Удвоение молекул ДНК (репликация). Удвоение днк это


Что такое удвоение ДНК?

ДНК имеет поразительное свойство, не присущее другим известным сегодня молекулам — возможность самоудвоения. Удвоением ДНК называется сложный процесс её самовоспроизведения. Благодаря свойству молекул ДНК самоудваиваться возможно размножение, а также передача наследственности организмом своему потомству, ведь полные данные о строении и функционировании находятся в закодированном виде в генной информации организмов. ДНК – является основой наследственных материалов большинства микро- и макроорганизмов. Правильное название процесса удвоения ДНК — репликация (редупликация).

Как передается генетическая информация?

При размножении клетки с использованием самоудвоения производят точную копию собственного генома, а при процессе деления клеток в каждую попадает одна копия. Это препятствует исчезновению генной информации, содержащейся в клетках родителей, что позволяет наследственным данным храниться и передаваться потомству. У каждого организма есть свои особенности передачи наследственности. Многоклеточный организм передает свой геном половыми клетками, образующимися при мейозе. При их слиянии наблюдается соединение родительских геномов внутри зиготы, далее из которой происходит развитие организма, содержащего генетическую информацию от обоих родителей.Стоит отметить, что для точной передачи наследственной информации нужно, чтобы она копировалась целиком, а также без ошибок. Это возможно благодаря специальным ферментам. Интересным является факт, что эти уникальные молекулы несут гены, позволяющие организму производить нужные для синтезирования ферменты, то есть содержат все, что необходимо для ее саморепликации.

Гипотезы самоудвоения

Вопрос о механизме репликации генома долго оставался открытым. Исследователями было предложено 3 гипотезы, предлагающие основные возможные пути удвоения генома – это полуконсервативная теория, консервативная гипотеза или дисперсный механизм.Согласно консервативной гипотезе в процессе репликации наследственных данных родительская ниточка ДНК служит матрицей для новой ниточки, поэтому результат этого — одна ниточка будет целиком старой, вторая — новой. Согласно полуконсервативной гипотезе формируются гены, включающие одновременно родительские и дочерние нити. При дисперсном механизме предполагают, что гены содержат новые и старые фрагменты.Эксперимент, проведенный в 1958 году учеными Мезельсоном со Сталем, показал, что удвоение днк генного материала предполагает наличие наряду с каждой старой (матричной) ниточкой также вновь синтезированной. Таким образом, результатами данного опыта доказана полуконсервативная гипотеза самоудвоения генетической информации.

Как происходит удвоение?

Процесс копирования генома основан на ферментативном синтезировании наследственной информации из молекулы по принципу матрицы. Известным является факт, что спиральная ДНК выстроена из двух нуклеотидных нитей согласно теории комплементарности – при этом нуклеотидное основание цитозин является комплементарным гуанидину, а аденин — тимину. Тот же самый принцип соблюдается при самоудвоении.Во-первых, при репликации наблюдается инициирование цепочек. Здесь действуют ДНК-полимеразы, ферменты, которые могут прибавлять новые нуклеотиды по направлению от 3′-конца цепочки. Заблаговременно синтезированная ниточка ДНК, к которой прибавляются нуклеотиды, названа затравкой. Синтез ее идет ферментом ДНК-праймазой, состоящей из рибонуклеотидов. Именно с затравки начинается удвоение генных данных. Когда процесс синтеза уже начат, затравка может удалиться, а ее на место полимераза встраивает новые нуклеотиды.Следующим этапом является расплетение спиральной молекулы ДНК, сопровождающееся разрывом водородных связей, связывающих нити, ДНК-хеликазами. Хеликазы передвигаются по одинарной цепочке. При встрече двойного спиралевидного участка вновь происходит разрыв водородных связей между нуклеотидами, что позволяет продвигаться дальше репликационной вилке. Помимо этого, учеными были найдены особенные белки — ДНК-топоизомеразы, способные разрывать генные ниточки, позволяют им разделяться, а при необходимости — связывать сделанные ими ранее разрывы нитей. Затем нити расходятся, образовывается репликационная вилка — область самоудвоения, способная к перемещению вдоль исходной цепи, которая выглядит, как ее раздвоение. Именно здесь полимеразы копируют генные цепочки. Реплицированные области, выглядят как глазки, расположенные в молекуле. Они образовываются там, где располагаются специальные точки начала репликации. Такие глазки могут включать одну или две репликационные вилки.Следующим этапом является достройка полимеразами нуклеотидов к исходным родительским вторых (дочерних) ниточек согласно принципу комплементарности. Все ниточки находятся антипаралельно друг по отношению к другу. Рост вновь синтезированных ниточек наблюдается по направлению от 5′ конца к 3′ (то есть при этом наблюдается удлинение 3′-конца), а считывание исходной матричной цепочки ДНК-полимеразой – по направлению к 5′-концу нити. Наряду с тем, что удвоение генов возможно лишь с 3′-конца, синтезирование может идти одновременно лишь на одной из цепочек репликационной вилки. Синтезирование генного материала происходит на родительской нити. На антипараллельной цепочке синтезирование идет короткими (длина которых составляет не больше 200 нуклеотидов) фрагментами (Оказаки). Вновь синтезированная цепочка, полученная непрерывным способом, является ведущей, а собираемая фрагментами Оказаки — отстающей. Синтезирование фрагментов Оказаки начинается со специальной РНК-затравки, удаляющиеся после использования через некоторое время, а пустые места заполняет с помощью нуклеотидов полимераза. Это способствует образованию из фрагментов одной целой непрерывной нити.Такое копирование наблюдается с помощью информации из особенного белка-фермента праймазы при участии хеликазы, которые образуют комплексную праймосому, которая движется по направлению к раскрытию репликационной вилки и РНК-затравки, необходимой для синтеза фрагментов Оказаки. Всего же здесь при самоудвоении участвуют и одновременно работают практически двадцать различных белков. Результатом ферментационных процессов синтеза является образовывание новых генных цепочек, которые являются комплементарными каждой из разошедшихся цепочек. Из этого следует, что при самоудвоении генетического материала наблюдается создание двух новых двойных спиралевидных дочерних молекул, которые включают в свой состав информацию из одной вновь синтезированной нити и второй нити от исходной молекулы.

