. Топоизомераза разрывает одну из цепей ДНК, что даёт ей возможность вращаться вокруг второй цепи. Это ослабляет накопившееся напряжение в двойной спирали ДНК.

К высвобождающимся водородным связям полинуклеотидных последовательностей разделённых родительских цепей присоединяются свободные нуклеотиды из нуклеоплазмы, где они присутствуют в виде дезоксирибонуклеинозидтрифосфатов:дАТФ;дГТФ;дЦТФ;дТТФ. Комплементарный нуклеозидтрифосфат образует водородные связи с определенным основанием материнской цепи ДНК. Затем при участии фермента ДНК-полимеразы он связывается фосфодиэфирной связью с предшествующим нуклеотидом вновь синезируемой цепи, отдавая при этом неорганический пирофосфат.

Поскольку ДНК-полимерза присоединяет очередной нуклеотид к ОН-группе в 3-положении предшествующего нуклеотида, цепь постепенно удлиняется на её 3'-конце.

Особенностью ДНК-полимеразы является её неспособность начать синтез новой полинуклеотидной цепи путём простого связывания двух нуклеозидтрифосфатов :необходим 3-ОН-конец какой-либо полинуклеотидной цепи, спаренной с матричной цепью ДНК, к которой ДНК-полимераза может лишь добавлять новые нуклеотиды. Такую полинуклеотидную цепь называют затравкой или праймером.

Роль затравки для синтеза полинуклеотидных цепей ДНК в ходе репликации выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участии фермента РНК-праймазы. Указанная особенность ДНК-полимеразы означает, что матрицей при репликации может служить лишь цепь ДНК, несущая спаренную с ней затравку, которая имеет свободный 3-ОН-конец. Способность ДНК-полимеразы осуществлять сборку полинуклеотида в направлении от 5' к 3' концу при антипараллельном соединении двух цепей ДНК означает, что процесс репликации должен протекать на них по-разному. Действительно, если на одной из матриц (3->5) сборка новой цепи происходит непрерывно от 5' к 3'-концу и она постепенно удлиняется на 3-конце,то другая цепь, синтезируемая на матрице(5->3) должна была бы расти от 3 к 5 концу. Это противоречит направлению действия фермента ДНК-полимеразы.

В настоящее время установлено, что синтез второй цепи ДНК осуществляется короткими фрагментами (фрагмент Оказаки) также в направлении от 5' к 3' концу.

У прокариот они значительно короче (от 100-до 200 нуклеотидов). Синтезу каждого такого фрагмента предшествует образование РНК-затравки длиной около 10 нуклеотидов. Вновь образованный фрагмент с помощью фермента ДНК-лигалазы соединяется с предшествующим фрагментом после удаления его РНК-затравки.

В связи с указанными особенностями репликационная вилка является ассиметричной. Из двух синтезируемых дочерних цепей одна строится непрерывно, её синтез идёт быстрее и эту цепь называют лидирующей. Синтез другой цепи идёт медленнее, так как она собирается из отдельных фрагментов, требующих образования, а затем удаления РНК-затравки. Поэтому такую цепь называют запаздывающей. Хотя отдельные фрагменты образуются в направлении 5'->3',в целом эта цепь растёт в направлении 3'->5'.

В виду того, что от локуса как правило начинаются две репликационные вилки, идущие в противоположных направлениях, синтез лидирующих цепей в них идёт на разных цепях материнской ДНК.

Конечным результатом процесса репликации является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых идентична таковой в материнской двойной спирали ДНК. Рассмотренная последовательность событий, происходящих в ходе репликативного синтеза, предполагает участие целой системы ферментов :геликазы, топоизомеразы, дестабилизирующих белков, ДНК-полимеразы и других, совместно действующих в области репликационной вилки.

Репликация ДНК у про- и эукариот в основных чертах протекает сходно, однако, скорость синтеза у эукариот (коло 100нуклеотидов/с) на порядок ниже, чем у прокариот (1000 нуклеотидов/с).

Причиной этого может быть образование ДНК эукариот достаточно прочных соединений с белками, что затрудняет её деспирализацию, необходимую для осуществления репликативного синтеза.

Фрагмент ДНК от точки начала репликации до точки её окончания обрзует единицу репликации - репликон. Однажды начавшись в точке начала, репликация продолжается до тех пор, пока весь репликон не будет дуплицирован. Кольцевые молекулы ДНК прокариотических клеток имеют один локус и представляют собой целиком отдельные репликоны. Эукариотические хромосомы содержат большое число репликонов. В связи с этим удвоение молекулы ДНК, расположенной вдоль эукариотической хромосомы ,начинается в нескольких точках. В разных репликонах удвоение может идти в разное время или одновременно.

