Duplikering af et DNA-molekyle. Hvordan opstår DNA-duplikation i den mitotiske cyklus? Forklar hvad

Replikation (fordobling) af DNA. DNA findes på kromosomer og replikeres før hver kromosomduplikation og celledeling. J. Watson og F. Crick foreslog et DNA-fordoblingsskema, ifølge hvilket spiralformet dobbeltstrenget DNA først afvikles (afvikles) langs sin akse. Hvori hydrogenbindinger mellem de nitrogenholdige baser brydes og kæderne divergerer. Samtidig er komplementære nitrogenholdige baser af nukleotiderne i den anden kæde knyttet til nukleotiderne i hver kæde, hvor thymin står overfor adenin, adenin står overfor thymin, cytosin står mod guanin osv., som er bundet til nye polynukleotidkæder ved hjælp af DNA-polymerase-enzymer. Som følge heraf dannes to nye datter-DNA-molekyler fra det ene. Hvert dattermolekyle, der arver strukturen af ​​en kæde af modermolekylet, bevarer strengt specificiteten af ​​informationen indeholdt i den. Da en af ​​de to kæder af molekylet fungerer som skabelonen for replikation, kaldes denne type DNA-syntese semi-konservativ autoreproduktion.

Yderligere forskning viste, at replikationen af ​​bakterielle og andre DNA-molekyler begynder ved et bestemt udgangspunkt. Flere sådanne udgangspunkter er fundet i eukaryotes kromosomer. DNA-strengene ved replikationsinitieringspunktet adskilles under påvirkning af et specielt helicaseprotein (fig. 19). Enkeltstrengede DNA-sektioner vises, som bliver skabeloner for replikation og tiltrækning af komplementære nukleotider. Disse enkeltkædede regioner binder til specielle proteiner, der stabiliserer dem (forhindrer deres komplementære interaktion). Et særligt enzym topoisomerase (kaldet DNA-gyrase i prokaryoter) fremmer spaltning af DNA-spiralen i regionen af ​​replikationsgaffelen.

Replikation på moderkæden, der går fra udgangspunktet i retningen 5"->3", sker i form af en ubrudt linje. Denne kæde kaldes den førende kæde. Syntese på den anden kæde 3"->5" forekommer i separate fragmenter i modsatte retning(også 5" - "3"). Denne kæde kaldes retarderet. Fragmenter er små sektioner af DNA (E. coli har omkring 2000 nukleotider, eukaryoter har omkring 200). De er opkaldt efter den japanske videnskabsmand R. Okazaki, der opdagede dem. Efter at syntesen er afsluttet, kombineres Okazaki-fragmenterne ved hjælp af enzymet ligase til en fælles polynukleotidkæde. I eukaryoter forekommer DNA-replikation og sammenføjningen af ​​dets forskellige replikationssteder under S-fasen af ​​interfasen. Efter denne fase er afsluttet, har hvert kromosom to DNA-molekyler, som bliver til to identiske kromatider.

En struktur, der er i stand til replikation (kromosom, plasmid, viralt genom) kaldes et replikon.

Selvduplikation af DNA-molekyler er grundlaget for stabiliteten af ​​genetisk information om en given art og sikrer den materielle kontinuitet af cellens arvelige stof.

DNA er et pålideligt lager af genetisk information. Men det skal ikke kun opbevares sikkert, men også gives videre til afkom. Artens overlevelse afhænger af dette. Forældre skal jo videregive til deres børn alt, hvad de har opnået i løbet af evolutionen. Det registrerer alt: fra antallet af lemmer til farven på øjnene. Naturligvis har mikroorganismer meget mindre af denne information, men den skal også overføres. For at gøre dette deler cellen sig. Så den genetiske information går til begge datterceller, den skal fordobles, denne proces kaldes "DNA-replikation." Det sker før celledeling, uanset hvilken. Det kan være en bakterie, der har besluttet sig for at formere sig. Eller det kan være ny hud, der vokser på snitstedet. Deoxyribo fordoblingsproces nukleinsyre skal være klart reguleret og afsluttet, før celledeling påbegyndes.

Hvor sker fordobling?

DNA-replikation sker direkte i kernen (i eukaryoter) eller i cytoplasmaet (i prokaryoter). Nukleinsyre består af nukleotider - adenin, thymin, cytosin og guanin. Begge kæder af molekylet er bygget efter komplementaritetsprincippet: adenin i den ene kæde svarer til thymin og guanin til cytosin. Fordoblingen af ​​molekylet skal foregå på en sådan måde, at komplementaritetsprincippet bevares i datterspiralerne.

