Молекулярный механизм репликации ДНК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургская Химико-Фармацевтическая Академия

Кафедра биологической химии

Реферат

на тему: Молекулярный механизм репликации ДНК

Выполнила:

студентка 3 курса 328 группы

Дубовая Юлия

Введение

Цель работы:

· самостоятельно освоить элективный курс по биохимии, который называется «Биохимия с основами молекулярной биологии», по выбранной теме; инициация биосинтез молекула

· представить материал руководящему данным курсом преподавателю.

Репликация

Репликация - это такой матричный процесс, в ходе которого на основе одной молекулы ДНК синтезируется 2 дочерние молекулы ДНК, идентичные друг другу и материнской копии. Следовательно, биологический смысл репликации заключается в удвоении генетического материала, который необходимо распределить по дочерним клеткам.

По имеющимся данным, в репликации ДНК, включающей узнавание точки начала процесса, расплетение родительских цепей ДНК в репликационной вилке, инициацию биосинтеза дочерних цепей и дальнейшую их элонгацию и, наконец, окончание (терминация) процесса, участвует более 40 ферментов и белковых факторов, объединенных в единую ДНК-репликазную систему, называемую реплисомой.

Процесс идет по правилу комплементарности полуконсервативным способом. Полуконсервативность означает, что в состав дочерней молекулы входит одна материнская цепь и одна дочерняя. Именно это обеспечивает идентичность дочерних молекул.

Полуконсервативный характер репликации был доказан Дж. Тейлором (в 1958 г.) на митотических клетках корешков бобов Vicia faba. Семена проращивали на среде, содержащей меченый 3Н- тимидин (ТТФ, содержащий радиоактивный водород). Радиоактивная метка включалась в ДНК, и обнаруживалась в хромосомах делящихся клеток с помощью радиоаутографии. Когда корешки перенесли в среду без метки, во вновь синтезированные цепи ДНК включался только немеченый тимидин. После одного деления клеток в нормальной среде метку обнаруживали в обеих хроматидах метафазных хромосом, однако ее количество было меньшим наполовну, так как метка оставалась только в «материнской» нити ДНК, а вновь синтезированная нить была уже без метки. А после второго деления - одна хроматида содержала метку, другая не содержала метки. Эти результаты согласуются с представлением о том, что хроматида состоит из одной молекулы ДНК, и ДНК реплицируется полуконсервативно. Позднее Дж. Тэйлор показал, что таким же образом реплицируются молекулы ДНК при удвоении хроматид (в S-фазе клеточного цикла) перед мейотическим делением.

Инициация репликации

Синтез ДНК у эукариотов происходит в S-фазу клеточного цикла. Инициацию репликации регулируют специфические сигнальные белковые молекулы - факторы роста. Факторы роста связываются рецепторами мембран клеток, которые передают сигнал, побуждающий клетку к началу репликации.

Синтез новых одноцепочечных молекул ДНК может произойти только при расхождении родительских цепей. В определённом сайте (точка начала репликации или «сайт инициации» или ориджины) происходит локальная денатурация ДНК, цепи расходятся и образуются две репликативные вилки, движущиеся в противоположных направлениях.

В образовании репликативной вилки принимает участие ряд белков и ферментов. Так, семейство ДНК-топоизомераз (I, II и III), обладая нуклеазной активностью, участвует в регуляции суперспирализации ДНК. Например, ДНК-топоизомераза I разрывает фосфоэфирную связь в одной из цепей двойной спирали и ковалентно присоединяется к 5'-концу в точке разрыва. По окончании формирования репликативной вилки фермент ликвидирует разрыв в цепи и отделяется от ДНК.

Участие ДНК-топоизомеразы I в образовании репликативной вилки. 1 - фермент расщепляет одну цепь ДНК; между остатком тирозина молекулы фермента и фосфорным остатком цепи образуется ковапентная связь; 2 - происходит локальное раскручивание двойной спирали при участии ДНК-хеликазы; ДНК-топоизомераза I восстанавливает фосфоэфирную связь.

Разрыв водородных связей в двухцепочечной молекуле ДНК осуществляет ДНК-хеликаза. Фермент ДНК-хеликаза использует энергию АТФ для расплетения двойной спирали ДНК.

В результате происходит раскручивание участка суперспирализованной молекулы ДНК. В поддержании этого участка ДНК в раскрученном состоянии участвуют SSB-белки (от англ, single strand binding proteins, т.е. белки, связывающиеся с одноцепочечными нитями ДНК). SSB-белки, не закрывая азотистых оснований, связываются с одноцепочечной ДНК по всей длине разделившихся цепей и таким образом предотвращают их комплементарное скручивание и образование "шпилек". Они обладают большим сродством к одноцепочечным участкам ДНК, независимо от первичной структуры цепей.

