Охарактеризуйте процесс репликации кратко

Обновлено: 05.07.2024

Процесс удвоения ДНК . Когда-то мы все были одной клеткой — зиготой, в которой была лишь одна молекула, в которой была заключена тайна, какими мы вырастем, а сейчас перед экраном сидишь ты — и в тебе аж 100 триллионов клеток, в каждой из которых своя собственная копия ДНК! Удивительно, не правда ли? Процесс, благодаря которому ДНК может удваиваться перед делением клеток называется репликацией.

Матричные процессы

Репликация, также как транскрипция (синтез РНК на базе ДНК) и трансляция (синтез белка) относятся к матричным процессам. Что это значит?

Матричные процессы в биологии — синтез чего-то, опираясь на матрицу — то есть на образец. Все эти процессы связаны с ДНК или РНК, так как они являются буквально инструкциями, как собирать другие молекулы.

Репликация — имеем молекулу ДНК, строим вторую молекулу на базе первой, подбираем нуклеотиды по принципу комплиментарности (что чему соответствует), в итоге получаем две одинаковые молекулы ДНК.

Транскрипция — на базе ДНК строим РНК, тоже строго выстаивая нуклеотиды так, как записано на матрице ДНК.

Трансляция — выстаиваем аминокислоты в цепь строго в соответствии с матрицей РНК.

Например последовательность ДНК — АГЦЦА. К Аденину мы поставим Тимин, к Гуанину — Цитозин, получим — ТЦГГТ. У нас получилась не абы какая молекула, а четко соответствующая своей матрице.

Зачем нужна репликация и когда она происходит?

Внимание, репликация — не деление ДНК, а ее синтез . То есть была 1 молекула — стало две. ДНК должна быть почти во всех клетках нашего организма, а значит перед делением клеток она должна удвоится . Мы растем, клеток становится больше, клетки умирают со временем и меняются на новые, заживают порезы — все эти процессы идут за счет деления клеток — митоза . Чтобы произвести в нашем организме половые клетки для размножения тоже нужно деление клеток, но уже мейозом (митоз — бесполое, мейоз — половое). В обоих случаях, до того, как клетки поделятся, ДНК должна пройти репликацию.

Жизненный цикл клетки можно условно разделить на две фазы — деление клетки (на схеме М — митоз) и интерфазу — ее жизнь между делениями. Когда клетка уже делится, копировать ДНК поздно, поэтому ДНК будет копироваться в интерфазу, заранее.

Сама интерфаза тоже делится на периоды — G1 — клетка растет, S — от слова синтез — синтетический период — идет репликация ДНК, G2 — готовится к делению.

Итак, репликация происходит в синтетический период интерфазы.

Сам процесс будет идти в ядре, прям там же, где хранится ДНК. У прокариот, у которых нет ядра, репликация идет в цитоплазме.

Репликативная вилка

Чтобы построить новую цепь ДНК в соответствии со старой — нужно использовать правило комплиментарности — Аденин соответствует Тимину, Гуанин — Цитозину.

Они соединяются именно так из-за химических взаимодействий между азотистыми основаниями. Давайте посмотрим на строение молекулы ДНК и разберемся, где эти связи образуются.

Это двойные (между Тимином и Аденином) и тройные (между Гуанином и Цитозином) водородные связи — именно они поддерживают двуспиральную форму молекулы, находясь между двумя цепями.

Получается, чтобы построить идентичную цепь, нужно строить водородные связи между комплементарными основаниями, а они находятся внутри спирали. Понимаете, к чему я веду? Перед тем, как создать новую молекулу — нужно сломать структуру старой — разделить две цепи между собой, чтобы встраивать нуклеотиды внутрь, где возможно образование водородных связей между ними.

Такая структура называется репликативной вилкой — есть двойная старая ДНК, которая в точке начала репликации разделяется на две цепи — и на каждой цепи синтезируется уже новая молекула ДНК. Похоже скорее на двузубец, чем на вилку, ну да ладно).

