Duplicazione di una molecola di DNA. Come avviene la duplicazione del DNA nel ciclo mitotico? Spiegare che cosa

Replicazione (raddoppio) del DNA. Il DNA si trova sui cromosomi e viene replicato prima di ogni duplicazione cromosomica e divisione cellulare. J. Watson e F. Crick hanno proposto uno schema di raddoppio del DNA, secondo il quale il DNA elicoidale a doppio filamento si svolge prima (si svolge) lungo il suo asse. In cui legami di idrogeno tra le basi azotate si rompono e le catene divergono. Allo stesso tempo, ai nucleotidi di ciascuna catena vengono attaccate le basi azotate complementari dei nucleotidi della seconda catena, dove la timina è opposta all'adenina, l'adenina è opposta alla timina, la citosina è opposta alla guanina, ecc., che sono collegate in nuove catene polinucleotidiche con l'aiuto degli enzimi DNA polimerasi. Di conseguenza, da una si formano due nuove molecole di DNA figlia. Ogni molecola figlia, ereditando la struttura di una catena della molecola madre, conserva rigorosamente la specificità delle informazioni in essa contenute. Poiché una delle due catene della molecola funge da modello per la replicazione, questo tipo di sintesi del DNA è chiamata autoreproduzione semiconservativa.

Ulteriori ricerche hanno dimostrato che la replicazione dei batteri e di altre molecole di DNA inizia da un punto di partenza specifico. Molti di questi punti di partenza sono stati trovati nei cromosomi degli eucarioti. I filamenti di DNA nel punto di inizio della replicazione vengono separati sotto l'influenza di una speciale proteina elicasi (Fig. 19). Appaiono sezioni di DNA a filamento singolo, che diventano modelli per l'attrazione replicativa di nucleotidi complementari. Queste regioni a catena singola si legano a proteine ​​speciali che le stabilizzano (impediscono la loro interazione complementare). Uno speciale enzima topoisomerasi (chiamato DNA girasi nei procarioti) promuove la scissione dell'elica del DNA nella regione della forca di replicazione.

La replica sulla catena madre, partendo dal punto di partenza nella direzione 5"->3", avviene sotto forma di linea continua. Questa catena è chiamata catena principale. La sintesi sulla seconda catena 3"->5" avviene in frammenti separati in direzione opposta(anche 5" - "3"). Questa catena è chiamata ritardata. I frammenti sono piccole sezioni di DNA (l'E. coli ha circa 2000 nucleotidi, gli eucarioti ne hanno circa 200). Prendono il nome dallo scienziato giapponese R. Okazaki che li scoprì. Una volta completata la sintesi, i frammenti di Okazaki vengono combinati utilizzando l'enzima ligasi in una catena polinucleotidica comune. Negli eucarioti, la replicazione del DNA e l'unione dei suoi vari siti di replicazione avvengono durante il periodo S dell'interfase. Una volta completata questa fase, ciascun cromosoma ha due molecole di DNA, che diventano due cromatidi identici.

Una struttura capace di replicarsi (cromosoma, plasmide, genoma virale) è chiamata replicone.

L'autoduplicazione delle molecole di DNA è la base per la stabilità dell'informazione genetica di una determinata specie e garantisce la continuità materiale della sostanza ereditaria della cellula.

Il DNA è un archivio affidabile di informazioni genetiche. Ma non solo deve essere custodito, ma anche trasmesso alla prole. Da questo dipende la sopravvivenza della specie. Dopotutto, i genitori devono trasmettere ai propri figli tutto ciò che hanno ottenuto nel corso dell'evoluzione. Registra tutto: dal numero degli arti al colore degli occhi. Naturalmente i microrganismi dispongono di molte meno di queste informazioni, ma devono anche essere trasmesse. Per fare ciò, la cellula si divide. Quindi l'informazione genetica va ad entrambi cellule figlie, deve essere raddoppiato, questo processo è chiamato “replicazione del DNA”. Si verifica prima della divisione cellulare, non importa quale. Potrebbe trattarsi di un batterio che ha deciso di moltiplicarsi. Oppure potrebbe trattarsi di nuova pelle che cresce nel punto del taglio. Processo di raddoppio del desossiribo acido nucleico deve essere chiaramente regolato e completato prima che inizi la divisione cellulare.