Start af replikation - initiering

Deoxyribonukleinsyre er en dobbeltstrenget helix. DNA-replikation sker ved at tilføje datterstrenge langs hver forælderstreng. For at denne syntese kan blive mulig, skal spiralerne "optrevles" og kæderne adskilles fra hinanden. Denne rolle spilles af helicase - den afvikler helixen af ​​deoxyribonukleinsyre, roterer med høj hastighed. Begyndelsen af ​​DNA-duplikation kan ikke begynde fra noget sted en sådan kompleks proces kræver en specifik del af molekylet - replikationsinitieringsstedet. Når udgangspunktet for duplikering er blevet bestemt, og helicase har påbegyndt sit arbejde med at optrevle helixen, bevæger DNA-strengene sig fra hinanden og danner en replikationsgaffel. DNA-polymeraser sidder på dem. Det er dem, der vil syntetisere datterkæderne.

Forlængelse

I et molekyle af deoxyribonukleinsyre kan der dannes fra 5 til 50 replikationsgafler. Syntesen af ​​datterkæder sker samtidigt i flere dele af molekylet. Men det er ikke let at fuldføre konstruktionen af ​​komplementære nukleotider. Nukleinsyrekæderne er antiparallelle med hinanden. Forældrekædernes forskellige retninger påvirker duplikation, dette bestemmer den komplekse mekanisme for DNA-replikation. En af kæderne udfyldes løbende af barnet og kaldes den førende. Dette er korrekt, fordi det er meget bekvemt for polymerase at vedhæfte et frit nukleotid til 3'-OH-enden af ​​den foregående. Denne syntese sker kontinuerligt, i modsætning til processen på den anden kæde.

Efterslæbende kæde, O'Kazaki-fragmenter

Der opstår vanskeligheder med den anden kæde, fordi der er 5'-enden fri, hvortil det er umuligt at binde et frit nukleotid. Så virker DNA-polymerase fra den anden side. For at fuldende datterkæden oprettes en primer, der er komplementær til moderkæden. Det dannes ved selve replikationsgaflen. Det er her syntesen af ​​et lille stykke begynder, men langs den "korrekte" vej - tilføjelsen af ​​nukleotider sker i 3'-enden. Færdiggørelsen af ​​kæden ved den anden datterhelix sker således diskontinuerligt og har den modsatte retning af replikationsgaflens bevægelse. Disse fragmenter blev kaldt O'Kazaki-fragmenter og er omkring 100 nukleotider lange. Efter at fragmentet er bygget op til det forrige færdige stykke, skæres primerne ud af et specielt enzym, og det klippede sted fyldes med de manglende nukleotider.

Afslutning

Fordoblingen er fuldført, når begge kæder har færdiggjort deres datterkæder, og alle O'Kazaki-fragmenter er syet sammen. I eukaryoter slutter DNA-replikation, når replikationsgaflerne møder hinanden. Men i prokaryoter er dette molekyle cirkulært, og fordoblingsprocessen sker uden først at bryde kæden. Det viser sig, at al deoxyribonukleinsyre er ét stort replikon. Og duplikering slutter, når replikeringsgaflerne mødes på den modsatte side af ringen. Efter at replikationen er fuldført, skal begge strenge af den oprindelige deoxyribonukleinsyre kobles sammen igen, hvorefter begge molekyler snoes for at danne supercoils. Dernæst methyleres begge DNA-molekyler ved adenin i -GATC- regionen. Dette adskiller ikke kæderne eller forstyrrer deres komplementaritet. Dette er nødvendigt for foldning af molekyler til kromosomer, såvel som for regulering af genaflæsning.

Replikationshastighed og nøjagtighed

Det andet trin af DNA-fordobling (forlængelse) sker med en hastighed på omkring 700 nukleotider i sekundet. Hvis vi husker, at der er 10 par monomerer pr. omdrejning af nukleinsyre, viser det sig, at under "afvikling" roterer molekylet med en frekvens på 70 omdrejninger pr. sekund. Til sammenligning: den køligere rotationshastighed er centralenhed computer er cirka 500 omdrejninger i sekundet. Men trods høje satser, begår DNA-polymerase næsten aldrig fejl. Hun udvælger jo simpelthen komplementære nukleotider. Men selvom den laver en fejl, genkender DNA-polymerase den, tager et skridt tilbage, river den forkerte monomer af og erstatter den med den rigtige. Mekanismen for DNA-replikation er meget kompleks, men vi var i stand til at forstå hovedpunkterne. Det er vigtigt at forstå dets betydning for både mikroorganismer og flercellede skabninger.

Reproduktion er den vigtigste egenskab, der adskiller levende organismer fra ikke-levende. Absolut alle arter af levende organismer er i stand til at reproducere deres egen art, ellers ville arten forsvinde meget hurtigt. Metoderne til reproduktion af forskellige skabninger er meget forskellige fra hinanden, men grundlaget for alle disse processer er celledeling, og det er baseret på DNA-replikationsmekanismen.