Элонгация

Репликация ДНК осуществляется ДНК-зависимыми ДНК-полимеразами. Данный фермент обладает некоторыми свойствами:

1. Фермент не может начинать синтез. Он не умеет присоединяться к одноцепочечному участку, он может сесто только на двойную цепь. Поэтому синтез начинает фермент РНК-полимераза, который синтезирует небольшой фрагмент РНК, что дает возможность сесть ДНК-полимеразе.

2. Фермент осуществляет синтез только в одном направлении, причем от 5' к 3' концу, т.е. фермент всегда наращивает 3' конец копии. Нет ферментов, способных наращивать 5' конец.

3. Субстратом для работы фермента является энергия нуклеотидтрифосфатов (АТФ, ГТФ)

В синтезе эукариотических ДНК принимают участие 5 ДНК-полимераз (б, в, г, д, е). ДНК-полимеразы различают по числу субъединиц, молекулярной массе, ассоциации с разными вспомогательными белками, ускоряющими процесс биосинтеза ДНК, и функциональному назначению. ДНК-полимеразы б (альфа), в (бета), д (дельта), е (эпсилон) участвуют в синтезе ДНК в ядре клеток, ДНК-полимераза г (гамма) - в репликации митохондриальной ДНК.

ДНК-полимеразы в, д, е не могут инициировать образование дочерних цепей, так как не имеют сродства к одиночной нити ДНК. Инициирует репликацию ДНК-полимераза б, которая комплементарна определённому сайту одноцепо-чечной ДНК. Присоединяясь к нему, ДНК-полимераза а синтезирует небольшой фрагмент РНК - праймер, состоящий из 8-10 рибонуклеотидов. ДНК-полимераза а состоит из четырёх субъединиц. Каждая из субъединиц фермента выполняет определённую функцию: "узнавание" сайта репликации, синтез праймера (8-10 рибонуклеотидов), синтез фрагмента цепи ДНК, около 50 дезоксирибонуклеотидов. Таким образом, ДНК-полимераза б синтезирует олигонуклеотид, содержащий примерно 60 нуклеотидных остатков; первые 8-10 представлены рибонуклеотидами (праймер), а остальные - дезоксирибонуклеотидами.

ДНК-полимераза д последовательно наращивает цепь, шаг за шагом присоединяя к ней соответствующие дезоксинуклеотиды. Выбор ДНК-полимеразой д очередного нуклеотида определяется матрицей. Включение дезоксирибонуклеозидмонофосфатов в растущую цепь ДНК сопровождается гидролизом макроэргических связей соответствующих нуклеозидтрифосфатов и отщеплением пирофосфата (Н4Р2О7). Энергия макроэргических связей расходуется на образование 3',5'-фосфодиэфирной связи между последним нуклеотидом растущей цепи ДНК и присоединяемым нуклеотидом. Включение нуклеотида в синтезируемую цепь ДНК невозможно без предварительного связывания азотистого основания водородными связями с комплементарным нуклеотидом матричной цепи. ДНК-полимеразы (б, в, г, д, е) могут синтезировать нуклеотидную цепь только в направлении 5'>3', матричная цепь всегда считывается в направлении 3'>5'.

В каждой репликативной вилке идёт одновременно синтез двух новых (дочерних) цепей. Направление синтеза цепи ДНК совпадает с направлением движения репликативной вилки лишь для одной из вновь синтезируемых цепей (лидирующая цепь). На второй матричной цепи синтез дочерней ДНК осуществляется двумя ферментами: ДНК-полимеразой б и ДНК-полимеразой е в направлении 5'>3', но против движения репликативной вилки.

Поэтому вторая цепь синтезируется прерывисто, короткими фрагментами, которые называют "фрагменты Оказаки" (по имени открывшего их исследователя). Дочерняя цепь ДНК, синтез которой происходит фрагментами, называют отстающей цепью. Каждый фрагмент Оказаки, примерно 100 нуклеотидных остатков, содержит праймер. Праймеры удаляет ДНК-полимераза в, постепенно отщепляя с 3'-конца фрагмента по одному рибонуклеотиду. К ОН-группе на 3'-конце предыдущего фрагмента ДНК-полимераза в присоединяет дезоксирибонуклеотиды в количестве, равном вырезанному праймеру и таким образом заполняет брешь, возникающую при удалении рибонуклеотидов.