Dove avviene il raddoppio?

La replicazione del DNA avviene direttamente nel nucleo (negli eucarioti) o nel citoplasma (nei procarioti). L'acido nucleico è costituito da nucleotidi: adenina, timina, citosina e guanina. Entrambe le catene della molecola sono costruite secondo il principio di complementarità: l'adenina in una catena corrisponde alla timina e la guanina alla citosina. Il raddoppio della molecola deve avvenire in modo tale che nelle eliche figlie sia preservato il principio di complementarità.

Inizio della replica - iniziazione

L'acido desossiribonucleico è un'elica a doppio filamento. La replicazione del DNA avviene aggiungendo filamenti figli lungo ciascun filamento genitore. Perché questa sintesi diventi possibile, le spirali devono essere “sbrogliate” e le catene separate le une dalle altre. Questo ruolo è svolto dall'elicasi: svolge l'elica dell'acido desossiribonucleico, ruotando con ad alta velocità. L'inizio della duplicazione del DNA non può iniziare da nessun luogo; un processo così complesso richiede una parte specifica della molecola: il sito di inizio della replicazione. Una volta che il punto di partenza per la duplicazione è stato determinato e l'elicasi ha iniziato il suo lavoro di disfacimento dell'elica, i filamenti di DNA si allontanano per formare una forchetta di replicazione. Su di essi si trovano le DNA polimerasi. Sono loro che sintetizzeranno le catene figlie.

Allungamento

In una molecola di acido desossiribonucleico si possono formare da 5 a 50 forcelle di replicazione. La sintesi delle catene figlie avviene simultaneamente in diverse parti della molecola. Ma non è facile completare la costruzione dei nucleotidi complementari. Le catene degli acidi nucleici sono tra loro antiparallele. Le diverse direzioni delle catene parentali influenzano la duplicazione; ciò determina il complesso meccanismo di replicazione del DNA. Una delle catene viene completata continuamente dal bambino ed è chiamata quella principale. Questo è corretto perché è molto conveniente per la polimerasi attaccare un nucleotide libero all’estremità 3’-OH del precedente. Questa sintesi avviene continuamente, in contrasto con il processo sulla seconda catena.

Catena ritardata, frammenti di O'Kazaki

Le difficoltà sorgono con l'altra catena, perché lì è libera l'estremità 5', alla quale è impossibile attaccare un nucleotide libero. Quindi la DNA polimerasi agisce dall'altro lato. Per completare la catena figlia viene creato un primer complementare alla catena madre. Si forma nel fork di replicazione stesso. È qui che inizia la sintesi di un piccolo pezzo, ma lungo il percorso "corretto" l'aggiunta di nucleotidi avviene all'estremità 3'. Pertanto, il completamento della catena alla seconda elica figlia avviene in modo discontinuo e ha la direzione opposta al movimento della forca di replicazione. Questi frammenti furono chiamati frammenti di O'Kazaki e sono lunghi circa 100 nucleotidi. Dopo che il frammento è stato costruito fino al pezzo finito precedente, i primer vengono tagliati da uno speciale enzima e il sito tagliato viene riempito con i nucleotidi mancanti.

