Реплікація ДНК

 

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

 

 

 

Східноєвропейський національний університет

 

імені Лесі Українки

 

 

 

Біологічний факультет

 

 

 

Індивідуальне навчально-дослідне завдання а тему:

 

«Реплікація в еукаріот»

 

 

 

 

 

 

 

Виконала

 

студентка 12 групи

 

Мельничук Вікторія Олегівна

 

 

 

Перевірила:

 

Абрамчук Ольга Миколаївна

 

 

 

Луцьк 2012

 

Зміст

 

Введення

 

1. Поняття та основа реплікації

 

2. Процес реплікації ДНК

 

2. Реплікація в еукаріот

 

3. Основні ферменти реплікації ДНК

 

Висновок

 

 Список використаної літератури

 

Вступ

 

Вся інформація про будову і функціонування будь-якого організму міститься в закодованому вигляді в його генетичному матеріалі, основу якого у переважної кількості організмів становить ДНК. Роль ДНК полягає в зберіганні і передачі генетичної (спадкової) інформації в живих організмах. Щоб ця інформація могла передаватися від одного покоління клітин (і організмів) до іншого, необхідно її точне копіювання і подальший розподіл її копій між нащадками. Процес, за допомогою якого створюються копії молекули ДНК, називається реплікацією. Перед тим як розділиться, клітини за допомогою реплікації створюють копію свого геному, і в результаті клітинного ділення в кожну дочірню клітину переходить одна копія. Завдяки цьому, генетична інформація, що міститься в батьківській клітині, не зникає, а зберігається і передається нащадкам. У випадку багатоклітинних організмів передача цієї інформації здійснюється за допомогою статевих клітин, що утворюються в результаті мейотичного поділу і також несучих копію геному (гаплоїдного). Їх злиття призводить до об'єднання двох батьківських геномів в одній клітині (зиготі). З неї розвивається організм, клітини якого несуть генетичну інформацію обох батьківських організмів. Таким чином, основне значення реплікації полягає в постачанні потомства генетичною інформацією. Для забезпечення стабільності організму та виду ДНК повинна реплицироваться повністю і з дуже високою точністю, що забезпечується функціонуванням певного набору білків. Чудовою особливістю ДНК і те, що вона несе гени кодують ці білки, і, таким чином, інформація про механізм її власного подвоєння закодована в ній самій.

 

1. Поняття та основа реплікації

 

Реплікація (лат. replicatio - повторення, від лат. Replico - звертаюся тому, повторюю), редуплікація, ауторепродукція, аутосінтез, що протікає у всіх живих клітинах процес самовідтворення (самокопірованія) нуклеїнових кислот, генів, хромосом.

 

Реплікація ДНК - це процес синтезу дочірньої молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти, який відбувається в процесі поділу клітини на матриці батьківської молекули ДНК. При цьому генетичний матеріал, зашифрований у ДНК, подвоюється і ділиться між дочірніми клітинами. Реплікацію ДНК здійснює фермент ДНК-полімераза.

 

В основі механізму реплікації лежить ферментативний синтез дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) або рибонуклеїнових кислот (РНК), здійснюваний за матричним принципом. Запропонована в 1953 Дж. Уотсоном і Ф. Криком модель будови ДНК - так звана подвійна спіраль - з одного боку, пояснила, яким чином записана генетична інформація в молекулі ДНК, з іншого - дозволила зрозуміти і експериментально вивчати хімічні механізми подвоєння генетичного матеріалу. Сувора специфічність спарювання азотистих основ у молекулі ДНК обумовлює комплементарність послідовностей підстав у двох ланцюгах і забезпечує високу точність реплікації. Пара гуанін - цитозин стабілізується трьома водневими зв'язками, пара аденін - тимін - двома, що різко знижує імовірність неправильного спарювання підстав. Згідно Уотсону і Крику, процес Реплікація ДНК передбачає:

 

1) розрив водневих зв'язків і розплітання ниток подвійної спіралі,

 

2) синтез на одиничних нитках комплементарних ланцюгів.

 

 У результаті з однієї дволанцюжкової ДНК виникають дві подібні молекули, причому в кожній з дочірніх молекул однин полінуклеотидний ланцюг материнський, а інший - синтезований заново (напівконсервативний механізм реплікації).

 

У вищих організмів - еукаріот, клітини яких містять сформоване ядро, основу генетичної інформації, несуть складно організовані структури - хромосоми, що складаються з ДНК, РНК, білків і інших речовин. У інтерфазі, що передує поділу клітин здійснюється реплікація ДНК і інших компонентів хромосом; потім подвоєні хромосоми роз'єднуються і розподіляються рівномірно між дочірніми клітинами. Вся спадкова інформація у відносно незмінному вигляді передається від клітини до клітини, від покоління до покоління.

 

2. Процес реплікації ДНК

 

У процесі реплікації подвійна спіраль ДНК, що складається з двох комплементарних полінуклеотидних ланцюгів, розкручується на окремі ланцюги і одночасно починається синтез нових полінуклеотидних ланцюгів; при цьому вихідні ланцюги ДНК грають роль матриць. Новий ланцюг, синтезуються на кожній з вихідних ланцюгів. Коли процес завершується, утворюються дві ідентичні подвійні спіралі, кожна з яких складається з однієї старої (вихідної) і одного нового ланцюга Таким чином від одного покоління до іншого передається тільки одна з двох ланцюгів, складових вихідну молекулу ДНК, - так званий напівконсервативному механізм реплікації.

 

Реплікація складається з великої кількості послідовних етапів, які включають впізнавання точки початку реплікації, розплітання вихідного дуплексу (спіралі), утримання його ланцюгів в ізольованому один від одного стані, ініціацію синтезу на них нових дочірніх ланцюгів, їх зростання (елонгацію), закручування ланцюгів в спіраль і терминацію (закінчення) синтезу. Всі ці етапи реплікації, що протікають з високою швидкістю і винятковою точністю, забезпечує комплекс, що складається більш ніж з 20 ферментів і білків, - так звана ДНК-репліказна система. Функціональна одиниця реплікації - реплікон, що представляє собою сегмент (ділянка) хромосоми або позахромосомних ДНК, обмежений точкою початку, в якій ініціюється реплікація, і точкою закінчення, в якій реплікація зупиняється. Швидкість реплікації контролюється на стадії ініціації. Почавшись, реплікація продовжується до тих пір, поки весь реплікон не буде подвоєний. Частота ініціації визначається взаємодією спеціальних регуляторних білків з точкою початку реплікації. У кожному клітинному циклі реплікація ініціюється лише один раз.. Еукаріотічні хромосоми (хромосоми всіх організмів, за винятком бактерій і синьо-зелених водоростей) містять велику кількість реплікону, кожен з яких також одноразово ініціюється за один клітинний цикл.

 

Починаючи з точки ініціації, реплікація здійснюється в обмеженій зоні, що переміщається уздовж вихідної спіралі ДНК. Ця активна зона реплікації (т.зв. реплікаційна вилка) може рухатися в обох напрямах. При односпрямованшй реплікації вздовж ДНК рухається одна репликаційна вилка. При двобічній реплікації від точки ініціації в протилежних напрямках розходяться дві реплікаційний вилки; швидкості їх руху можуть різнитися. При реплікації ДНК ссавців швидкість росту дочірнього ланцюга становить 500 і 50 нуклеотидів в 1 с; у рослин ця величина не перевищує 20 нуклеотидів в 1 с. Рух двох вилок в протилежних напрямах створює петлю, яка має вигляд "бульбашки" або. Триваюча реплікація розширює "бульбашку" до тих пір, поки він не включить у себе весь реплікон.

 

У ході реплікації зростання ланцюга здійснюється завдяки взаємодії дезоксирибонуклеозидтрифосфата з 3'-ОН кінцевим нуклеотидом вже побудованої частини ДНК, при цьому відщеплюється пірофосфат і утворюється фосфодіефірний зв'язок. Зростання полінуклеотидного ланцюга йде тільки з її З "-кінця, тобто в напрямку 5 ': 3'. Фермент, що каталізує цю реакцію,-ДНК - полімераза.

 

Геліказа, топоізомераза і ДНК-зв'язуючі білки розплітають ДНК, утримують матрицю в розведеному стані і обертають молекулу ДНК. Правильність реплікації забезпечується точною відповідністю комплементарних пар основ і активністю ДНК-полімерази, здатної розпізнати і виправити помилку. Реплікація у еукаріотів здійснюється кількома різними ДНК-полімеразами. Далі відбувається закручування синтезованих молекул за принципом суперспіралізаціюї і подальшої компактизації ДНК. Синтез енерговитратний.

 

Процес редуплікації: розкручування спіралі молекули - відділення одного ланцюга від одної частини молекули ДНК - вплив ферменту ДНК-полімерази на молекулу - приєднання до кожного ланцюга ДНК комплементарних нуклеотидів - утворення двох молекул ДНК з однієї.

 

 

 

3. Реплікація в  еукаріот

 

Комплементарність азотистих основ у молекулі ДНК становить головну сутність молекулярних основ спадковості і дозволяє зрозуміти, як при діленні клітини синтезуються тотожні молекули ДНК.

 

Перед кожним подвоєнням хромосом і діленням клітини відбувається реплікація (подвоєння) ДНК. Реплікацією називають процес самокопіювання молекули ДНК з дотриманням порядку чергування нуклеотидів, властивого материнським комплементарним ниткам.

 

Спіралеподібна двох ланцюгова ДНК спочатку розплітається (розкручується) уздовж осі, водневі зв'язки між азотистими підставами рвуться і ланцюги розходяться. Потім, до кожного ланцюга прилаштовуються комплементарні азотисті основи, і утворюються дві нові дочірні молекули ДНК. Такий спосіб подвоєння молекул, при якому кожна дочірня молекула містить одну материнську і одну знову синтезовану ланцюг, називають напівконсервативним.

 

У молекулі ДНК в еукаріот точок ініціації реплікації («стартових точок») буває декілька. У еукаріотів процес реплікації ДНК йде неоднаковий. Пояснюється це тим, що полінуклеотидні ланцюга в молекулі ДНК антипараллельні, тобто 5'-кінець одного ланцюга з'єднується з 3'-кінцем іншого, і навпаки. Материнська ланцюг, на якій синтез йде від точки старту 5'-> 3 'у вигляді суцільної лінії, називається лідируючої, а другий ланцюг, на якій синтез йде від 3'-> 5' (в протилежному напрямку) окремими фрагментами отримала назву запізнілої. Синтез цього ланцюга складніший синтезу лідируючого ланцюга. Він протікає з участю ферменту лігази окремими фрагментами. Ці фрагменти (ділянки кодової нитки ДНК) містять у еукаріотів 100-200, а у прокаріот 1000-2000 нуклеотидів. Вони отримали назву фрагментів Оказакі, на ім'я японського вченого, який їх відкрив.

 

Фрагмент ДНК від однієї точки початку реплікації до іншої точки утворює одиницю реплікації - реплікон. Молекули ДНК аукаріотичних клітин містять велику кількість реплікону, тому подвоєння ДНК починається в декількох точках. У різних репліконів подвоєння може йти в різний час або одночасно.

 

У еукаріотів процес реплікації протікає повільно. У них дочірня нитка подовжується на 1,5-2,5 мкм у хвилину.

 

ДНК всіх живих істот влаштоване однаково. ДНК різних видів різняться коефіцієнтом видової специфічності, що є ставлення молекулярної суми А + Т до молекулярної сумі Г + Ц. видоспецифічність ДНК виражається відсотком або часток у ній ГЦ-пар. Коефіцієнт видової специфічності різний у різних видів, але загалом спостерігається зміна ГЦ-пар від прокаріотів до еукаріотів, а в межах останніх - від нижчих до більш високоорганізованим формам.

 

Вуглеводно-фосфатний кістяк по всій довжині у всіх молекулах ДНК має однотипну структуру і не несе генетичної інформації. Спадкова інформація зашифрована різною послідовністю підстав. А якщо послідовність підстав визначає характер білків організмів то відповідна спадковість може передаватися з покоління в покоління.

 

Таким чином, в структорній організації молекули ДНК можна виділити первинну структуру - полінуклеотидний ланцюг, вторинну структуру - дві комплементарні один одному полінуклеотидні ланцюга, з'єднані водневими зв'язками, і третинну структуру - тривимірну спіраль з певними просторовими характеристиками.

 

4. Основні ферменти реплікації ДНК

 

ДНК - полімераза

 

ДНК-полімераза - фермент, що бере участь у реплікації ДНК. Ферменти цього класу каталізують полімеризацію дезоксирибонуклеотидів уздовж ланцюжка ДНК, який фермент «зчитує» і використовує як шаблон. Тип нового нуклеотиду визначається за принципом комплементарності до шаблону, з якого ведеться зчитування. Зібрана молекула комплементарна до шаблонного ланцюжкa і ідентична до другої компоненти подвійної спіралі. Розрізняють ДНК-залежну ДНК-полімеразу, що використовує як матрицю один з ланцюжків ДНК, і РНК-залежну ДНК-полімеразу, здатну до зчитування інформації з РНК (зворотня транскрипція). ДНК-полімераза є холоферментом, оскільки для нормального функціонування вона потребує присутності іонів магнію як кофактора. У відсутності іонів магнію про неї можна говорити як про апофермент. ДНК-полімераза починає реплікацію ДНК, зв'язуючись з відрізком ланцюга нуклеотидів. Середня кількість нуклеотидів, що приєднується до ферментів ДНК-полімераз за один акт зв'язування називають процесивністю.

 

ДНК - лігази

 

Лігаза - фермент, що каталізує з'єднання двох молекул з утворенням нового хімічного зв'язку (лігування). При цьому зазвичай відбувається відщеплення (гідроліз) невеликої хімічної групи від однієї з молекул. У молекулярній біології лігази поділяють на дві великі групи - РНК-лігази і ДНК-лігази. ДНК-лігаза, що здійснює репарацію ДНК. ДНК-лігази - ферменти, що каталізують ковалентне зшивання ланцюгів ДНК в дуплексі при реплікації, репарації та рекомбінації. Вони утворюють фосфодіефірні містки між 5'-фосфорильної і 3'-гідроксильної групами сусідніх дезоксинуклеотидов у місцях розриву ДНК або між двома молекулами ДНК. Для утворення цих містків лігази використовують енергію гідролізу пірофосфорільного зв'язку АТФ.

 

ДНК - хеліказа

 

ДНК хеліказа - ферменти розкручують дволанцюгову спіраль ДНК з витратою енергії гідролізу трифосфато NTP. Утворена одноланцюжкова ДНК бере участь у різних процесах, таких як реплікація, рекомбінація, і репарація. ДНК-хеліказа необхідні для реплікації, репарації, рекомбінації і транскрипції. Хелікази присутні у всіх організмах.