Особенности удвоения генного материала у разных организмов

У бактерий в процессе самоудвоения генного материала происходит синтезирование генома целиком.Вирусы и фаги, которые включают в свой состав наследственный материал из одноцепочечной молекулы, процессы самоудвоения значительно отличаются. В момент их попадания в клетки хозяйского организма, из одноцепочечной молекулы образуется двуцепочечная, которая достраивается согласно принципу комплементарности. На вновь образованной молекуле (так называемой специальной ее репликативной форме) наблюдается синтезирование новых цепочек, уже одноцепочечных, которые входят в состав новых вирусных клеток.Аналогично проходят процессы самоудвоения у РНК-содержащих клеток вирусов или фагов. Эукариоты — высшие организмы имеют процессы реплицирования генов, происходящие при интерфазе, предшествующей делению клеток. Затем наблюдается дальнейшее разъединение копированных генетических элементов – хромосом, а также их равномерное деление между собственным потомством в генах, в неизменном виде сохраняться и передаваться потомству и новым поколениям.

Точность копии генной молекулы

Стоит отметить, что снова синтезированные цепочки генного материала не имеют отличий от матричной. Поэтому при процессах деления клетки каждая дочерняя сможет получить точную копию материнской генетической информации, что и способствует сохранению наследственности через поколения. Все клетки у сложноорганизованных многоклеточных организмов происходят из единственной клетки зародыша посредством множественных делений. Именно поэтому все они от одного организма включают одинаковый состав генов. Это означает, что в случае возникновения ошибки при синтезировании молекул отразится на всех последующих поколениях.Подобные примеры широко известны в медицине. Ведь именно поэтому полностью все эритроциты людей, страдающих серповидноклеточной анемией, содержат одинаковый «испорченный» гемоглобин. Из-за этого дети получают состав генов с отклонениями от своих родителей посредством передачи через их половые клетки. Однако сегодня еще практически не представляется возможным по последовательности гена определить правильно ли и без ошибок ли прошло удвоение генома. На практике, качество наследственной информации, полученной по наследству, можно узнать лишь при развитии целого организма.

Скорость репликации генетической информации

Ученые показали, что генетическая информация удвоения ДНК происходит с высокой скоростью. У бактериальных клеток скорость удвоения молекул составляет 30 мкм за одну минуту. За этот небольшой промежуток времени к нити матрицы способно присоединиться почти 500 нуклеотидов, у вирусов – около 900 нуклеотидов. У эукариотов процесс удвоения генома протекает медленнее — всего 1,5 — 2,5 мкм в минуту. Однако, учитывая, что каждая хромосома имеет несколько точек начала их репликации, а от каждой из которых образуется по 2 вилки синтеза генов, то полная репликация генов происходит не более часа. 

Практическое применение

Какова же практическая значимость процесса репликации? Ответ на этот вопрос прост – без него жизнь была бы невозможна. После разгадки механизма репликации учеными сделано множество открытий, наиболее значимое из которых было отмечено Нобелевской премией – открытие метода полимеразной цепной реакции (ПЦР). Он был открыт в 1983 г. американцем Кэри Муллисом, основной задачей и целью которого было создание методики, позволяющей многократно и последовательно реплицировать необходимый в исследовании фрагмент генома при помощи специального энзима — ДНК-полимеразы. ПЦР позволяет реплицировать генный материал в лабораторных условиях и нужен для синтеза большого количества копий ДНК из малого их количества в биологической пробе. Такое увеличенное в лабораторных условиях количество генетического образца делает возможным её изучение, что так необходимо при исследовании причин, методов диагностики и способов лечения сложных заболеваний (в числе которых — наследственные и инфекционные). Также ПЦР нашел применение в установлении отцовства, в клонировании генов, создании новых организмов.

testdnk.pro

Генетическая информация. Удвоение ДНК

Одна из самых замечательных особенностей жизни состоит в том, что все живые существа характеризуются общностью строения клеток и происходящих в них процессов. Однако они имеют и очень много различий.

Современная биология показала, что в своей основе сходство и различие организмов определяется, в конечном счете, набором белков.

Некоторые белки, выполняющие одинаковые функции, могут иметь сходное строение в клетках не только разных видов, но даже более далёких групп организмов.

Например, инсулин (гормон поджелудочной железы), регулирующий количество сахара в крови, близок по строению у собаки и человека.

Однако большинство белков, выполняя одну и ту же функцию, несколько отличаются по строению у разных представителей одного и того же вида. Например, белки групп крови у человека.

Известно, что в эритроцитах (красных кровяных клетках дисководной формы) содержится белок гемоглобин, который доставляет кислород ко всем клеткам тела. Это сложный белок. Каждая его молекула состоит из 4 полипептидных цепей. У людей страдающих тяжёлым наследственным заболеванием – серповидно клеточной анемией, эритроциты похожи не на диски, как обычно, а на серпы. Причина изменения формы клетки – в различии первичной структуры гемоглобина у больных и здоровых людей.