Celledeling ledsager ikke nødvendigvis processen med reproduktion af en organisme. Vækst og regenerering afhænger også af celler. Men hos encellede væsner, som omfatter bakterier og protozoer, er celledeling den vigtigste reproduktive proces.

Flercellede organismer lever meget længere end encellede, og deres levetid overstiger levetiden for de celler, som de er sammensat af, nogle gange et stort antal gange.

Hvordan opstår DNA-reduplicering?

Fordobling af DNA-helixen er det mest vigtig proces under celledeling. Spiralen er opdelt i to ens, og hver kæde af kromosomer er helt identisk med forælderen. Derfor kaldes processen reduplicering. To identiske "halvdele" af helixen kaldes kromatider.

Mellem baserne af DNA-spiralen (disse er adenin-thymin og guanin-cytosin) er der komplementære hydrogenbindinger, og under reduplicering bryder specielle enzymer dem. Komplementære bindinger er dem, når et par kun kan forbindes til hinanden. Hvis vi taler om baserne i DNA-spiralen, så danner guanin og cytosin for eksempel et komplementært par. DNA-strengen opdeles i to dele, hvorefter endnu et komplementært nukleotid fæstnes til hvert nukleotid. Således viser det sig, at der dannes to nye spiraler, helt identiske.

Mitose er processen med celledeling

Typisk deler celler sig gennem mitose. Denne proces omfatter flere faser, og nuklear fission er den allerførste af dem. Efter at kernen har delt sig, deler cytoplasmaet sig også. Forbundet med denne proces er begrebet livscyklus celler: dette er den tid, der går fra det øjeblik, en celle adskilles fra sin forælder, til den selv deler sig.

Mitose begynder med reduplikation. Efter denne proces ødelægges kerneskallen, og i nogen tid eksisterer kernen slet ikke i cellen. På dette tidspunkt er kromosomerne snoet så meget som muligt og kan tydeligt ses under et mikroskop. De to nye helixer adskilles derefter og bevæger sig mod cellens poler. Når spiralerne når deres mål - hver nærmer sig sin cellulære pol - slapper de af. Samtidig begynder der at dannes kerneskaller omkring dem. Mens denne proces er ved at blive afsluttet, er deling af cytoplasmaet allerede begyndt. Den sidste fase af mitose opstår, når to fuldstændig identiske celler adskilles fra hinanden.

Fordobling med dannelse af to identiske kopier er et helt normalt fænomen. Ofte kaldes en sådan fordobling replikation. Sidstnævnte kan forekomme på forskellige niveauer organisering af stof - fra selve DNA til kromosomer og hele celler. I dette tilfælde, hvis processen gik uden fejl, opnås to identiske enheder. Replikering er en juvelpræcis fordobling.

Ligesom ingen andre steder præcis

DNA-replikation anses for at være den mest interessante og basale for alle andre arter. Dette er en proces, der foregår over flere stadier, hvor nøjagtigheden er afgørende, fordi unøjagtighed vil fremkalde syntesen af ​​et fuldstændig forkert protein, uegnet til brug i cellen og i kroppen som helhed.

Tidernes morgen

Cellereplikation begynder med konsekvensen af ​​kromosomfordobling. Men replikering er hjørnestenen i hele processen. Den består af tre stadier: for det første initiering, for det andet forlængelse, for det tredje afslutning. Arbejdet med enzymer begynder fra specielle punkter - replikatorer og kun fra dem. At starte det forkerte sted ville forvrænge hele processen. Katalysatorenzymet aktiverer specielle proteiner, der danner det præ-replikationskompleks, der er nødvendigt for DNA-duplikation. Før reproduktion skæres DNA'et i to dele af specielle enzymer.

Komplementær kæde

Under forlængelsen bygges en komplementær moderkæde på matrixen. Det vil sige en, der så kan danne et komplet molekyle. Processen afsluttes med opsigelse, som også sker på et vist tidspunkt. Der er en speciel enhed - replikonet. Dette er DNA-fragmentet, der bygges op ad gangen. DNA-replikation er grundlaget uden det er kromosomreplikation umulig. Sidstnævnte opstår, når cellen forbereder sig på at dele sig.

Protein som et tegn

Kromosomduplikation begynder bogstaveligt talt et par timer efter DNA-duplikation forekommer. For at et kromosom kan genopbygges, skal der ikke kun nye sæt til, men også proteiner, der er en del af kromosomapparatet, og deres syntese tager tid. Accelereret replikation er et tegn på kræft. Hvis der opdages for meget protein, karakteristisk for intensiv, begynder lægen at slå alarm.