Для поддержания главных характеристик клетки или организма на протяжении их жизни ,а также в ряду поколений наследственный материал должен отличаться устойчивостью к внешним воздействиям или должны существовать механизмы коррекции возникающих в нем изменений. В живой природе используются оба фактора. Третьим фактором является точность копирования нуклеотидных последовательностей материнской ДНК в процессе её репликации.

По репликационной способности молекулы ДНК относятся к категории химически инертных веществ

2. Периоды репликации

Для репликации характерны три периода:

1.Инициация

2.Элонгация

3.Терминация

2.1 Инициация

Репликация начинается в нескольких точках молекулы ДНК. Это связано с тем, что размер генома типичной клетки млекопитающий составляет около 109 пар нуклеотидов. В ДНК средней по величине хромосомы человека содержится несколько десятков миллионов па нуклеотидов. При скорости репликации примерно 1000 пар нуклеотидов в минуту для полного завершения репликации молекулы ДНК в хромосоме понадобится несколько суток. Для клетки такой срок репликации генома совершенно не приемлем, так как во время репликации ДНК не осуществляется важный процесс - транскрипция РНК. Оба процесса- синтез ДНК и РНК, с их громоздким ферментативным обеспечением, одновременно на матрице происходить не могут. Поэтому в момент репликации происходит частичное выключение транскрипции. Это само по себе опасно, так как отсутствие экспрессии генов приводит к недостатку белков-ферментов, и следовательно, к нарушению нормального течения метаболизма. Это опасный для клетки момент в какой-то мере нивлируется тем, что в период предсинтеза ДНК в цитоплазме клетки заранее накапливается достаточно материала для поддержания экспрессии генов в период репликации

ДНК на необходимом для жизнедеятельности клетки уровне. Поэтому во время синтеза ДНК трансляция осуществляется, транскрипция же практически не идёт. Понятно, что в этих условиях необходимы механизмы, которые до предела сократили бы время репликации ДНК хромосом. Один из таких механизмов, созданный в эволюции, достаточно прост-репликация начинается одновременно в нескольких точках молекулы ДНК. Приблизительные расчёты показали, что в молекуле ДНК одной хромосомы таких точек может быть до нескольких тысяч. Такое большое количество мест, с которых начинается репликация ДНК хромосомы, несомненно, существенно сокращает время её синтеза. Точки, в которых начинается репликация, носит название точки начала репликации или ориджин, орисайт. Эти точки представляют собой небольшие участки ДНК с определённой специфической последовательностью нуклеотидов. Начальным моментом репликации является присоединение к ори-сайтам специальных белков-инициаторных белков.

Два положения ори-сайтов. Во-первых, репликация начинается не со всех точек одновременно. В одних точках она может пройти значительный участок, а в других только начаться. Во-вторых, от ори-сайтов процесс синтеза ДНК может двигаться в одном направлении или сразу в обоих, противоположных направлениях- двунаправленная репликация. У эукариот чаще всего наблюдается второй тип репликации.

Наличие ори-сайтов привело к созданию понятия репликон. Репликон -это фрагмент матричной ДНК на котором идёт автономный синтез дочерней ДНК. Он начинается с точки репликации и заканчивается отточкой, где фермент заканчивает репликацию.

У репликона три основных свойства:

1.Он автономен.

2.Обеспечивет процесс синтеза ДНК.

3.Имеет собственное ферметативное обеспечение.

Если репликация однонаправлена, то протяжённость репликона соответствует промежутку между ори -сайтами, например репликон Б-В. Если же репликация двунаправлена (например, между ори-сайтами Г-Д), то между этими точками будут располагаться два репликона Г-Е и Д-Е, где Е-конец двух различных прцессов репликации имеющих собственное ферментативное обеспечение. Как показали эксперименты, определить среднюю протяжённость одного репликона, достаточно трудно. Чаще всего за репликон принимают последовательность ДНК, ограниченную двумя ори-сайтами.

В точке начала репликации происходят, события которые связаны с присоединением к инициаторному белку других ферментов запускающих целый ряд подготовительных процессов. В соответствии с очередностью эти события располагаются в следующем порядке:

1.Образование репликационной вилки.

2.Образование РНК-затравки

Образование репликационной вилки происходит в точках начала репликации. Вилка репликации представляет собой отошедшие друг от друга свободные нити матричной ДНК, на которых происходит синтез дочерних нитей ДНК. Две вилки репликации образуют глазок репликации.

В обоих вилках репликации происходит синтез ДНК в противоположых направлениях. В глазке репликации вилки двигаются, расплетая ДНК в противоположных направлениях.

Образованию вилок репликации предшествует целый ряд подготовительных процессов, которые, как правило, располагаются в следующем порядке.

- Освобождение молекулы ДНК от связи с гистонами в нуклеосоме.

- Деспирализация ДНК.

- Разрыв водородных связей между нитями матричной ДНК.

- Расхождение нитей ДНК.

- Фиксация матричных нитей ДНК.

Освобождение молекулы ДНК от связи с гистонами необходимого элемента периода инициации. В ядре клеток ДНК практически никогда не находится в свободном состоянии. Она связана с гистоновыми белками тетрамера и гистоном Н1. Кроме того, с ДНК взаимодействуют различные негистоновые белки, двухвалентные металлы, липиды и другие соединения. Всё это приводит к сильной спирализации отдельных участков ДНК в предсинтетическом периоде. В основе процесса освобождения ДНК от связей с окружающими молекулами лежит несколько химических реакций осуществляемых ферментами- метилирование, ацетилирование и фосфолирование положительно заряженных групп гистоновых и негистоновых белков. В результате белки теряют положительный заряд, их связи с отрицательно заряженной молекулой ДНК становятся слабыми. Это способствует высвобождению ДНК.

Сразу же после освобождения о связей с белком происходит процесс деспирализации ДНК. Этот процесс необходим для последующего освобождения нитей ДНК от связи друг с другом. Важное значение имеет и другой процесс. Нити молекулы ДНК не просто лежат параллельно друг другу, они взаимно закручены. Существует множество способов раскрутки спиралей. При фиксации одного конца и разведение противоположных концов создаются дополнительные силы, приводящие к формированию вторичных супер спиралей. При втором способе раскручивание приведёт к вращению свободного конца, а это может превратить ядро в субмолекулярный миксер, что не безопасно для клетки. Репликативный глазок (состоит из двух репликативных вилок).

Принцип раскручивания спирали до конца не ясен. Суть его в том, что специальный фермент производит временный одноцепочечный разрыв в одной нити ДНК. И через этот разрез происходит противоположная нить ДНК. При этом один виток спирали расплетается. Затем разрез ликвидируется. Процесс разрезания, расплетения и сшивки может повторяться множество раз по мере продвижения репликационной вилки по молекуле ДНК.

Все реакции, связанные с раскручиванием нитей ДНК-осуществляют ферменты топоизомеразы. Аналогичным образом действуют эти ферменты и при другом процессе-транскрипции. Специальные ферменты (хеликаза) разрывают водородные связи между противоположными нитями ДНК делая их свободными.

Освобождённые из дуплекса нити ДНК долго оставаться в свободном состоянии не могут. Они или вновь соединятся или взаимодействуют с активными реагентами из окружающего пространства, или формируют шпильки. Любой вариант способен нарушить нормальный ход репликации.

Для предотвращения этого существуют специальные белки SSB-белки. Эти белки обладают сродством к одноцепочечной ДНК и с появлением последней сразу же соединяются с ней на всём протяжении, составляя жёсткий каркас, препятствуя не только её реакциям, но и образованию шпилек. Важным свойством белков является то, что они оставляют открытыми для реакций нуклеиновые основания одноцепочечной нити ДНК, что чрезвычайно важно для последующего синтеза дочерних нитей ДНК.

Образование РНК-затравки.

После завершения всех процессов репликативная вилка почти готова к синтезу ДНК. Для полной готовности ДНК к репликации не хватает одной существенной детали. Синтез дочерних нитей в соответствии с матричными свободными нитями ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза. Однако начать процесс синтеза новой нити этот фермент не может. Он способен продолжить синтез уже начатой цепочки. Поэтому другой фермент ДНК зависимая РНК-полимераза (ДНК-проймаза) вначале синтезирует на обоих, разошедшихся в репликационной вилке матричных нитях ДНК, небольшой участок РНК. Эта РНК носит название РНК-затравка. РНК-затравки синтезируются параллельно матричным нитям ДНК по принципу комплементарности. Причём на одной нити РНК-затравка синтезируется начиная с ори-сайт в сторону вилки репликации, на оппозитной нити РНК-затравка синтезируется отступя от ори-сайта в его сторону. Синтезом двух РНК-затравок на двух противоположных нитях матричной ДНК заканчивается период инициации.