Различие в том, что в двух из четырёх цепей нормального гемоглобина на 6 месте стоит глутоминовая кислота. При серповидноклеточной анемии она заменена на аминокислоту валин. Из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, заменены только две (по одной в двух цепях). Но это приводит к существенному изменению третичной и четвертичной структуры белка и, как существа, к изменению формы и нарушению функции эритроцита. Серповидные эритроциты плохо справляются со своей задачей – переносом кислорода.

ДНК – матрица для синтеза белков

Каким же образом в эритроцитах здорового человека образуются миллионы идентичных молекул гемоглобина, как правило, без единой ошибки в расположении аминокислот?

Почему в эритроцитах больного больных серповидноклеточной анемией все молекулы гемоглобина имеют одну и ту же ошибку в одном и том же месте?

Для ответа на эти вопросы обратимся к примеру с книгопечатанием.

Например, книга, изданная тиражом n экземпляров, все n книги отпечатаны с одного шаблона – типографской матрицы, поэтому они совершенно одинаковы. Если бы в матрицу вкралась ошибка, то она была бы воспроизведена во всех экземплярах.

Роль матрицы в клетках живых организмов выполняют молекулы ДНК.

ДНК каждой клетки несёт информацию не только о структурных белках, определяющих форму клетки, но и о всех белках – ферментах, белках гормонах и др. белках.

Углеводы и липиды образуются в клетке в результате сложных химических реакций, каждая из которых катализируется своим белком – ферментом. Владея информацией о ферментах, ДНК программирует структуру и др. органических соединений, а также управляет процессами их синтеза и расщепления. Поскольку молекулы ДНК являются матрицами для синтеза всех белков, то в ДНК заключена информация о структуре и деятельности клеток, о всех признаках каждой клетки и организма в целом. Каждый белок представлен одной или несколькими полимерными цепями. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одной полипептидной цепи, т.е. в большинстве случаев одного белка, называют геном. Каждая молекула ДНК содержит множество разных генов. Вся информация, заключённая в молекуле ДНК, называется генетической. Идея о том, что генетическая информация записана на молекулярном уровне и что синтез белков идёт по матричному принципу, впервые была сформулирована ещё в 20-х годах выдающимся отечественным биологом Н.К. Кольцевым.

Удвоение ДНК

Двойная спираль ДНК построена по принципу комплиментарности (комплементарность – взаимное дополнение):

А, Г, Ц, Т – азотные основания;

… – водородные связи.

Молекулы ДНК обладают свойством – способностью к удвоению.

Принцип комплементарности лежит и в основе удвоения молекул ДНК. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются, и к каждому нуклеотиду каждой из этих нитей последовательно пристраиваются комплиментарные нуклеотиды.

Разошедшиеся нити исходной (материнской) молекулы ДНК являются матричными. Они задают порядок расположения нуклеотидов во вновь синтезируемой цепи. В результате действия сложного набора ферментов происходит соединение нуклеотидов друг с другом. При этом образуются новые нити ДНК, комплиментарные каждой из разошедшихся цепей.

Таким образом, в результате удвоения создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из которых имеет одну нить, полученную от материнской молекулы, и одну нить, синтезированную вновь.

Рис. 21. Схема удвоения ДНК

Итак, этапы удвоения ДНК:

· Разрыв водородных связей, скрепляющих нити ДНК; расхождение нитей ДНК.

· Подбор к материнским нитям ДНК комплементарных нуклеотидов.

· Синтез дочерних ДНК.

· Процесс самоудвоения молекулы ДНК называют репликацией. При этом не расходуется энергия АТФ.

· Дочерние молекулы ДНК имеют одинаковые гены, какие были у материнской.

Каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений. Следовательно, все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Случайно возникшая ошибка в гене зародышевой клетки будет воспроизведена в генах миллионов её потомков.

Вот почему все эритроциты больного серповидноклеточной анемией имеют одинаково "испорченный" ген от родителей через их половые клетки.

Ген является единицей генетической (наследственной) информации.

Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомальных РНК.

Если учесть, что сходство и различие организмов определяется, в конечном счете, набором белков, и мы уже знаем, откуда берется информация о том, какие белки необходимы данному организму, то остается выяснить, как шифруется генетическая информация, как происходит синтез белков.

Образование информационной РНК по матрице ДНК

К рибосомам, местам синтеза белков, из ядра поступает несущей информацию посредник, способный пройти через поры ядерной оболочки. Таким посредником является информационная РНК (иРНК). Это одноцепочная молекула, комплиментарная одной нити молекулы ДНК.

Рис. 22. Схема образования иРНК

По матрице ДНК

Специальный фермент – полимераза, двигаясь по ДНК, подбирает по принципу комплиментарности нуклеотиды и соединяет их в единые цепочки. Этот процесс называется транскрипцией.

Если в нити ДНК стоит Тимин, то полимераза включает в цепь иРНК Аденин, если стоит Гуанин – включает Цитозин, если Аденин – Урацил (в состав РНК не входит Тимин).

иРНК – копия не всей молекулы ДНК, а только части её, одного гена или группы рядом стоящих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. У прокариот такая группа генов называется опероном. Вначале каждой группы генов находится своего рода посадочная площадка для полимеразы, называемая промотором. Это специфичная последовательность нуклеотидов ДНК, которую фермент “узнаёт” благодаря химическому сродству.

Только присоединившись к промотору, полимераза способна начать синтез иРНК. В конце группы генов фермент встречает сигнал (в виде определённой последовательности нуклеотидов), означающий конец переписывания.

Готовая иРНК отходит от ДНК, покидает ядро и направляется к месту синтеза белков – рибосоме, расположенной в цитоплазме клетки.