Синтез ДНК осуществляет специальный белок-фермент — ДНК-полимераза. Представляйте его как строителя ДНК.

Из темы про нуклеиновые кислоты мы помним, что один конец цепи 3' (там где свободной остается ОН группа у третьего атома углерода в дезоксирибозе), а другой — 5' (где остается свободной фосфатная группа у 5 нуклеотида дезоксирибозы). По правилу антипараллельности — где 3' конец одной цепи — там 5' штрих конец другой цепи — и наоборот.

ДНК-полимераза умеет выстраивать нуклеотиды только в направлении от 5' к 3' для новой цепи . То есть она ползет по старой цепи в направлении от 3'к 5', а новую цепь строит всегда от 5' к 3'.

Я очень долго путала, в каком направлении работает ДНК-полимераза, пока не придумала простую ассоциацию — 5 — число больше, чем три, представим, что это метры и нарисуем горку — 5' — вверх горки, а 3' — низ. Теперь в красках представьте, что вы несетесь с этой горки вниз на велике — эта горка новая цепь ДНК, которая строится от 5' к 3'. Я нарисовала тебе картинку, надеюсь, поможет ;)

Теперь внимание — мы расплели две цепи ДНК — одна была в направлении от 5 к 3, а другая — наоборот. ДНК- полимераза будет легко двигаться по ходу движения репликативной вилки — от 3' к 5' концу — это лидирующая цепь. Но что делать со второй цепью? Там тоже будет работать тот же фермент, но в обратную сторону и маленькими догоняюшими кусочками, эта цепь называется отстающей, а кусочки — фрагментами Оказаки.

Полуконсервативная репликация ДНК

Как именно строится новая цепь ДНК? Было несколько гипотез:

1) Консервативная — есть старая молекула ДНК и на ее базе строится новая молекула ДНК, состоящая из двух новых цепей. То есть одна клетка получит старую молекулу, а другая — новую

2) Полуконсервативная — на базе каждой из старых цепей строится новая, в итоге мы получаем две молекулы ДНК, у каждой из которых одна цепь — из старой, а другая цепь — из новой.

3) Дисперсионная — новые молекулы просто включают в себя рандомные куски из старой и из новой ДНК.

Давайте еще раз взглянем на то, как идет репликация в репликационной вилке и поймем, какая из гипотез правдивая.

Мы видим, что нуклеотиды новой цепи (синие) образуют связи с нуклеотидами старой цепи (зелеными), значит каждая молекула ДНК после репликации будет содержать и старую и новую цепь — это полуконсервативная модель .

Почему иначе быть не могло? При другой модели невозможно было бы соблюсти правило комплиментарности, подобрать один нуклеотид в строгом соответствии с другим. Единственный способ это сделать — образовывать связи между старыми и новыми нуклеотидами. Это суть всех матричных процессов, новая молекула синтезируется на матрице старой молекулы.

Но как ученые доказали, какая из гипотез верная?

Это сделали Мэтт Мезельсон и Франклин Сталь в 1954 году используя метод меченных атомов . Этот метод основан на использовании изотопов . Разные изотопы одного элемента отличаются только количеством нейронов в ядре, что влияет на их молекулярную массу, но при этом не влияет на функции. То есть мы сможем детектировать молекулы, образованные разными изотопами.

Как мы помним, азотистые основания в нуклеотидах ДНК содержат атом азота (N). Чтобы различать молекулы ДНК ученые взяли тяжелый изотоп азота 15N и добавили в питательную среду для бактерий E.coli — они росли и размножались на ней, встраивая тяжелые изотопы в свою ДНК. Получилось, что вся их ДНК включала в себя только тяжелые изотопы 15N. После этого ученые перенесли бактерии на питательную среду, содержащую только легкие изотопы азота 14N — и бактерии начали встраивать в свои вновь синтезированные цепи ДНК более легкий изотоп. Получилось, что старые цепи ДНК были мечены изотопом 15N, а новые — изотопом 14N.