Фермент ДНК-лигаза катализирует образование фосфодиэфирной связи между 3'-ОН-группой дезоксирибозы одного фрагмента цепи ДНК и 5'-фосфатом следующего фрагмента. Реакция протекает с затратой энергии АТФ. Таким образом, из множества фрагментов Оказаки образуется непрерывная цепь ДНК.

Терминация

После завершения репликации хромосомы 5'-концы дочерних цепей ДНК недостроены, так как после удаления праймеров эти фрагменты оказываются недореплицированными. Это происходит потому, что ДНК-полимераза в, отвечающая за заполнение бреши, образованной после удаления праймера, не может вести синтез цепи ДНК от 3'- к 5'-концу (рис. А).

Таким образом, в ходе каждого цикла репликации 5'-концы синтезированных цепей укорачиваются. Но такие потери не представляют опасности для генетической информации хромосом, потому что укорочение ДНК идёт за счёт теломер. Во время следующего цикла репликации 5'-концы цепей ДНК опять остаются недостроенными. Таким образом, с каждым клеточным делением ДНК хромосом будут последовательно укорачиваться. Укорочение теломер в большинстве клеток по мере их старения - важный фактор, определяющий продолжительность жизни организма.

Однако в эмбриональных и других быстроделящихся клетках потери концов хромосом недопустимы, потому что укорочение ДНК будет происходить очень быстро. В эукариотических клетках имеется фермент теломераза (нуклеотидилтрансфераза), обеспечивающий восстановление недореплицированных 5'-концов. К особенностям этого фермента относят присутствие в качестве простетической группы РНК. Фрагмент РНК в активном центре теломеразы служит матрицей при синтезе теломер-ных повторов хромосом.

С помощью РНК фермент комплементарно прикрепляется к 3'-концу недостроенной дочерней цепи ДНК. Теломераза по принципу комплементарности последовательно удлиняет 3'-конец цепи ДНК на один гексануклеотид -GGGTTA-. Синтез всегда идёт от 5'- к 3'-концу. Затем теломераза смещается по цепи ДНК на один теломер и начинает синтез нового фрагмента -GGGTTA- (рис. Б). 

А - на рисунке показано укорочение вновь синтезированных цепей ДНК после удаления праймеров; Б - в состав теломеразы входит короткая молекула РНК, содержащая в активном центре последовательность нук-леотидов, комплементарную теломерному повтору; 1 - фермент прикрепляется за счёт взаимодействия РНК с существующей теломерой и добавляет последовательно по одному нуклеотиду фрагмент -GGGTTA-. Матрицей служит простетическая группа теломеразы - фрагмент РНК; 2 - фермент перемещается по нити ДНК таким образом, что РНК-матрица в составе теломеразы постоянно комплементарно связана с концом вновь синтезированного теломерного повтора. Заново синтезированная тело-мерная ДНК служит матрицей для удлинения второй цепи ДНК, но уже в ходе следующего цикла клеточного деления. Теломер-ный повтор на рисунке взят в квадратные скобки -[GGGTTA]-.

В большинстве соматических клеток теломераза неактивна, так как соматическая клетка имеет длину теломерной ДНК, достаточную для времени жизни клетки и её потомства. Однако небольшую активность теломеразы обнаруживают в клетках с высокой скоростью обновления, таких как лимфоциты, стволовые клетки костного мозга, клетки эпителия, эпидермиса кожи и др.

Список использованной литературы

1. Биохимия: Учебник / Под ред. Е.С.Северина. - 3-е изд., испр. - М.: Гэотар-Медиа, 2005. - 784 с

2. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами./ Под ред. Е.С.Северина и А.Я.Николаева. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Гоэтар Мед, 2002.- 448 с.

3. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химии: Учебник. -3-е изд. переработ. и доп.- М.: Медицина, 1998. -704 с.

4. Комов В.П. Биохимия: Учебник для вузов / В.П.Комов, В.Н.Шведова. - М.: Дрофа, 2004. - 640 с.

5. Николаев А.Я. Биологическая химия. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.:2004. - 556 с.

6. Строев Е.А. Биологическая химия: Учебник для фармац. ин-тов и фармац. фак. мед. ин-тов. - М.: Высшая школа, 1986. - 479 с.

7. Сайт http://www.xumuk.ru/biologhim/

8. Презентация с сайта http://www.bio.bsu.by/genetics/files/molbiol_of_the_gene_10.pdf

9. Картинки с сайта http://yandex.ru/

10. Материалы лекций (неакадемические)

Размещено на Allbest.ru