           
   
 
   
 
 

 

 

В клетке генетическая информация передаётся благодаря транскрипции от ДНК к белку: ДНК → иРНК→ белок.



infopedia.su

Как происходит репликация ДНК :: SYL.ru

ДНК является надежным хранилищем генетической информации. Но ее нужно не только держать в сохранности, но и передавать потомству. От этого зависит выживаемость вида. Ведь родители должны передать детям все то, чего они достигли в ходе эволюции. В ней записано все: начиная от количества конечностей и заканчивая цветом глаз. Конечно, у микроорганизмов этой информации гораздо меньше, но и ее нужно передать. Для этого клетка делится. Чтобы генетическая информация досталась обеим дочерним клеткам, ее нужно удвоить, этот процесс называется "репликация ДНК". Она происходит перед делением клетки, неважно, какой именно. Это может быть бактерия, которая решила размножиться. Или это может быть рост новой кожи на месте пореза. Процесс удвоения дезоксирибонуклеиновой кислоты должен четко отрегулироваться и завершиться до начала деления клетки.

Где происходит удвоение

Репликация ДНК происходит непосредственно в ядре (у эукариот) или в цитоплазме (у прокариот). Нуклеиновая кислота состоит из нуклеотидов - аденина, тимина, цитозина и гуанина. Обе цепочки молекулы построены по принципу комплиментарности: аденину в одной цепи соответствует тимин, а гуанину - цитозин. Удвоение молекулы должно пройти таким образом, чтобы и у дочерних спиралей сохранился принцип комплиментарности.

Начало репликации – инициация

Дезоксирибонуклеиновая кислота представляет собой двуцепочечную спираль. Репликация ДНК происходит путем достраивания дочерних цепей по каждой родительской цепочке. Чтобы этот синтез стал возможен, спирали нужно «распутать», а цепочки отделить друг от друга. Эту роль выполняет геликаза – она раскручивает спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты, вращаясь с большой скоростью. Начало удвоения ДНК не может начаться с любого места, такой сложный процесс требует определенного участка молекулы – сайта инициации репликации. После того как была определена начальная точка удвоения, а геликаза начала свою работу по распутыванию спирали, цепочки ДНК расходятся в стороны, образуя репликативную вилку. На них садятся ДНК-полимеразы. Именно они и будут синтезировать дочерние цепочки.

Элонгация

В одной молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты может образоваться от 5 до 50 репликативных вилок. Синтез дочерних цепочек происходит одновременно в нескольких участках молекулы. Но это непросто достраивание комплиментарных нуклеотидов. Цепочки нуклеиновой кислоты антипараллельны друг другу. Разная направленность родительских цепей сказывается при удвоении, это обусловило сложный механизм репликации ДНК. Одна из цепей достраивается дочерней непрерывно и называется лидирующей. Оно и правильно, ведь полимеразе очень удобно присоединять свободный нуклеотид к 3’-ОН концу предыдущего. Такой синтез идет непрерывно, в отличие от процесса на второй цепи.

Запаздывающая цепь, фрагменты О’Казаки

С другой цепочкой возникают сложности, ведь там свободным оказывается 5’-конец, к которому невозможно прикрепить свободный нуклеотид. Тогда ДНК полимераза действует с другой стороны. Для того чтобы достроить дочернюю цепочку, создается праймер, комплиментарный родительской цепи. Он образуется у самой репликативной вилки. С него и начинается синтез маленького кусочка, но уже по «верному» пути – присоединение нуклеотидов происходит к 3’-концу. Таким образом, достраивание цепочки у второй дочерней спирали происходит прерывисто и имеет направление, противоположное движению репликативной вилки. Эти фрагменты были названы фрагментами О’Казаки, они имеют длину около 100 нуклеотидов. После того как фрагмент достроился до предыдущего готового кусочка, праймеры вырезаются специальным ферментом, место выреза заполняется недостающими нуклеотидами.

Терминация

Удвоение завершается, когда обе цепочки достроили себе дочерние, а все фрагменты О’Казаки сшиты между собой. У эукариотов репликация ДНК заканчивается, когда репликативные вилки встречаются друг с другом. А у прокариот эта молекула кольцевая, а процесс ее удвоения происходит без предварительного разрыва цепи. Получается, что вся дезоксирибонуклеиновая кислота является одним большим репликоном. И удвоение заканчивается тогда, когда репликативные вилки встречаются на противоположной стороне кольца. После окончания репликации обе цепочки родительской дезоксирибонуклеиновой кислоты должны быть сцеплены обратно, после чего обе молекулы закручиваются до образования суперспиралей. Далее происходит метилирование обеих молекул ДНК по аденину в участке –ГАТЦ-. Это не разъединяет цепи и не мешает их комплиментарности. Это необходимо для складывания молекул в хромосомы, а также для регуляции чтения генов.