Чтобы детектировать где какой изотоп, ученые воспользовались методом центрифугирования в градиенте плотности — разделение молекул по плотности за счет очень быстрого вращения. Более легкие молекулы окажутся сверху, а более тяжелые — внизу.

Какие же результаты они получили?

Анализ ДНК бактерий первого поколения показал, что из ДНК по плотности находится где-то между ДНК с изотопом 14N и ДНК с изотопом 15N — это значило, что новые молекулы ДНК имеют и те и другие изотопы в своем составе, то есть содержат и старую и новую цепи — такое не могло произойти при консервативной модели репликации — тогда ученые получили бы две полоски — с изотопом 15N и 14N. В следующем поколении распределение было уже 50/50, что явно указывало на то, что каждая цепь осталась целой, то есть дисперсионная гипотеза не подходит. Из эксперимента однозначно следовало, что гипотеза полуконсервативной модели репликации — единственно верная.

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

Процесс репликации: раскручивание двойной спирали ДНК — синтез комплементарных цепей ДНК-полимеразой — образование двух молекул ДНК из одной.

Реплика́ция ДНК — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15—20 различных белков, называемый англ. replisome ) [1] .

Содержание

История изучения

Общие представления

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. Репликация проходит в три этапа:

инициация репликации
элонгация
терминация репликации.

Регуляция репликации осуществляется в основном на этапе инициации. Это достаточно легко осуществимо, потому что репликация может начинаться не с любого участка ДНК, а со строго определённого, называемого сайтом инициации репликации. В геноме таких сайтов может быть как всего один, так и много. С понятием сайта инициации репликации тесно связано понятие репликон. Репликон — это участок ДНК, который содержит сайт инициации репликации и реплицируется после начала синтеза ДНК с этого сайта. Геномы бактерий, как правило, представляют собой один репликон, это значит, что репликация всего генома является следствием всего одного акта инициации репликации. Геномы эукариот (а также их отдельные хромосомы) состоят из большого числа самостоятельных репликонов, это значительно сокращает суммарное время репликации отдельной хромосомы. Молекулярные механизмы, которые контролируют количество актов инициации репликации в каждом сайте за один цикл деления клетки, называются контролем копийности. В бактериальных клетках помимо хромосомной ДНК часто содержатся плазмиды, которые представляют собой отдельные репликоны. У плазмид существуют свои механизмы контроля копийности: они могут обеспечивать синтез как всего одной копии плазмиды за клеточный цикл, так и тысяч копий [1] .

Репликация начинается в сайте инициации репликации с расплетания двойной спирали ДНК, при этом формируется репликационная вилка — место непосредственной репликации ДНК. В каждом сайте может формироваться одна или две репликационные вилки в зависимости от того, является ли репликация одно- или двунаправленной. Более распространена двунаправленная репликация. Через некоторое время после начала репликации в электронный микроскоп можно наблюдать репликационный глазок — участок хромосомы, где ДНК уже реплицирована, окруженный более протяженными участками нереплицированной ДНК [1] .

В репликационной вилке ДНК копирует крупный белковый комплекс (реплисома), ключевым ферментом которого является ДНК-полимераза. Репликационная вилка движется со скоростью порядка 100 000 пар нуклеотидов в минуту у прокариот и 500—5000 — у эукариот [3] .

Молекулярный механизм репликации

Цепи молекулы ДНК расходятся, образуют репликационную вилку, и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.

Поскольку ДНК является молекулой наследственности, то для реализации этого качества она должна точно копировать саму себя и таким образом сохранять всю имеющуюся в исходной молекуле ДНК информацию в виде определенной последовательности нуклеотидов. Это обеспечивается за счет особого процесса, предшествующего делению любой клетки организма, который называется репликацией ДНК.

Для репликации лидирующей и отстающей цепей клеткой используют разные ферменты. В результате репликации образуются две новые абсолютно идентичные молекулы ДНК, идентичные также исходной молекуле ДНК до начала ее редупликации (более подробно процесс репликации ДНК показан на рис. 3.5). ДНК-полимераза, как и любой другой фермент, существенно ускоряет процесс присоединения комплементарных нуклеотидов к свободной цепи ДНК, однако химическое сродство аденина к тимину, а цитозина к гуанину столь велико, что они соединяются друг с другом и в отсутствие ДНК-полимеразы в простой реакционной смеси.

