Репликация у про- и эукариот

Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки РФ

Пензенский государственный университет

Кафедра "Общая биология и биохимия"

Реферат

на тему: "Репликация у про- и эукариот"

по дисциплине "Молекулярная биология гена"

Направление подготовки - 06.03.01 Биология

Профиль подготовки - Биохимия

Выполнил студент: Зубанова М.В.

Проверил:к. б. н., проф. Соловьев В. Б.

Пенза, 2017

Содержание

Введение

1. Молекулярный механизм репликации

2. Ферменты, осуществляющие репликацию

3. Синтез дочерних цепей

4. Виды репликации у бактерий

5. Различия репликации прокариот и эукариот

Заключение

Список литературы

Введение

Одним из основных свойств ДНК является её способность к репликации. Репликация - это процесс самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу её от поколения поколению.

В основе механизма репликации лежит ферментативный синтез одной цепи ДНК на другой цепи-матрице ДНК. (Примечание: в литературе возможно встретить синонимичные названия этого процесса - авторепродукция, редупликация, ауторепликация.) Свойство репликации обусловлено оригинальной химической структурой ДНК, состоящей из двух комплементарных цепей.

В процессе репликации на каждой из двух полинуклеотидных цепях материнской молекулы ДНК синтезируются комплементарные им цепи. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, назван полуконсервативным.[1]

1. Молекулярный механизм репликации

Наблюдения с помощью электронного микроскопа показали, что репликация начинается не с конца линейной молекулы. Например, у фага Т7, имеющего линейную молекулу ДНК, репликация начинается на внутреннем участке на 17% длины всей молекулы, от левого конца.

Репликация как у про-, так и у эукариот начинается с образования особой структуры - репликативного глаза, где две цепи родительской ДНК отделяются друг от друга, и в местах расхождения полинуклеотидных цепочек начинается синтез дочерних цепей.

Это приводит к появлению в молекуле ДНК петли в виде участка, расплетенного на две отдельные нити (рис. 1).

Рис. 1. Однонаправленная и двунаправленная репликация ДНК

Участок нуклеиновой кислоты, с которого начинается репликация называется точкой инициации репликации или ориджином. Этот участок содержит последовательность, состоящую из 300 нуклеотидов. Именно эта последовательность узнается специальными белками, необходимыми для начала репликации. Область расхождения двойной спирали ДНК на одинарные полинуклеотидные цепочки в зонах репликации называют репликативной вилкой (репликационной вилкой). Постепенное разъединение цепей молекулы ДНК происходит при разрыве водородных связей между пуринами и пиримидинами.

Репликация может происходить либо в одном, либо в дух направлениях. При однонаправленной репликации (рис. 1, Б) вдоль ДНК движется одна репликационная вилка. При двунаправленной репликации (рис. 1, В) от точки начала в противоположных направлениях расходятся две репликативные вилки. генетический репликация синтез эукариотический

На определённом расстоянии от точки инициации молекула ДНК содержит участок, в котором репликация останавливается. Этот участок ДНК носит название точки терминации репликации.

Участок ДНК от точки инициации репликации до точки ее окончания образует единицу репликации - репликон. Начавшись в точке инициации, репликация продолжается до тех пор, пока весь репликон не будет дуплицирован. Кольцевые молекулы ДНК прокариотических клеток имеют один локус ori и представляют собой целиком отдельные репликоны. Эукариотические хромосомы содержат большое число репликонов. Поэтому удвоение молекулы ДНК, начинается в нескольких точках. Это ускоряет процесс репликации больших молекул ДНК эукариот. В разныхрепликонах удвоение может идти в разное время или одновременно.

2. Ферменты осуществляющие репликацию

Первоначально механизм репликации ДНК был изучен у прокариотических организмов. Было установлено, что самокопирование ДНК осуществляется при посредстве комплекса специальных ферментов. Функции основных ферментов этого комплекса рассмотрены ниже.

Рис. 2. Область репликационной вилки в молекуле ДНК.

Для осуществления репликации цепи материнской ДНК должны быть отделены друг от друга, чтобы стать матрицами, на которых будут синтезироваться комплементарные цепи дочерних молекул (рис. 2). Такое разделение комплементарных полинуклеотидных цепочек происходит с помощью фермента геликазы.

Двойная спираль ДНК в определённой зоне (локус ori) расплетается. К образующимся при этом одноцепочечным участкам прикрепляются специальные белки. Их называют дестабилизирующими белками или SSB-белками. Молекулы этих белков выстраиваются вдоль полинуклеотидных цепей, растягивают их остов.