Plads nok

Er i gang med replikering interessant funktion- i kernens rum er syntesepunkterne for nyt DNA placeret ret jævnt, så der er ingen forvrængninger, der kan fremkalde gensidig indflydelse. Der er ret mange prikker, normalt halvanden til to dusin.

Hvordan kromosomerne præcis er organiseret afhænger af, om cellen gennemgår mitose eller meiose. I det første tilfælde vil den resulterende celle have et normalt sæt, i det andet - et halvt sæt. Når alt kommer til alt, vil den resterende halvdel blive bragt af den anden partners celle Hvis det i meiose pludselig viser sig at være et komplet sæt, vil det enten være ikke-levedygtigt, eller et sygt barn vil blive undfanget. Sådanne børn er dog stadig oftest ikke født en abort sker på et tidligt stadium af graviditeten, som moderen kan forveksle med menstruation eller ægløsning

Før hver celledeling, med absolut nøjagtig overholdelse af nukleotidsekvensen, sker der selvduplikation (reduplicering) af DNA-molekylet. Reduplikation begynder, når DNA-dobbelthelixen midlertidigt afvikles. Dette sker under påvirkning af enzymet DNA-polymerase i et miljø, der indeholder frie nukleotider. Hver enkelt kæde, ifølge princippet om kemisk affinitet (A - T, G - C), tiltrækker sine nukleotidrester og sikrer frie nukleotider placeret i cellen med hydrogenbindinger. Hver polynukleotidkæde fungerer således som skabelon for en ny komplementær kæde. Resultatet er to DNA-molekyler, af hver af dem kommer den ene halvdel fra modermolekylet, og den anden er nysyntetiseret, dvs. to nye DNA-molekyler repræsenterer nøjagtig kopi det oprindelige molekyle.

Egern

Egern - obligatorisk komponent alle celler. I alle organismers liv er proteiner af afgørende betydning. Protein indeholder kulstof, brint, nitrogen, og nogle proteiner indeholder også svovl. Aminosyrer spiller rollen som monomerer i proteiner. Hver aminosyre har en carboxylgruppe (-COOH) og en aminogruppe (-NH2). Tilstedeværelsen af ​​sure og basiske grupper i et molekyle bestemmer deres høje reaktivitet. Mellem aminosyrer, der kommer sammen, kaldes en binding peptid, og den resulterende kombination af flere aminosyrer kaldes peptid. Tilslutning fra stort antal aminosyrer kaldes polypeptid.

Proteiner indeholder 20 aminosyrer, der adskiller sig fra hinanden i deres struktur. Forskellige proteiner dannes ved at kombinere aminosyrer i forskellige sekvenser. Den enorme mangfoldighed af levende ting er i høj grad bestemt af forskelle i sammensætningen af ​​de proteiner, de har.

Der er fire niveauer af organisation i strukturen af ​​proteinmolekyler:

Primær struktur - en polypeptidkæde af aminosyrer forbundet i en bestemt sekvens af kovalente (stærke) peptidbindinger.

Sekundær struktur - en polypeptidkæde snoet i form af en spiral. I den opstår svage brintbindinger mellem tilstødende vindinger. Tilsammen giver de en ret stærk struktur.

Tertiære strukturen er en bizar, men specifik konfiguration for hvert protein - en kugle. Det holdes af svage hydrofobe bindinger eller sammenhængskraft mellem upolære radikaler, som findes i mange aminosyrer. På grund af deres overflod giver de tilstrækkelig stabilitet af proteinmakromolekylet og dets mobilitet. Den tertiære struktur af proteiner opretholdes også kovalente S-S-bindinger opstår mellem radikaler af den svovlholdige aminosyre cystein, der er fjernt fra hinanden.

På grund af forbindelsen af ​​flere proteinmolekyler med hinanden, dannes det kvartær struktur. Hvis peptidkæderne er arrangeret i form af en kugle, kaldes sådanne proteiner kugleformet. Hvis polypeptidkæder er arrangeret i bundter af tråde, kaldes de fibrillære proteiner.

Krænkelse af den naturlige struktur af et protein kaldes denaturering. Det kan forekomme under påvirkning høj temperatur, kemiske stoffer, stråling osv. Denaturering kan være reversibel (delvis ødelæggelse af den kvaternære struktur) og irreversibel (ødelæggelse af alle strukturer).

FUNKTIONER:

De biologiske funktioner af proteiner i en celle er ekstremt forskellige. De skyldes i høj grad kompleksiteten og mangfoldigheden af ​​selve proteinernes former og sammensætning.

1 Konstruktionsfunktion - organeller bygges.

2 Katalytiske - proteinenzymer (amylase, omdanner stivelse til glucose)