Скорость и точность репликации

Вторая стадия удваивания ДНК (элонгация) проходит со скоростью около 700 нуклеотидов в секунду. Если вспомнить, что на один виток нуклеиновой кислоты приходится 10 пар мономеров, то выходит, что во время «расплетания» молекула вращается с частотой 70 оборотов в секунду. Для сравнения: скорость вращения кулера в системном блоке компьютера составляет примерно 500 оборотов в секунду. Но несмотря на высокие темпы, ДНК полимераза практически никогда не ошибается. Ведь она просто подбирает комплиментарные нуклеотиды. Но даже если она совершает ошибку, ДНК-полимераза ее распознает, делает шаг назад, отрывает неправильный мономер и заменяет его верным. Механизм репликации ДНК очень сложен, но основные моменты мы смогли разобрать. Важно понимать его значение как для микроорганизмов, так и для многоклеточных существ.

www.syl.ru

Удвоение ДНК

 

Молекулы ДНК обладают поразительным свойством, не присущим ни одной другой из известных молекул, - способностью к удвоению. Что представляет собой процесс удвоения? Вы помните, что двойная спираль ДНК построена по принципу комплементарности (см. рис. 7). Этот же принцип лежит в основе удвоения молекул ДНК. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются, нити расходятся, и к каждому нуклеотиду каждой из этих нитей последовательно пристраиваются комплементарные нуклеотиды. Разошедшиеся нити исходной (материнской) молекулы ДНК являются матричными - они задают порядок расположения нуклеотидов во вновь синтезируемой цепи. В результате действия сложного набора ферментов происходит соединение нуклеотидов друг с другом. При этом образуются новые нити ДНК, комплементарные каждой из разошедшихся цепей (рис. 20).

 

Рис. 20. Схема удвоения ДНК.

 

Таким образом, в результате удвоения создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из них имеет одну нить, полученную от материнской молекулы, и одну нить, синтезированную вновь.

 

Дочерние молекулы ДНК ничем не отличаются друг от друга и от материнской молекулы. При делении клетки дочерние молекулы ДНК расходятся по двум образующимся клеткам, каждая из которых вследствие этого будет иметь ту же информацию, которая содержалась в материнской клетке. Так как гены - это участки молекул ДНК, то две дочерние клетки, образующиеся при делении, имеют одинаковые гены.

 

Каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений, поэтому все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Случайно возникшая ошибка в гене зародышевой клетки будет воспроизведена в генах миллионов ее потомков. Вот почему все эритроциты больного серповидноклеточной анемией имеют одинаково «испорченный» гемоглобин. Дети, больные анемией, получают «испорченный» ген от родителей через их половые клетки. Информация, заключенная в ДНК клеток (генетическая информация), передается не только из клетки в клетку, но и от родителей к детям. (Подробно об этом будет рассказано в главе VII.) Ген является единицей генетической, или наследственной, информации.

 

Трудно, глядя на типографскую матрицу, судить о том, хорошая или плохая книга будет по ней напечатана. Невозможно судить и о качестве генетической информации по тому, «хороший» или «плохой» ген получили потомки по наследству, до тех пор, пока на основе этой информации не будут построены белки и не разовьется целый организм.

 

 

См. также:  ДНК — матрица для синтеза белков.

 

 Обсудить на форуме

 

gerontology-explorer.narod.ru

Удвоение молекул ДНК (репликация) — Студопедия.Нет

Рис. 40

В репликации (слово "реплика" означает "отпечаток, копия") участвуют 5 различных белков (рис. 40). Все вместе они образуют так называемую репликативную вилку. Репликативная вилка постепенно ползет вдоль молекулы ДНК, оставляя позади две новые молекулы ДНК. Первой движется хеликаза. Она разъединяет две нуклеотидные цепочки ДНК. На образовавшиеся одноцепочечные участки немедленно налипают стабилизирующие белки. Стабилизирующие белки не дают двум комплементарным друг другу цепочкам ДНК вновь соединиться позади хеликазы. Следом за хеликазой по одной из цепей (она называется лидирующая цепь) ползет ДНК-полимераза в направлении к 5'-концу. Она синтезирует новую цепочку нуклеотидов ДНК, комплементарную лидирующей цепи, присоединяя нуклеотиды ДНК к 3'-концу. По второй цепи ДНК (отстающая цепь) ДНК-полимераза ползет в противоположном направлении (тоже в направлении к 5'-концу). Но при этом получается, что отстающая цепь изготавливается "по кусочкам": ДНК-полимераза всякий раз ползет от хеликазы назад, к началу предыдущего кусочка, и отделяется от ДНК, оставив "дырку" (всего одну разомкнутую связь между соседними нуклеотидами) между концом только что изготовленного кусочка и началом предыдущего. Эту недостающую связь образует специальный белок ДНК-лигаза.

! Присоединение нового нуклеотида к молекуле РНК или ДНК (полимеразная реакция).

Рис. 41. Полимеразная реакция

На рис. 41 показано, как это делается. Обратите внимание: в качестве "сырья" для изготовления нуклеиновых кислот используются не просто мономеры - нуклеотиды, а нуклеозидтрифосфаты. Эти молекулы похожи на нуклеотиды, но, в отличие от них, содержат не один, а целых три остатка фосфорной кислоты. В результате каждой реакции присоединения нового нуклеотида (всегда к 3'-концу!) "растущей" молекулы РНК или ДНК два фосфата отделяются.

? Попробуйте теперь заново прочитать "Сказку о передаче информации в клетке", и внести в нее все необходимые уточнения и исправления.

 

Глава 6. Цитоскелет.

Любой из нас имеет скелет. Он состоит из твердых костей, гибких связок, соединяющих кости между собой, и мягких мышц, которые прикреплены к костям и, с силой меняя форму, изменяют взаимное расположение разных костей и мягких тканей тела относительно костей. В клетке имеются специальные белки, играющие роль костей и мышц. Всю систему таких белков называют цитоскелетом.

Микротрубочки

Рис. 42

Микротрубочки (рис. 42) полностью соответствуют своему названию. Это прямые микроскопические трубочки (наружный диаметр 28 нм, внутренний - 14 нм), состоящие из двух похожих друг на друга белков a-тубулина (a - греческая буква альфа, все слово читается "альфа-тубулин") и в-тубулина ("бета-тубулин"). Два конца микротрубочки отличаются друг от друга некоторыми важными свойствами (их называют "+" и "-"-концы). В ДНК клетки имеются два разных гена, содержащие информацию о последовательностях аминокислот а-тубулина и в-тубулина. После синтеза на рибосомах в цитоплазме молекулы а- и в-тубулина объединяются в димеры ("ди" - "два", "мерос" - "часть"). Димеры тубулина при определенных условиях могут присоединяться к "+"-концу микротрубочки, микротрубочка при этом удлиняется. С "-"-конца микротрубочки могут разбираться (то есть от него отделяются димеры тубулина, и микротрубочка при этом укорачивается). Изменяя условия в разных частях цитоплазмы, клетка имеет возможность делать сеть микротрубочек в ней более или, наоборот, менее густой. Кроме того, есть белки, способные присоединяться к "+"-концам микротрубочек, прекращая тем самым их сборку, и другие белки, способные присоединяться к "-"-концам и прекращать разборку микротрубочек (вместе они называются “кэпирующие белки”).

Известны специальные транспортные белки, способные перетаскивать по микротрубочкам различные органоиды клетки. Один из них, кинезин, переносит их в направлении от "-"- к "+"-концу.

! Механизм образования пищеварительной вакуоли при фагоцитозе

В большинстве клеток работают два независимых механизма.

Первый из них - простое следствие механизма прилипания пищевой частицы к мембране. За счет теплового движения молекул воды и пищевая частица, и рецепторы мембраны все время слегка вибрируют. Поэтому близко расположенные, но еще не соединившиеся друг с другом рецепторы и лиганды через короткое время сталкиваются и слипаются. Получается, что мембрана все больше и больше налипает на пищевую частицу со всех сторон (рис. 14а), 1-4).

Второй механизм обеспечивается работой специальных белков, одним концом присоединяющихся к рецепторам мембраны, уже прилипшим к лигандам на пищевой частице, а другим - к расположенным под мембраной микротрубочкам. Эти белки способны двигаться по микротрубочкам вглубь цитоплазмы, "волоча за собой" рецепторы, закрепленные в мембране. В результате работы многих таких белков весь кусок мембраны, прилипший к пищевой частице, погружается внутрь клетки, "на ходу" замыкаясь в пузырек (рис. 14б), 5).

Актомиозин.

Актомиозин - комплекс из молекул 4-х разных белков (а именно актина, тропонина, тропомиозинаимиозина) в виде нитей в цитоплазме, способных с силой укорачиваться.

 

Рис. 43

В результате синтеза белка на актиновой иРНК от рибосом отделяются молекулы G-актина (рис. 43а)). В цитоплазме они слипаются друг с другом в нити F-актина. Молекулы тропомиозина тоже сначала слипаются друг с другом в нити, а затем такие нити присоединяются к двум желобкам каждой нити F-актина. На нить F-актина садятся также молекулы тропонина (рис. 43б)). Молекула тропонина состоит из трех субъединиц. Одна из них способна присоединяться к F-актину, вторая - к тропомиозину, а третья соединяет первые две, прикрепляясь одним концом к первой, а другим - ко второй. Нить, состоящую из этих трех белков, называют актиновым филаментом,илимикрофиламентом. При появлении в растворе ионов кальция третья субъединица тропонина удлиняется, извлекая нити тропомиозина из желобков F-актина (рис. 43в)), при исчезновении кальция из раствора эта субъединица укорачивается, возвращая нити тропомиозина обратно в желобки.

 Рис. 44                                                                                                               Рис. 45

Молекула миозина состоит из двух "головок" и "хвоста". Такие молекулы в цитоплазме могут слипаться друг с другом, образуя нити миозина (рис. 44. "Головки" молекул миозина образуют на поверхности нити миозина шесть продольных рядов. Отдельная молекула миозина в присутствии ионов кальция и АТФ перемещается по микрофиламенту в направлении от своего "хвоста"”, цепляясь “головками” за желобки F-актина. Нить миозина может присоединить максимум 12 актиновых филаментов (по 6 с каждого конца), и затем в присутствии ионов кальция и АТФ (подробно про ионы кальция рассказано в главе 7, а про АТФ - в главе 9) "тащить" их друг к другу до соприкосновения (рис. 45а)). Выяснилось, что в некоторых клетках миозин образует димеры (рис. 45б)). Димер миозина может перемещать один микрофиламент по другому.

 

Клеточный цикл. Митоз.

Доказано, что новые живые клетки могут возникать одним-единственным способом - в результате деления клеток. В ядре каждой клетки имеются молекулы ДНК, содержащие информацию об аминокислотном составе всех ее белков. Обе клетки, возникающие в результате деления, должны получить полноценные копии всех молекул ДНК материнской клетки. Для этого все молекулы ДНК материнской клетки должны быть сначала удвоены (период в жизни клетки, когда в ней происходит удвоение (репликация) ДНК, называется S-фазой клеточного цикла), а во время деления клетки - распределены по обеим дочерним клеткам.

Рис. 46

Клеточный цикл - это последовательность событий, связанных с размножением клетки (рис. 46). Он состоит из собственно деления клетки (митоза), паузы до начала удвоения ДНК (G1-фаза), удвоения ДНК (S-фаза) и паузы от момента окончания S-фазы до начала митоза (G2-фазы). G1-, S- и G2-фазы вместе называются интерфазой.

 

Рис. 47

Молекулы ДНК в G2-фазе перед началом митоза подвергаются тщательной упаковке с помощью специальных белков (рис. 47). Результат этой упаковки - митотическая хромосома. Перед началом митоза внутри ядра под микроскопом становятся видны хромосомы (упакованные молекулы ДНК, соединенные попарно центромерами с помощью специальных белковых “замков” - кинетохоров). Каждая такая пара молекул ДНК - "сестры", получившиеся при удвоении одной молекулы ДНК клетки. При митозе им предстоит разойтись по разным дочерним клеткам.

Сам митоз состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы.

Рис. 48

В профазе (рис. 48, 1) происходит удвоение центриолей (каждая из двух центриолей материнской клетки строит около себя дочернюю центриоль) и две пары центриолей расходятся в разные концы (принято говорить: на разные полюса) делящейся клетки. После этого около каждой пары центриолей начинается сборка микротрубочек (при этом их "+"-концы обращены от центриолей в цитоплазму). В результате образуется веретено деления, состоящее из двух половинок (полуверетен) с парой центриолей в вершине каждой из них. В конце профазы оболочка ядра распадается на мелкие мембранные пузырьки (в конце митоза из них будут собраны два новых ядра), и хромосомы оказываются в цитоплазме.

В метафазе (рис. 48, 2-3) "+"-концы микротрубочек прикрепляются к кинетохорам хромосом. Первый из этих "+"-концов может прикрепиться к кинетохору с любой стороны. Далее возможны два варианта развития событий. Если "+"-конец второй микротрубочки прикрепится к кинетохору с той же стороны, что и первый, то в следующий момент кинетохор отделяется от обеих микротрубочек, и все начинается сначала. Если же "+"-конец второй микротрубочки прикрепится к кинетохору со стороны другого полюса клетки, то кинетохор прочно прикрепляется к обеим микротрубочкам. Что происходит дальше, не вполне понятно. Почему-то сборка и разборка прикрепившихся к кинетохорам хромосом микротрубочек происходят так, что все хромосомы выстраиваются в плоскости экватора делящейся клетки. Известно, что если с помощью тонкой стеклянной иглы помешать одной хромосоме добраться до этой плоскости, митоз приостановится до тех пор, пока эта хромосома не займет свое место.

Рис. 49

Когда все хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости, специальные белки разрезают кинетохоры пополам, так, что "сестринские" молекулы ДНК (с момента разрезания кинетохора каждую из них можно называть отдельной хромосомой) отделяются друг от друга и начинают расходиться к разным полюсам клетки. Это - момент начала анафазы (рис. 48, 4). Полуверетена в анафазе расходятся в разные стороны, причем каждое из них двигается как единое целое. Расхождение происходит за счет работы молекул белков-кинезинов. Каждая такая молекула, прикрепившись к микротрубочке одного полуверетена, тащит ее по микротрубочке второго полуверетена в направлении к "+"-концу (рис. 49).

В телофазе (рис. 48г)) происходит разборка микротрубочек веретена деления и образование двух ядер из мембранных пузырьков вокруг двух групп хромосом на полюсах клетки. Если стеклянной иглой отделить одну из хромосом от группы, то вокруг нее образуется отдельное маленькое ядро.

Последний этап митоза - деление цитоплазмы. У животных под мембраной клетки в районе ее экватора формируется кольцевой пучок актомиозина. Поочередно сокращаясь и перестраиваясь, он постепенно пережимает цитоплазму пополам, увлекая за собой мембрану.

! Механизм деления цитоплазмы в клетках растений

Рис. 50

У растений экваториальная плоскость заполняется мембранными пузырьками, затем они сливаются друг с другом, разделяя цитоплазму на две части (рис. 50).

? Какие выводы можно сделать из опытов, описанных в рассказе про деление клетки? Предложите гипотезы:

  1. о том, что мешает белкам, разрезающим кинетохоры хромосом, начать это делать до того, как все хромосомы окажутся в экваториальной плоскости клетки;
  2. о том, что заставляет мембранные пузырьки в телофазе митоза собираться вокруг хромосом.

 

studopedia.net

Удвоение ДНК — матричный синтез — КиберПедия

Матричный биосинтез — запрограммированный с помощью нуклеиновых кислот (НК) процесс сборки новых цепей полимеров (нуклеиновые кислоты, используемые как программы в матричном биосинтезе, называют матрицами). Реакции матричного биосинтеза:

реакция синтеза РНК на ДНК

удвоение ДНК

синтез белка на матрице иРНК

Значение реакции матричного синтеза:

способность к воспроизведению себе подобных

Репликация ДНК — это процесс синтеза дочерней молекулы ДНК. Он происходит в процессе деления клетки на матрице родительской молекулы ДНК. Генетический материал, заключенный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками. Репликацию ДНК осуществляет специальный фермент — ДНК-полимераза. Цепи ДНК расходятся, и каждая из них становится матрицей. Каждая синтезированная молекула ДНК состоит из одной цепи родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм удвоения называется полуконсервативным.

Удвоение ДНК — полуконсервативная репликация

Уотсон и Крик предположили, что удвоение ДНК происходит по полуконсервативному механизму. Это означает, что каждой новой двойной спирали одна цепь нуклеотидов достаётся от старой, а вторая цепь достраивается заново. В 1958 г этот механизм был подтвержден в опыте Месельсона и Сталя.