Terminazione

Il raddoppio è completato quando entrambe le catene hanno completato le catene figlie e tutti i frammenti di O'Kazaki sono cuciti insieme. Negli eucarioti la replicazione del DNA termina quando le forche replicative si incontrano. Ma nei procarioti questa molecola è circolare e il processo di raddoppio avviene senza prima rompere la catena. Si scopre che tutto l'acido desossiribonucleico è un grande replicone. E la duplicazione termina quando le forcelle di replicazione si incontrano sul lato opposto dell'anello. Una volta completata la replicazione, entrambi i filamenti dell'acido desossiribonucleico genitore devono essere ricollegati insieme, dopodiché entrambe le molecole vengono attorcigliate per formare superavvolgimenti. Successivamente, entrambe le molecole di DNA vengono metilate nell'adenina nella regione -GATC-. Ciò non separa le catene né interferisce con la loro complementarità. Ciò è necessario per il ripiegamento delle molecole nei cromosomi, nonché per la regolazione della lettura dei geni.

Velocità e precisione di replica

La seconda fase del raddoppio del DNA (allungamento) avviene ad una velocità di circa 700 nucleotidi al secondo. Se ricordiamo che ci sono 10 coppie di monomeri per giro di acido nucleico, si scopre che durante lo "svolgimento" la molecola ruota ad una frequenza di 70 giri al secondo. Per confronto: la velocità di rotazione più fredda è unità di sistema computer è di circa 500 giri al secondo. Ma nonostante tassi elevati, la DNA polimerasi non commette quasi mai errori. Dopotutto, seleziona semplicemente nucleotidi complementari. Ma anche se commette un errore, la DNA polimerasi lo riconosce, fa un passo indietro, strappa via il monomero sbagliato e lo sostituisce con quello corretto. Il meccanismo di replicazione del DNA è molto complesso, ma siamo riusciti a comprenderne i punti principali. È importante comprenderne il significato sia per i microrganismi che per le creature multicellulari.

La riproduzione è la proprietà principale che distingue gli organismi viventi da quelli non viventi. Assolutamente tutte le specie di organismi viventi sono in grado di riprodurre i propri simili, altrimenti la specie scomparirebbe molto rapidamente. I metodi di riproduzione delle diverse creature sono molto diversi tra loro, ma la base di tutti questi processi è la divisione cellulare, che si basa sul meccanismo di replicazione del DNA.

La divisione cellulare non accompagna necessariamente il processo di riproduzione di un organismo. La crescita e la rigenerazione dipendono anche dalle cellule. Ma nelle creature unicellulari, che includono batteri e protozoi, la divisione cellulare è il principale processo riproduttivo.

Gli organismi multicellulari vivono molto più a lungo di quelli unicellulari e la loro durata supera, a volte, di un numero enorme di volte la durata della vita delle cellule di cui sono composti.

Come avviene la duplicazione del DNA?

Raddoppiare l'elica del DNA è il massimo processo importante durante la divisione cellulare. La spirale è divisa in due simili e ciascuna catena di cromosomi è assolutamente identica al genitore. Ecco perché il processo è chiamato duplicazione. Due “metà” identiche dell’elica sono chiamate cromatidi.

Tra le basi dell'elica del DNA (queste sono adenina-timina e guanina-citosina) ci sono legami idrogeno complementari e durante la duplicazione speciali enzimi li rompono. I legami complementari sono quelli in cui una coppia può connettersi solo tra loro. Se parliamo delle basi dell'elica del DNA, allora la guanina e la citosina, ad esempio, formano una coppia complementare. Il filamento di DNA si divide in due parti, dopo di che a ciascun nucleotide viene attaccato un altro nucleotide complementare. Quindi, si scopre che si formano due nuove spirali, completamente identiche.

La mitosi è il processo di divisione cellulare

Tipicamente, le cellule si dividono attraverso la mitosi. Questo processo comprende diverse fasi e la fissione nucleare è la prima di esse. Dopo che il nucleo si è diviso, anche il citoplasma si divide. Associato a questo processo è il concetto di ciclo vitale cellule: è il tempo che trascorre dal momento in cui una cellula si separa dal genitore fino a quando essa stessa si divide.

La mitosi inizia con la duplicazione. Dopo questo processo, il guscio del nucleo viene distrutto e per qualche tempo il nucleo non esiste più nella cellula. In questo momento, i cromosomi sono contorti il ​​più possibile e possono essere visti chiaramente al microscopio. Le due nuove eliche poi si separano e si muovono verso i poli della cellula. Quando le spirali raggiungono il loro obiettivo - ciascuna avvicinandosi al proprio polo cellulare - si srotolano. Allo stesso tempo, attorno a loro iniziano a formarsi i gusci centrali. Mentre questo processo viene completato, la divisione del citoplasma è già iniziata. L'ultima fase della mitosi avviene quando due cellule completamente identiche si separano l'una dall'altra.

Il raddoppio con la formazione di due copie identiche è un fenomeno del tutto normale. Spesso tale raddoppio è chiamato replica. Quest'ultimo può verificarsi diversi livelli organizzazione della materia: dal DNA stesso ai cromosomi e alle cellule intere. In questo caso, se il processo si è svolto senza errori, si ottengono due unità identiche. La replica è un raddoppio preciso come un gioiello.

Come da nessun'altra parte esattamente

La replicazione del DNA è considerata la più interessante e basilare per tutte le altre specie. Questo è un processo che avviene in più fasi, in ciascuna delle quali la precisione è fondamentale, perché l'imprecisione provocherà la sintesi di una proteina completamente sbagliata, inadatta all'uso nella cellula e nel corpo nel suo insieme.

L'inizio del tempo

La replicazione cellulare inizia con la conseguenza del raddoppio dei cromosomi. Ma la replica è la pietra angolare dell’intero processo. Si compone di tre fasi: in primo luogo, inizio, in secondo luogo, allungamento, in terzo luogo, conclusione. Il lavoro degli enzimi inizia da punti speciali: i replicatori e solo da essi. Iniziare nel posto sbagliato distorcerebbe l’intero processo. L'enzima catalizzatore attiva speciali proteine ​​che formano il complesso di pre-replicazione necessario per la duplicazione del DNA. Prima della riproduzione, il DNA viene tagliato in due parti da speciali enzimi.

Catena complementare

Durante l'allungamento, sulla matrice si costruisce una catena materna complementare. Cioè, uno che può quindi formare una molecola completa. Il processo termina con la cessazione, che avviene anche ad un certo punto. Esiste un'unità speciale: il replicone. Questo è il frammento di DNA che viene costruito alla volta. La replicazione del DNA è la base; senza di essa la replicazione dei cromosomi è impossibile. Quest'ultimo si verifica quando la cellula si prepara a dividersi.

Le proteine ​​come segno

La duplicazione dei cromosomi inizia letteralmente poche ore dopo che si è verificata la duplicazione del DNA. Affinché un cromosoma possa essere ricostruito, sono necessari non solo nuovi corredi, ma anche proteine ​​che fanno parte dell'apparato cromosomico, e la loro sintesi richiede tempo. La replicazione accelerata è un segno di cancro. Se viene rilevata una quantità eccessiva di proteine, caratteristica dell'intensivo, il medico inizia a suonare l'allarme.

Abbastanza spazio

È in fase di replica caratteristica interessante- Nello spazio del nucleo, i punti di sintesi del nuovo DNA si trovano in modo abbastanza uniforme, quindi non ci sono distorsioni che potrebbero provocare un'influenza reciproca. Ci sono molti punti, di solito da una dozzina e mezza a due dozzine.

Il modo esatto in cui sono organizzati i cromosomi dipende dal fatto che la cellula stia attraversando la mitosi o la meiosi. Nel primo caso, la cella risultante avrà un set normale, nel secondo un mezzo set. Dopotutto, la metà rimanente verrà portata dalla cellula del secondo partner. Se durante la meiosi si rivela improvvisamente un set completo, o non sarà vitale o verrà concepito un bambino malato. Tuttavia, questi bambini molto spesso non nascono; nella fase iniziale della gravidanza si verifica un aborto spontaneo, che la madre può scambiare per mestruazioni o ovulazione

Prima di ogni divisione cellulare, con un'aderenza assolutamente esatta alla sequenza nucleotidica, avviene l'autoduplicazione (riduplicazione) della molecola di DNA. La duplicazione inizia quando la doppia elica del DNA si svolge temporaneamente. Ciò avviene sotto l'azione dell'enzima DNA polimerasi in un ambiente che contiene nucleotidi liberi. Ogni singola catena, secondo il principio dell'affinità chimica (A - T, G - C), attrae i nucleotidi liberi presenti nella cellula verso i suoi residui nucleotidici e li fissa con legami idrogeno. Pertanto, ciascuna catena polinucleotidica funge da modello per una nuova catena complementare. Il risultato sono due molecole di DNA, di ciascuna metà proviene dalla molecola madre e l'altra è appena sintetizzata, cioè rappresentano due nuove molecole di DNA copia esatta la molecola originaria.

Scoiattoli

Scoiattoli - obbligatorio componente tutte le cellule. Nella vita di tutti gli organismi, le proteine ​​sono di fondamentale importanza. Le proteine ​​contengono carbonio, idrogeno, azoto e alcune proteine ​​contengono anche zolfo. Gli amminoacidi svolgono il ruolo di monomeri nelle proteine. Ogni amminoacido ha un gruppo carbossilico (-COOH) e un gruppo amminico (-NH 2). La presenza di gruppi acidi e basici in una molecola determina la loro elevata reattività. Tra gli amminoacidi che si uniscono si forma un legame chiamato peptide, e viene chiamata la combinazione risultante di diversi amminoacidi peptide. Connessione da elevato numero vengono chiamati gli aminoacidi polipeptide.

Le proteine ​​contengono 20 aminoacidi che differiscono tra loro nella loro struttura. Diverse proteine ​​si formano combinando amminoacidi in sequenze diverse. L'enorme diversità degli esseri viventi è in gran parte determinata dalle differenze nella composizione delle proteine ​​che possiedono.

Esistono quattro livelli di organizzazione nella struttura delle molecole proteiche:

Primario struttura - una catena polipeptidica di amminoacidi collegati in una certa sequenza da legami peptidici covalenti (forti).

Secondario struttura: una catena polipeptidica attorcigliata a forma di spirale. In esso si formano deboli legami idrogeno tra spire adiacenti. Insieme forniscono una struttura abbastanza forte.

Terziario la struttura è una configurazione bizzarra, ma specifica per ciascuna proteina: un globulo. È trattenuto da deboli legami idrofobici o forze di coesione tra radicali non polari, che si trovano in molti amminoacidi. Grazie alla loro abbondanza, forniscono sufficiente stabilità alla macromolecola proteica e alla sua mobilità. Viene mantenuta anche la struttura terziaria delle proteine legami covalenti S-S che si formano tra i radicali dell'amminoacido cisteina contenente zolfo che sono distanti l'uno dall'altro.

A causa della connessione di diverse molecole proteiche tra loro, si forma quaternario struttura. Se le catene peptidiche sono disposte sotto forma di una palla, vengono chiamate tali proteine globulare. Se le catene polipeptidiche sono disposte in fasci di fili, vengono chiamate proteine ​​fibrillare.

Viene chiamata violazione della struttura naturale di una proteina denaturazione. Può verificarsi sotto l'influenza alta temperatura, sostanze chimiche, radiazioni, ecc. La denaturazione può essere reversibile (distruzione parziale della struttura quaternaria) e irreversibile (distruzione di tutte le strutture).

FUNZIONI:

Le funzioni biologiche delle proteine ​​in una cellula sono estremamente diverse. Sono in gran parte dovuti alla complessità e diversità delle forme e della composizione delle proteine ​​stesse.

1 Funzione di costruzione: vengono costruiti gli organelli.

2 Catalitico: enzimi proteici (amilasi, converte l'amido in glucosio)