В результате азотистые основания разъединённых цепей становятся доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами, поступающими из нуклеоплазмы.

В каждой репликативной вилке при участии фермента ДНК-полимеразысинтезируется ДНК двух новых дочерних молекул. Процесс этот достаточно сложен и будет рассмотрен ниже. В процессе синтеза ДНК репликационная вилка движется вдоль материнской спирали, захватывая все новые зоны.

ДНК-полимераза E. coli состоит из одной полипептидной цепи, содержащей около 1000 аминокислотных остатков. В одной бактериальной клетке содержится около 300 молекул этого фермента Геликаза, разделяя спирально закрученные цепи материнской ДНК, вызывает появление супервитков (т.е. сильную спирализацию молекулы ДНК) перед репликационной вилкой. Супервитки ДНК возникают потому, что при расхождении каждых 10 пар нуклеотидов, образующих один виток спирали, материнская ДНК должна совершить один полный оборот вокруг своей оси. Следовательно, для продвижения репликационной вилки верёд вся молекула ДНК перед ней должна была бы быстро вращаться. Такое вращение потребовало бы большой затраты энергии.

В действительности же вращения не происходит благодаря действию особого фермента - ДНК-топоизомеразы. Топоизомераза разрывает одну из цепей ДНК и совершает оборот вокруг второй (целой) цепи как вокруг оси вращения (рис. 3). Это устраняет супервитки и ослабляет накопившееся напряжение в двойной спирали ДНК. После снятия избыточного напряжения фермент восстанавливает разорванную цепь.

Рис. 3. Разрыв одной из цепей ДНК с помощью фермента ДНК-топоизомеразы.

В настоящее время известно, что суперспирализацию снимает несколько топоизомераз. Описанные выше действия (разрез одной цепочки ДНК и оборот вокруг второй, целой цепи) совершает топоизомераза I. Другой фермент - топоизомераза II создаёт временный двухцепочечный разрыв и, удерживая вместе оторванные друг от друга концы цепей, манипулирует ими. Действия этого фермента позволяют распутывать сложные петли и узлы

Освобождающиеся водородные связи нуклеотидов двух разъединённых родительских цепей служат своеобразными магнитами, притягивающими из нуклеоплазмы свободные нуклеотиды, которые находятся в нуклеоплазме в виде дезоксирибонуклеозидтрифосфатов: дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ. Комплементарный нуклеозидтрифосфат образует водородные связи с комплементарным основанием материнской цепи ДНК. Затем при участии фермента ДНК-полимеразы он связывается фосфодиэфирной связью с предшествующим нуклеотидом вновь синтезируемой цепи, отдавая при этом неорганический пирофосфат (рис. 4).

Рис. 4. Присоединение очередного нуклеотида к дочерней цепи ДНК, синтезируемой при участии ДНК-полимеразы: Ф-Ф - пирофосфат.

ДНК-полимераза присоединяет очередной нуклеотид к ОН-группе только в 3'-положении предшествующего нуклеотида. Поэтому цепь постепенно удлиняется на ее 3'-конце.

Особенностью ДНК-полимеразы является ее неспособность начать синтез новой полинуклеотидной цепи путем простого связывания двух нуклеозидтрифосфатов. Ей 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 праймером или затравкой. Праймером для начала синтеза цепи ДНК является короткая последовательность РНК, образуемая на ДНК при участии фермента РНК-праймазы(рис. 5). Длина праймеров варьирует от 10 до 100 нуклеотидов.

Рис. 5. Схема реакции синтеза короткой РНК-затравки, катализируемой РНК-праймазой.

Так как ДНК-полимераза способна осуществлять сборку полинуклеотида только в одном направлении - от 5'- к 3'-концу, то процесс репликации протекает на антипараллельных цепях-матрицах ДНК по-разному (см. рис. 2.23). На одной из матриц (3'>5') сборка новой цепи происходит непрерывно от 5'- к 3'-концу и она постепенно удлиняется на 3'-конце. Другая цепь, синтезируемая на матрице (5'>3'), должна расти от 3' к 5'-концу, но это противоречит направлению действия фермента ДНК-полимеразы. В настоящее время установлено, что синтез второй цепи ДНК осуществляется также в направлении от 5'- к 3'-концу, но не непрерывно, а многочисленными короткими фрагментами, получившими название фрагментов Оказаки. Так они названы в честь открывшего этот процесс молекулярного генетика РейджиОказаки

Суть репликации второй цепи ДНК фрагментами Оказаки состоит в следующем. Синтез каждого нового фрагмента Оказаки начинается с образования РНК-затравки. После того, как образуется новый фрагмент ДНК, он должен быть соединён с ранее синтезированной дочерней цепью полинуклеотидов. Но перед этим у самого последнего из синтезированных фрагментов должна быть удалена затравка. Удаляет эту затравку и присоединяет новый фрагмент к ранее синтезированной цепи фермент ДНК-лигаза.

3. Синтез дочерних цепей

Из-за различий в механизмах синтеза копий на двух разных цепях материнской ДНК репликативная вилка асимметрична. Из двух синтезируемых дочерних цепей одна строится непрерывно. Поэтому её синтез идет быстрее. Поэтому эту цепь называют лидирующей. Синтез другой цепи идет медленнее, потому что она собирается из отдельных фрагментов, требующих многократного формирования, а затем удаления РНК-затравки. Поэтому эту цепь называют запаздывающей (отстающей). Хотя на ней отдельные фрагменты образуются в направлении 5'>3', в целом эта цепь растет в направлении 3'>5'.

Процесс репликации завершается образованием двух дочерних молекул ДНК. Их нуклеотидные последовательности идентичны нуклеотидным последовательностям материнской двойной спирали ДНК. Завершение репликации происходит в специальных участках ДНК. У E. coli они называются ter-сайтами и содержат короткую последовательность (около 23 пар) нуклеотидов.[3]

У E. coli обнаружены две группы ter-сайтов. В первой группе ter-сайтов останавливается движение первой репликационной вилки, во второй группе ter-сайтов - движение второй. Они располагаются примерно в 100 тпн от той точки, в которой встречаются вилки репликации.

Для окончания репликации ДНК необходим специальный белок. У бактерии E. coli он кодируется геном tus. Этот белок распознаёт терминаторную последовательность, связывается с ней и останавливает дальнейшее продвижение вилки репликации.

Таким образом, репликация ДНК является сложным процессом, в котором участвует большое количество ферментов (рис. 6). ДНК-геликаза расплетает двойную спираль, разделяя её полинуклеотидные цепи. Дестабилизирующие белки выпрямляют участок цепи ДНК и предотвращают восстановление двойной спирали. ДНК-топоизомераза разрывает фосфодиэфирную связь в одной из полинуклеотидных цепей ДНК, снимая напряжение, вызываемое расплетением спирали и расхождением цепей в репликационной вилке.

Рис. 6. Белки, участвующие в процессе репликации ДНК.

РНК-праймаза синтезирует РНК-затравки для дочерней лидирующей цепи и для каждого фрагмента Оказаки дочерней отстающей цепи. ДНК-лигаза сшивает фрагменты Оказаки после удаления РНК затравки. Активность этих ферментов зависит от многих факторов. Это позволяет клетке при необходимости регулировать скорость репликации ДНК.[1]

4. Виды репликации у бактерий

У бактерий молекула ДНК замкнута в кольцо. Репликация таких, замкнутых в кольцо, молекул имеет ряд характерных особенностей и может происходить двумя путями.

При репликации первым путём синтез дочерних цепей происходит при сохранении кольцевой структуры молекулы ДНК.

На электронномикроскопических фотографиях реплицирующаяся молекула напоминает своей формой греческую букву ? (тета). После того как молекула ДНК будет реплицирована полностью, обе кольцевые копии оказываются «продеты» одна в другую, как два кольца цепи. Они должны быть разъединены. Этот процесс осуществляет топоизомераза II. Фермент разрезает одну из кольцевых молекул, сквозь разрыв выводит петлю неразорванной молекулы, а затем воссоединяет концы разрезанной молекулы, вновь превращая её в кольцо.

Второй путь, по которому может осуществляться репликация кольцевых молекул ДНК, получил название «катящегося кольца» («rollingcircle»). Так образуется много новых молекул вирусных ДНК, половой процесс у бактерий и амплификация генов.

В этом случае репликация начинается со специфического разрыва одной материнской цепи двойной спирали ДНК. Это приводит к появлению однонитевых 5'- и 3'-концов. Конец 5' вытесняется из двойной спирали и с ним связывается фермент ини. По мере раскручивания молекулы величина освобожденной одноцепочечной матрицы от конца 5' увеличивается. На ней происходит синтез комплементарной дочерней нити ДНК. В результате образуется постепенно увеличивающийся свободный «хвост».

Одновременно с освобождением с конца 5' одноцепочечной матрицы освобождается однонитевая матрица на кольцевой одинарной нити ДНК. Синтез на кольцевой нити может идти на протяжении нескольких оборотов молекулы. В результате длина образованной линейной молекулы может превышать длину одного генома.

Многократно повторенный синтез копии цепи на кольцевой нити ДНК приводит к появлению линейная нить, содержащей несколько повторов одного и того же генома.

Такую нить называют конкатемером. Она разрезается специальными ферментами (рестриктазами) на куски, каждый из которых равен длине хромосомы (генома). После появления таких кусков они замыкаются в кольцевые хромосомы.[2]

У вирусов, имеющих одноцепочечную ДНК, механизм её репликации тот же, что и у двуцепочечных молекул, однако генетическую значимость в этом случае имеет только одна нить.

Эту нить обозначают знаком +. Когда (+)-нить поступает в клетку она достаивает комплементарную нить, образуя двуцепочечную молекулу ДНК, содержащую (+)-нить и (-)-нить. После размножения вирусов в образующуюся частицу фага включается только (+)-нить ДНК.

К настоящему времени установлено, что процессы, идущие в репликативной вилке, ещё более сложны. ДНК-геликаза, две ДНК-полимеразы на обоих дочерних цепях и праймаза на отстающей цепи образуют единый полиферментный комплекс - реплисому. Отстающая цепь изгибается таким образом, что её ДНК полимераза комплексирует с ДНК-полимеразой лидирующей цепи.

Этот изгиб подводит 3?-конец каждого уже синтезированного фрагмента Оказаки к тому участку, где начинается синтез нового фрагмента Оказаки. Комплекс геликаза-праймаза-полимераза движется вместе с вилкой репликации и синтезирует новые РНК-праймеры. ДНК полимераза на отстающей цепи продвигается вперёд вместе с репликационной вилкой и многократно используется для синтеза фрагментов Оказаки. Таким образом, ДНК синтезируется одинаково эффективно на обеих материнских цепях ДНК (матрицах). Эта схема репликации ДНКполучила название «модели тромбона».[3]

5. Различие репликации у прокариот и эукариот

В общих чертах механизм и последовательность процессов репликации у прокариот и эукариот сходны. Однако есть и некоторые различия. Пять основных различий перечислены ниже

1) Продолжительность клеточного цикла уэукариот варьирует от 10 мин до 200 часов. Поэтому и продолжительность репликации у эукариот больше, чем у прокариот.

2) Роль точек инициации репликации прокариот (ориджинов) уэукариот выполняют автономно реплицирующиеся последовательности (ARS) открытые в 1980 году у дрожжей, а затем обнаруженные у многих высших организмов. С этими автономно реплицирующимися последовательностями связываются специальные белки, инициирующие процесс репликации.

3) Размеры репликонов у эукариот значительно меньше, чем у прокариот, хотя в пределах генома одного вида они могут варьировать десятикратно (табл. 1 ).

Таблица 1. Параметры репликации ДНК в геномах эукариот и прокариот

4) В клетках прокариот фрагменты Оказаки синтезируются длиной от 1000 до 2000 нуклеотидов. Уэукариот они значительно короче - от 100 до 200 нуклеотидов.

5) Скорость синтеза ДНК упрокариот в области репликационной вилки (1000 нуклеотидов/с) на порядок выше, чем у эукариот (около 100 нуклеотидов/с).

Высокую скорость репликации обеспечивает указанные выше ферменты - геликаза, топоизомераза, дестабилизирующие белки, ДНК-полимераза, РНК-праймаза, ДНК-лигаза и др., совместно действующие в области репликативной вилки.

Вместе с тем, меньшая скорость репликативного синтеза уэукариот объясняется большей степенью конденсации (упаковки) ДНК в хромосомах, а также более сложной и тщательной «проверкой» правильности синтезируемой дочерней цепи специальными репарирующими системами.[3]

Заключение

Репликация имеет важное биологическое значение для живых организмов. Передача генетической информации при делении клеток не обходится без удвоения молекул ДНК, поэтому на всех этапах важна слаженная работа ферментов.[2]

Биологический смысл репликации - сохранение и точная (неискажённая) передача генетической информации в ряду поколений клеток и организмов, а также при воспроизведении ДНК-содержащих структур (митохондрий, пластид, некоторых вирусов). Поэтому репликация всегда предшествует делению ядер у эукариотических клеток, делению клеток бактерий, размножению вирусов и т. п.[1]

Список литературы

1. http://sbio.info/dic/12112

2. http://fb.ru/article/333682/replikatsiya-v-biologii---eto-vajnyiy-molekulyarnyiy-protsess-kletok-organizma

3. http://www.labogen.ru/20_student/020_mol_base_hered/mol_base_hered.html

Размещено на Allbest.ru