Распределение ДНК в последовательных поколениях после переноса на среду с легким изотопом азота

Каждая молекула ДНК содержит множество атомов азота. Наиболее распространён изотоп азота 14N. Существует также изотоп 15N, он не радиоактивен, а лишь тяжелее 14N. Содержащие тяжелый изотоп молекулы ДНК функциональны и могут удваиваться. Были выращены несколько поколений E. coli в среде, где в качестве источника азота присутствовали соли аммония, содержащие тяжелый изотоп 15N. Затем их ДНК была выделена и центрифугирована в градиенте плотность CsCl. Каждая молекула ДНК останавливалась на том уровне в пробирке, где её плотность совпадает с плотностью раствора соли. При длительном центрифугировании с ускорением около 10.000 g ионы цезия и хлора распределяются в пробирке неравномерно — у дна их концентрация повышается. ДНК бактерий, выращенных в 15N среде, была более тяжёлой. Эти бактерии затем были помещены обратно в 14N среду, где им было позволено разделится только один раз. Затем из клеток были извлечена ДНК, её плавучая плотность оказалась больше плавучей плотности ДНК бактерий, выращенных в среде, богатой 14N, но меньше плавучей плотности ДНК бактерий, выращенных в 15N среде. Это противоречило гипотезе о консервативном характере репликации ДНК, когда одна дочерняя клетка получает материнскую ДНК, а вторая — вновь синтезированную, обе цепи которой — новые, так как в этом случае ДНК разделилась бы на две фракции — лёгкую, содержащую атомы 14N, и тяжёлую, содержащую 15N. Однако этот результат не исключал дисперсный механизм репликации, когда куски материнской ДНК распределяются между дочерними ДНК случайным образом. Поэтому было выращено второе поколение бактерий, и их ДНК также была отцентрифугирована в градиенте хлористого цезия. Выяснилось, что клетки содержат в равном количестве как полностью «лёгкие» ДНК, так и «гибридные». Этот факт позволил исключить гипотезу дисперсного механизма репликации.

Задание 1

Для проведения этого эксперимента потребовалось получить синхронизированную культуру бактерий — такую культуру, в которой все клетки делятся одновременно. Как вы думаете, зачем?

Задание 2

Придумайте способы, с помощью которых можно получить такую культуру. Затем найдите в литературе данные о том, как в действительности получают синхронизированные культуры.

Задание 3

Предскажите результаты, которые получили бы Месельсон и Сталь в случае

а) консервативного и

б) дисперсного механизмов удвоения ДНК, Нарисуйте, как выглядело бы распределение ДНК в градиенте хлористого цезия через одно, два и три деления после переноса в среду с легким изотопом азота в случаях а) и б).

Источником энергии для удвоения ДНК служат макроэргические связи трифосфатнуклеотидов

Структура АТФ

Молекулы трифосфатнуклеотидов (АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ) состоят из азотистого основания, сахара дезоксирибозы и трёх остатков ортофосфорной кислоты. Трифосфатнуклеотиды относятся к макроэргическим соединениям, то есть к химическим соединениям, содержащим связи, при гидролизе которых высвобождается значительное количество энергии. В данном случае запасающие энергию связи — связи между остатками фосфорной кислоты. Гидролиз такой связи, сопровождаемый отщеплением двух остатков, приводит к выделению от 40 до 60 кДж/моль (в зависимости от условий). При синтезе новой цепочки ДНК из трифосфатнуклеотидов от каждого из них отщепляется два остатка фосфорной кислоты. Выделяющейся при этом энергии хватает на образование ковалентной связи между неотщепившимся остатком фосфорной кислоты и третьим атомом углерода в дезоксирибозе следующего нуклеотида.

cyberpedia.su

Удвоение ДНК

 

Молекулы ДНК обладают поразительным свойством, не присущим ни одной другой из известных молекул, - способностью к удвоению. Что представляет собой процесс удвоения? Вы помните, что двойная спираль ДНК построена по принципу комплементарности (см. рис. 7). Этот же принцип лежит в основе удвоения молекул ДНК. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются, нити расходятся, и к каждому нуклеотиду каждой из этих нитей последовательно пристраиваются комплементарные нуклеотиды. Разошедшиеся нити исходной (материнской) молекулы ДНК являются матричными - они задают порядок расположения нуклеотидов во вновь синтезируемой цепи. В результате действия сложного набора ферментов происходит соединение нуклеотидов друг с другом. При этом образуются новые нити ДНК, комплементарные каждой из разошедшихся цепей (рис. 20).

 

Рис. 20. Схема удвоения ДНК.

 

Таким образом, в результате удвоения создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из них имеет одну нить, полученную от материнской молекулы, и одну нить, синтезированную вновь.

 

Дочерние молекулы ДНК ничем не отличаются друг от друга и от материнской молекулы. При делении клетки дочерние молекулы ДНК расходятся по двум образующимся клеткам, каждая из которых вследствие этого будет иметь ту же информацию, которая содержалась в материнской клетке. Так как гены - это участки молекул ДНК, то две дочерние клетки, образующиеся при делении, имеют одинаковые гены.

 

Каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений, поэтому все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Случайно возникшая ошибка в гене зародышевой клетки будет воспроизведена в генах миллионов ее потомков. Вот почему все эритроциты больного серповидноклеточной анемией имеют одинаково «испорченный» гемоглобин. Дети, больные анемией, получают «испорченный» ген от родителей через их половые клетки. Информация, заключенная в ДНК клеток (генетическая информация), передается не только из клетки в клетку, но и от родителей к детям. (Подробно об этом будет рассказано в главе VII.) Ген является единицей генетической, или наследственной, информации.

 

Трудно, глядя на типографскую матрицу, судить о том, хорошая или плохая книга будет по ней напечатана. Невозможно судить и о качестве генетической информации по тому, «хороший» или «плохой» ген получили потомки по наследству, до тех пор, пока на основе этой информации не будут построены белки и не разовьется целый организм.

 

 

См. также:  ДНК — матрица для синтеза белков.

 

 Обсудить на форуме

 

gerontology-explorer.narod.ru