2.2 Элонгация

Фермент ДНК-полимераза начинает синтез новых нитей ДНК с 3 концов двух РНК-затравок. При таком синтезе дочерние молекулы ДНК а матричных нитях будут синтезироваться в потивоположных направлениях.

Элонгация начинается с присоединения одного нуклеотида к 3 концу РНК-затравки. Это присоединение осуществляет фермент ДНК-полимераза.

К первому нуклеотиду ДНК-полимераза присоединяет второй, третий нуклеотид в соответствии с принципом комплементарности к нуклеотидам ,находящимся на матричной нити ДНК. Основания нуклеотидов новой и матричной нити соединяются водородными связями. Поскольку синтез новой нити ДНК начинается с 3' конца РНК-затравки, к которому присоединяется 5 конец первого нуклеотида ДНК, то принято считать, что синтез дочерней нити ДНК происходит в направлении 5'->3'.

На той нити, где синтез дочерней нити идёт в сторону вилку репликации,он идёт непрерывно, и по мере раскручивания нити фрагмент синтезированный ДНК будет постоянно удлиняется. Чем дальше продвигается вилка репликации, тем длиннее будет вновь синтезированная цепь ДНК. Эту нить ДНК называют непрерывной, лидирующей или ведущей. В дальнейшем никаких РНК-затравок на матричной нити ДНК ,с которой реплицируется лидирующая нить не формируется.

Сложнее происходит синтез дочерней ДНК на противоположной нити материнской ДНК, которая имеет направление 5'->3'. К синтезированой на этой нити РНК-затравка нуклеотиды будут присоединяться также к 3' и новая цепь будет синтезироваться в сторону от вилки репликации. Эту нить дочерней ДНК называют отстающей, запаздывающей. Таким образом ,в репликативной вилке одновременно синтезируются две дочерние нити ДНК-ведущая (она синтезируется в направлении вилки репликации) отстающая (синтезируется в направлении от вилки репликации), то есть направление синтеза обоих дочерних цепей противоположно.

Синтез запаздывающей нити ДНК происходит не постоянно, а фрагментами. После окончания синтеза одного фрагмента вблизи репликационной вилки вновь происходит синтез РНК-затравки. С 3 этой затравки вновь начинается синтез дочерней нити ДНК в направлении РНК-затравки и по её достижению синтез вновь прекращается - сформировался второй фермент ДНК, который начинается от репликации РНК-затравки. Фактически на отстающей цепи мы имеем два фрагмента ,которые состоят из соединённых друг с другом РНК и ДНК. Один фрагмент ДНК начинается с РНК-затравки. На запаздывающей нити синтезировался третий участок РНК-затравки. Последующие раунды репликации повторяются-тпоизомераза раскручивает очередной виток спирали ДНК, хелаза разрывает водородные связи между нитями ДНК и они расходятся, белки SSB фиксируют нити ,лидирующая цепь продолжает удлиняться, на отстающей цепи ситезируется третий фрагмент РНК-затравки и с его 3' конца начинает синтезироваться новый фрагмент Оказаки. Затем на отстающей нити ДНК РНК-затравки разрушаются и оставшиеся фрагменты ДНК соединяются в единую цепь. Таким образом, на отстающей нити идут непрерывно четыре процесса: образование новых РНК-затравок ,синтез с их 3' конца фрагментов Оказаки, разрушение РНК-затравок и воссоединение фрагментов в единую цепь.

2.3 Терминация

Синтез ДНК продолжается до тех пор, пока не встретятся две репликативные вилки или когда репликативная вилка не подойдёт к концу молекулы ДНК в хромосоме. После встречи репликативных вилок, синтезированные дочерние цепи ДНК из соседних вилок соединяются ферментом. Сложнее происходит терминация в случае если репликативная вилка подошла к концу молекулы ДНК. Но и здесь репликацию прекращают специальные ферменты.

3. Коррекция репликации

При репликации ДНК происходит важный процесс коррекции вставляемых нуклеотидов. В область синтеза ДНК поступают все четыре нуклеотида. ДНК полимераза отбирает нужного предшественника путём пробного спаривания его с нуклеотидом ДНК матрицы.

Правильность подобранного нуклеотида оценивается по нескольким параметрам, два из которых наиболее существенны. Во-первых, подобранный нуклеотид должен формировать столько же водородных связей, столько и нуклеотид на матричной нити. Во-вторых, расстояние между сахарофосфатными остовами должно быть постоянно и должно соответствовать трём кольцам в двух основаниях (одно кольцо в одном основании и два кольца в другом). Если же претендент нуклеотид и нуклеотид в матрице будут содержать по два кольца в молекуле или по одному, то соединения не происходит.

Проверка правильного включения нуклеотида в растущую цепь производится дважды: один раз перед включением его состав растущей цепи и второй раз перед включением следующего нуклеотида. После того как прошла проверка на совместимость нуклеиновых оснований, формируется связь в сахарофосфатном остове.

4. Конвариантная редупликация, как редупликация мутационной изменчивости

Несмотря на высокую точность процессов репликации и эффективно работающую систему коррекции во вновь синтезированных нитях ДНК всегда имеются нарушения. Эти дефекты именуют чаще всего на «генные мутации». Подсчёты показали, что они происходят с частотой 1 ошибка на 1010 пар нуклеотидов. Редупликация, происходящая с ошибками носит название конвариантная редупликация.

В основе нарушений лежат самые различные причины. Например, высокая или наоборот очень низкая концентрация нуклеотидов в месте синтеза, спонтанная потеря пуриновых оснований, дезаминирование цитозина, который превращается в урацил, под действие ультрафиолетового облучения, присутствия в месте синтеза химических мутагенов и так далее. Судьба возникших неоднозначна. Они могут быть справлены репарационными процессами. Это и наиболее благоприятный для клетки вариант. В некоторых случаях мутация в молекуле ДНК не исправляется. При этом возможны два варианта разворачивания событий.

Если повреждение молекулы ДНК затронуло функционально не активную область ДНК, то фенотипически такая ошибка не будет выявляться, и как правило, никаких тяжёлых последствий наблюдаться не будет. Иное дело если ошибка спаривания произошла в нуклеотидных последовательностях какого-либо гена. В этом случае вероятнсть проявления фенотипических нарушений увеличивается. Это может привести к гибели клетки или целого организма. При этом вместе с погибшей клеткой элиминируется и дефект ДНК. И, наконец следует учитывать ,что генные мутации лежат в основе мутационной изменчивости. А она приводит к возникновению множественных аллелей, которые делают генофонд популяций более пластичным.

5. Метилирование ДНК

И в заключении необходимо остановиться на важном прцессе,который происходит в момент или сразу же после синтеза дочерних цепей ДНК- метилирование вновь синтезированных цепей. У человека специальный фермент ДНК-метилаза метилирует цитозин,присединяя к нему группы CH3. Процесс метилирования скорее всего необходим для формиования структуры хромосом (упаковки ДНК) и регуляции транскрипции генов. Кроме того,метилирование способствует инактивации одной Х-хромосомы у млекопитающих.

6. Лекарственные препараты и репликация

Процесс репликации подвержен воздействию самых разных факторов и в частности лекарственных препаратов.

Так, например, дауномицин и другие противоопухолевые препараты имеют в своей молекуле плоскую циклическую структуру, которая встраивается (инеркалируется) между парами оснований. Это ведёт к локальному изменению структуры ДНК, в результате чего ферменты репликации прекрашают свою работу. Например, топоизомераза теряет способность деспирализовать ДНК в месте интеркаляции.

Такие алкилирующие вещества, как тиофосфалид модифицируют основания путём присоединения к ним алкильных группировок. Если фермент репликации встречают это основание, их работа может прекратиться.

Ингибитор ДНК-топоизомераза - новобиоцин, вмешиваясь в работу фермента прекращается деспирализация ДНК ,а следовательно и синтез РНК.[6]

Заключение

1.Процесс является важным молекулярным механизмом ,лежащим в основе всех разновидностей деления клеток проэукариот.

2.Обеспечивает все типы размножения как одноклеточных, так и многоклеточных организмов.

3.Поддерживает постоянство клеточного состава органов ,тканей и организма в результате физиологической регенерации.

4.Обеспечивает длительное существование отдельных индивидуумов.

5.Обеспечивает длительное существование видов организма.

6.Процесс способствует точному удвоению информации.

7.В процессе репликации возможны ошибки, что может приводить к нарушениям синтеза белков с развитием патологических изменений.

Список использованных источников литературы

1.Биология - Пехов А.П.

2.Биология - Ярыгин В.Н.

3. http://estnauki/ru

4. http://ru.m.wikipedia.org

5. http:www.medbio-kgmu.ru

6. http://длямедик.рф

7. http://www.epigenetiki.net

8. http://meduniver.com

9. http://sbio.info

10. http://www.ebio.ru

Размещено на Allbest.ru