Можно сказать, несколько упрощая, что феномен точного удвоения молекулы ДНК, в основе которого лежит компле-ментарность оснований этой молекулы, составляет молекулярную основу наследственности. Скорость репликации ДНК у человека относительно низкая и для того, чтобы обеспечить репликацию ДНК любой хромосомы человека, требовались бы недели, если бы репликация начиналась из одной точки. На самом деле в молекуле ДНК любой хромосомы, а-каждая хромосома человека содержит только одну молекулу ДНК, имеется множество мест инициации репликации (репликонов). От каждого репликона репликация идет в обоих направлениях до тех пор, пока соседние репликоны не сливаются. Поэтому репликация ДНК в каждой хромосоме протекает относительно быстро.

Реплика?ция (от лат. replicatio — возобновление) — процесс синтеза дочерней молекулы ДНК на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15-20 различных белков, называемый реплисомой (англ. replisome)

Репликация проходит в три этапа:

1. Инициация репликации

3. Терминация репликации.

Геномы эукариот (а также их отдельные хромосомы) состоят из большого числа самостоятельных репликонов, это значительно сокращает суммарное время репликации отдельной хромосомы. Молекулярные механизмы, которые контролируют количество актов инициации репликации в каждом сайте за один цикл деления клетки, называются контролем копийности. В бактериальных клетках помимо хромосомной ДНК часто содержатся плазмиды, которые представляют собой отдельные репликоны. У плазмид существуют свои механизмы контроля копийности: они могут обеспечивать синтез как всего одной копии плазмиды за клеточный цикл, так и тысяч копий.

Репликация начинается в сайте инициации репликации с расплетания двойной спирали ДНК, при этом формируется репликационная вилка — место непосредственной репликации ДНК. В каждом сайте может формироваться одна или две репликационные вилки в зависимости от того, является ли репликация одно- или двунаправленной. Более распространена двунаправленная репликация. Через некоторое время после начала репликации в электронный микроскоп можно наблюдать репликационный глазок — участок хромосомы, где ДНК уже реплицирована, окружённый более протяжёнными участками нереплицированной ДНК.

Молекулярный механизм репликации:

ДНК-полимераза I действует на запаздывающей цепи для удаления РНК-праймеров и дорепликации очищенных мест ДНК. ДНК полимераза III — основной фермент репликации ДНК, осуществляющий синтез ведущей цепи ДНК и фрагментов Оказаки при синтезе запаздывающей цепи (фрагменты Оказаки – относительно короткие фрагменты ДНК, которые образуются на отстающей цепи в процессе репликации ДНК). Далее происходит закручивание синтезированных молекул по принципу суперспирализации и дальнейшей компактизации ДНК. Синтез энергозатратный.

Репликация проходит в три этапа:

1. Инициация репликации

3. Терминация репликации.

Молекулярный механизм репликации:

Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены: (1) запаздывающая нить, (2) лидирующая нить, (3) ДНК-полимераза (Polα), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) праймаза, (7) фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза (Polδ), (9) хеликаза, (10) белки, связывающие одноцепочечную ДНК, (11) топоизомераза

Процесс репликации: раскручивание двойной спирали ДНК — синтез комплементарных цепей ДНК-полимеразой — образование двух молекул ДНК из одной

Реплика́ция (от лат. replicatio — возобновление) — процесс создания двух дочерних молекул ДНК на основе родительской молекулы ДНК. Репликацию ДНК осуществляет сложный комплекс, состоящий из 15—20 различных белков-ферментов, называемый реплисомой [1] . С помощью специальных ферментов двойная спираль материнской ДНК расплетается на две нити, на каждой образовавшейся нити достраивается вторая нить, образуя две идентичных дочерних молекулы ДНК, которые затем скручиваются в отдельные спирали. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение.

Читайте также: