DNS reduplikācijas procesa laikā kodolā. DNS replikācijas process

UZ nukleīnskābes ietver augsta polimēra savienojumus, kas hidrolīzes laikā sadalās purīna un pirimidīna bāzēs, pentozē un fosforskābē. Nukleīnskābes satur oglekli, ūdeņradi, fosforu, skābekli un slāpekli. Ir divas nukleīnskābju klases: ribonukleīnskābes (RNS) Un dezoksiribonukleīnskābes (DNS).

DNS struktūra un funkcijas

DNS- polimērs, kura monomēri ir dezoksiribonukleotīdi. DNS molekulas telpiskās struktūras modeli dubultspirāles formā 1953. gadā ierosināja J. Vatsons un F. Kriks (šī modeļa izveidošanai viņi izmantoja M. Vilkinsa, R. Franklina, E. Šargafa darbus ).

DNS molekula ko veido divas polinukleotīdu ķēdes, kas spirālveidīgi savītas viena ap otru un kopā ap iedomātu asi, t.i. ir dubultspirāle (izņemot to, ka dažiem DNS saturošiem vīrusiem ir vienpavedienu DNS). DNS dubultspirāles diametrs ir 2 nm, attālums starp blakus esošajiem nukleotīdiem ir 0,34 nm, un vienā spirāles apgriezienā ir 10 nukleotīdu pāri. Molekulas garums var sasniegt vairākus centimetrus. Molekulmasa - desmitiem un simtiem miljonu. Kopējais DNS garums cilvēka šūnas kodolā ir aptuveni 2 m Eikariotu šūnās DNS veido kompleksus ar olbaltumvielām un tai ir specifiska telpiskā uzbūve.

DNS monomērs - nukleotīds (dezoksiribonukleotīds)- sastāv no trīs vielu atliekām: 1) slāpekļa bāzes, 2) piecu oglekļa monosaharīda (pentozes) un 3) fosforskābes. Nukleīnskābju slāpekļa bāzes pieder pie pirimidīnu un purīnu klasēm. DNS pirimidīna bāzes(molekulā ir viens gredzens) - timīns, citozīns. Purīna bāzes(ir divi gredzeni) - adenīns un guanīns.

DNS nukleotīda monosaharīds ir dezoksiriboze.

Nukleotīda nosaukums ir atvasināts no atbilstošās bāzes nosaukuma. Nukleotīdi un slāpekļa bāzes ir apzīmētas ar lielajiem burtiem.

Polinukleotīdu ķēde veidojas nukleotīdu kondensācijas reakciju rezultātā. Šajā gadījumā starp viena nukleotīda dezoksiribozes atlikuma 3" oglekli un cita nukleotīda fosforskābes atlikumu, fosfoestera saite(pieder stipro kovalento saišu kategorijai). Viens polinukleotīdu ķēdes gals beidzas ar 5" oglekli (saukts par 5" galu), otrs beidzas ar 3" oglekli (3" gals).

Pretī vienai nukleotīdu virknei ir otra virkne. Nukleotīdu izvietojums šajās divās ķēdēs nav nejaušs, bet stingri noteikts: timīns vienmēr atrodas pretī vienas ķēdes adenīnam otrā ķēdē, bet citozīns vienmēr atrodas pretī guanīnam, starp adenīnu un timīnu rodas divas ūdeņraža saites, un trīs starp guanīnu un citozīnu rodas ūdeņraža saites. Tiek saukts modelis, saskaņā ar kuru dažādu DNS ķēžu nukleotīdi ir stingri sakārtoti (adenīns - timīns, guanīns - citozīns) un selektīvi savienojas viens ar otru. komplementaritātes princips. Jāpiebilst, ka J. Vatsons un F. Kriks komplementaritātes principu saprata pēc iepazīšanās ar E. Šargafa darbiem. E. Čargafs, izpētījis milzīgu skaitu dažādu organismu audu un orgānu paraugu, atklāja, ka jebkurā DNS fragmentā guanīna atlieku saturs vienmēr precīzi atbilst citozīna saturam, bet adenīna – timīna ( "Čargafa likums"), taču viņš nevarēja izskaidrot šo faktu.

No komplementaritātes principa izriet, ka vienas ķēdes nukleotīdu secība nosaka otras ķēdes nukleotīdu secību.

DNS pavedieni ir pretparalēli (daudzvirzienu), t.i. dažādu ķēžu nukleotīdi atrodas pretējos virzienos, un tāpēc pretī vienas ķēdes 3" galam atrodas otras ķēdes 5" gals. DNS molekulu dažreiz salīdzina ar spirālveida kāpnēm. Šo kāpņu “margas” ir cukura-fosfāta mugurkauls (mainīgi dezoksiribozes un fosforskābes atlikumi); “soļi” ir komplementāras slāpekļa bāzes.

DNS funkcija- iedzimtas informācijas glabāšana un pārsūtīšana.

DNS replikācija (reduplikācija)

- pašdublēšanās process, galvenā DNS molekulas īpašība. Replikācija pieder pie matricas sintēzes reakciju kategorijas un notiek, piedaloties fermentiem. Enzīmu ietekmē DNS molekula atritinās, un ap katru ķēdi tiek veidota jauna ķēde, kas darbojas kā veidne saskaņā ar komplementaritātes un pretparalēlisma principiem. Tādējādi katrā meitas DNS viena virkne ir mātes virkne, bet otrā ir tikko sintezēta. Šo sintēzes metodi sauc puskonservatīvs.

“Būvmateriāls” un enerģijas avots replikācijai ir dezoksiribonukleozīdu trifosfāti(ATP, TTP, GTP, CTP), kas satur trīs fosforskābes atlikumus. Kad dezoksiribonukleozīdu trifosfāti tiek iekļauti polinukleotīdu ķēdē, tiek atdalīti divi gala fosforskābes atlikumi, un atbrīvotā enerģija tiek izmantota, lai izveidotu fosfodiestera saiti starp nukleotīdiem.

Replikācijā ir iesaistīti šādi fermenti:

helikāzes ("atritināt" DNS);
destabilizējoši proteīni;
DNS topoizomerāzes (sagriezta DNS);
DNS polimerāzes (izvēlas dezoksiribonukleozīdu trifosfātus un komplementāri pievieno tos DNS šablona virknei);
RNS primāzes (veido RNS praimerus);
DNS ligāzes (savieno DNS fragmentus kopā).

Ar helikāžu palīdzību DNS tiek atšķetināta noteiktās sekcijās, vienas virknes DNS sekcijas saista ar destabilizējošiem proteīniem un replikācijas dakša. Atšķiroties par 10 nukleotīdu pāriem (viens spirāles apgrieziens), DNS molekulai ir jāveic pilns apgrieziens ap savu asi. Lai novērstu šo rotāciju, DNS topoizomerāze sagriež vienu DNS virkni, ļaujot tai griezties ap otro virkni.

DNS polimerāze var piesaistīt nukleotīdu tikai iepriekšējā nukleotīda dezoksiribozes 3" ogleklim, tāpēc šis enzīms spēj pārvietoties pa šablona DNS tikai vienā virzienā: no šīs šablona DNS 3" gala līdz 5" galam. Tā kā mātes DNS ķēdes ir pretparalēlas, tad uz tās dažādajām ķēdēm meitas polinukleotīdu ķēdes notiek atšķirīgi un pretējos virzienos, meitas polinukleotīdu ķēdes sintēze notiek bez pārtraukuma meita ķēde tiks saukta; vadošais. Uz 5"-3" ķēdes - ar pārtraukumiem, fragmentos ( Okazaki fragmenti), kuras pēc replikācijas pabeigšanas DNS ligāzes sašuj vienā virknē; šo bērnu ķēdi sauks atpaliek (atpaliek).

DNS polimerāzes īpaša iezīme ir tā, ka tā var sākt savu darbu tikai ar "sēklas" (gruntējums). “Primeru” lomu veic īsas RNS sekvences, kuras veido enzīms RNS primāze un ir savienotas pārī ar šablona DNS. RNS praimeri tiek noņemti pēc polinukleotīdu ķēžu montāžas pabeigšanas.

Replikācija notiek līdzīgi prokariotos un eikariotos. DNS sintēzes ātrums prokariotos ir par vienu pakāpi augstāks (1000 nukleotīdi sekundē) nekā eikariotos (100 nukleotīdi sekundē). Replikācija sākas vienlaicīgi vairākās DNS molekulas daļās. DNS fragments no viena replikācijas sākuma līdz otram veido replikācijas vienību - replikons.

Replikācija notiek pirms šūnu dalīšanās. Pateicoties šai DNS spējai, iedzimtā informācija tiek pārnesta no mātes šūnas uz meitas šūnām.

Remonts (“remonts”)

Reparācijas sauc par DNS nukleotīdu secības bojājumu novēršanas procesu. To veic īpašas šūnas enzīmu sistēmas ( remonta fermenti). DNS struktūras atjaunošanas procesā var izdalīt šādus posmus: 1) DNS remonta nukleāzes atpazīst un noņem bojāto vietu, kā rezultātā DNS ķēdē veidojas sprauga; 2) DNS polimerāze aizpilda šo robu, kopējot informāciju no otrās (“labās”) virknes; 3) DNS ligāze “šķērssaitē” nukleotīdus, pabeidzot remontu.

Visvairāk pētīti trīs labošanas mehānismi: 1) fotoremonts, 2) ekscīzijas jeb pirmsreplikācijas remonts, 3) pēcreplikācijas remonts.

DNS struktūras izmaiņas šūnā notiek pastāvīgi reaktīvo metabolītu, ultravioletā starojuma, smago metālu un to sāļu uc ietekmē. Tāpēc remontsistēmu defekti paātrina mutāciju procesus un izraisa iedzimtas slimības (pigmentoza kseroderma, progērija, utt.).

RNS struktūra un funkcijas

- polimērs, kura monomēri ir ribonukleotīdi. Atšķirībā no DNS, RNS veido nevis divas, bet viena polinukleotīdu ķēde (ar izņēmumu, ka dažiem RNS saturošiem vīrusiem ir divpavedienu RNS). RNS nukleotīdi spēj viens ar otru veidot ūdeņraža saites. RNS ķēdes ir daudz īsākas nekā DNS ķēdes.

RNS monomērs - nukleotīds (ribonukleotīds)- sastāv no trīs vielu atliekām: 1) slāpekļa bāzes, 2) piecu oglekļa monosaharīda (pentozes) un 3) fosforskābes. RNS slāpekļa bāzes pieder arī pirimidīnu un purīnu klasēm.

RNS pirimidīna bāzes ir uracils un citozīns, un purīna bāzes ir adenīns un guanīns. RNS nukleotīdu monosaharīds ir riboze.

Izcelt trīs veidu RNS: 1) informatīvs(ziņnesis) RNS — mRNS (mRNS), 2) transports RNS — tRNS, 3) ribosomāls RNS – rRNS.

Visi RNS veidi ir nesazaroti polinukleotīdi, tiem ir specifiska telpiskā konformācija un tie piedalās proteīnu sintēzes procesos. Informācija par visu veidu RNS struktūru tiek glabāta DNS. RNS sintezēšanas procesu uz DNS veidnes sauc par transkripciju.

Pārnest RNS parasti satur 76 (no 75 līdz 95) nukleotīdus; molekulmasa - 25 000-30 000 tRNS veido apmēram 10% no kopējā RNS satura šūnā. tRNS funkcijas: 1) aminoskābju transportēšana uz proteīnu sintēzes vietu, uz ribosomām, 2) translācijas starpnieks. Šūnā ir atrodami aptuveni 40 tRNS veidi, katram no tiem ir unikāla nukleotīdu secība. Tomēr visām tRNS ir vairāki intramolekulāri komplementāri reģioni, kuru dēļ tRNS iegūst āboliņa lapām līdzīgu konformāciju. Jebkurai tRNS ir cilpa kontaktam ar ribosomu (1), antikodona cilpa (2), cilpa kontaktam ar enzīmu (3), akceptora kāts (4) un antikodons (5). Aminoskābi pievieno akceptora kāta 3" galam. Antikodons- trīs nukleotīdi, kas "identificē" mRNS kodonu. Jāuzsver, ka specifiska tRNS var transportēt stingri noteiktu aminoskābi, kas atbilst tās antikodonam. Aminoskābes un tRNS savienojuma specifika tiek panākta, pateicoties fermenta aminoacil-tRNS sintetāzes īpašībām.

Ribosomu RNS satur 3000-5000 nukleotīdus; molekulmasa - 1 000 000-1 500 000 rRNS veido 80-85% no kopējā RNS satura šūnā. Kompleksā ar ribosomu proteīniem rRNS veido ribosomas - organellus, kas veic olbaltumvielu sintēzi. Eikariotu šūnās rRNS sintēze notiek nukleolos. rRNS funkcijas: 1) nepieciešamā ribosomu strukturālā sastāvdaļa un līdz ar to ribosomu funkcionēšanas nodrošināšana; 2) ribosomas un tRNS mijiedarbības nodrošināšana; 3) sākotnējā ribosomas un mRNS iniciatorkodona saistīšanās un nolasīšanas rāmja noteikšana, 4) ribosomas aktīvā centra veidošana.

Messenger RNS mainījās pēc nukleotīdu satura un molekulmasas (no 50 000 līdz 4 000 000). mRNS veido līdz 5% no kopējā RNS satura šūnā. MRNS funkcijas: 1) ģenētiskās informācijas pārnešana no DNS uz ribosomām, 2) matrica proteīna molekulas sintēzei, 3) proteīna molekulas primārās struktūras aminoskābju secības noteikšana.

ATP uzbūve un funkcijas

Adenozīna trifosforskābe (ATP)- universāls avots un galvenais enerģijas akumulators dzīvās šūnās. ATP ir atrodams visās augu un dzīvnieku šūnās. ATP daudzums ir vidēji 0,04% (no šūnas mitrās masas), lielākais ATP daudzums (0,2-0,5%) ir atrodams skeleta muskuļos.

ATP sastāv no atliekām: 1) slāpekļa bāzes (adenīna), 2) monosaharīda (ribozes), 3) trīs fosforskābēm. Tā kā ATP satur nevis vienu, bet trīs fosforskābes atlikumus, tas pieder pie ribonukleozīdu trifosfātiem.

Lielākā daļa darba, kas notiek šūnās, izmanto ATP hidrolīzes enerģiju. Šajā gadījumā, kad fosforskābes terminālais atlikums tiek izvadīts, ATP pārvēršas par ADP (adenozīndifosforskābi), un, kad tiek izvadīts otrais fosforskābes atlikums, tas pārvēršas par AMP (adenozīnmonofosforskābi). Brīvās enerģijas iznākums, likvidējot gan gala, gan otro fosforskābes atlikumu, ir 30,6 kJ. Trešās fosfātu grupas likvidēšanu pavada tikai 13,8 kJ izdalīšanās. Saites starp gala un otro, otro un pirmo fosforskābes atlikumu sauc par augstas enerģijas (augstas enerģijas).

ATP rezerves tiek pastāvīgi papildinātas. Visu organismu šūnās ATP sintēze notiek fosforilēšanās procesā, t.i. fosforskābes pievienošana ADP. Fosforilācija notiek ar dažādu intensitāti elpošanas (mitohondriji), glikolīzes (citoplazmas) un fotosintēzes (hloroplasti) laikā.

ATP ir galvenā saikne starp procesiem, ko pavada enerģijas izdalīšanās un uzkrāšanās, un procesiem, kas notiek ar enerģijas patēriņu. Turklāt ATP kopā ar citiem ribonukleozīdu trifosfātiem (GTP, CTP, UTP) ir RNS sintēzes substrāts.

Iet uz lekcijas Nr.3“Olbaltumvielu struktūra un funkcijas. Fermenti"

Iet uz lekcijas Nr.5"Šūnu teorija. Šūnu organizācijas veidi"

DNS replikācija- Tas ir tā dubultošanās process pirms šūnu dalīšanās. Dažreiz viņi saka "DNS reduplicēšana". Dublēšanās notiek šūnu cikla starpfāzes S fāzē.

Acīmredzot ir nepieciešama ģenētiskā materiāla paškopēšana dzīvajā dabā. Tikai šādā veidā dalīšanās laikā izveidotās meitas šūnas var saturēt tādu pašu DNS daudzumu, kāds sākotnēji bija sākotnējā šūnā. Pateicoties replikācijai, visas ģenētiski ieprogrammētās strukturālās un vielmaiņas pazīmes tiek pārnestas vairākās paaudzēs.

Šūnu dalīšanās laikā katra DNS molekula no identisku molekulu pāra nonāk savā meitas šūnā. Tas nodrošina precīzu iedzimtas informācijas pārraidi.

DNS sintēze patērē enerģiju, t.i., tas ir enerģiju patērējošs process.

DNS replikācijas mehānisms

Pati DNS molekula (bez dublēšanās) ir dubultspirāle. Reduplikācijas procesa laikā tiek pārtrauktas ūdeņraža saites starp divām komplementārajām virknēm. Un katrai atsevišķai ķēdei, kas tagad kalpo kā veidnes matrica, tiek veidota jauna ķēde, kas to papildina. Tādā veidā veidojas divas DNS molekulas. Katrs iegūst vienu virkni no savas mātes DNS, otra ir tikko sintezēta. Tāpēc DNS replikācijas mehānisms ir puskonservatīvs(viena ķēde ir veca, viena ir jauna). Šis replikācijas mehānisms tika pierādīts 1958. gadā.

DNS molekulā ķēdes ir pretparalēlas. Tas nozīmē, ka viens pavediens iet virzienā no 5" gala uz 3", un papildu pavediens iet pretējā virzienā. Cipari 5 un 3 norāda oglekļa atomu skaitu dezoksiribozē, kas ir daļa no katra nukleotīda. Caur šiem atomiem nukleotīdi ir saistīti viens ar otru ar fosfodiestera saitēm. Un kur vienai ķēdei ir 3" savienojumi, otrai ir 5" savienojumi, jo tā ir apgriezta, tas ir, tā iet otrā virzienā. Skaidrības labad varat iedomāties, ka jūs uzliekat roku uz rokas, piemēram, pirmklasnieks, kurš sēž pie rakstāmgalda.

Galvenais enzīms, kas veic jaunas DNS virknes augšanu, var to darīt tikai vienā virzienā. Proti: pievienojiet jaunu nukleotīdu tikai 3" galam. Tādējādi sintēze var notikt tikai virzienā no 5" uz 3".

Ķēdes ir pretparalēlas, kas nozīmē, ka sintēzei tajās jānotiek dažādos virzienos. Ja DNS virknes vispirms pilnībā atdalītos un pēc tam uz tām tiktu uzcelta jauna komplementāra, tad tā nebūtu problēma. Patiesībā ķēdes dažos gadījumos atšķiras replikācijas izcelsme, un šajās matricu vietās uzreiz sākas sintēze.

Tā sauktā replikācijas dakšas. Šajā gadījumā vienā mātes ķēdē sintēze notiek dakšas novirzes virzienā, un šī sintēze notiek nepārtraukti, bez pārtraukumiem. Otrajā veidnē sintēze notiek pretējā virzienā no sākotnējo DNS ķēžu novirzes virziena. Tāpēc šāda reversā sintēze var notikt tikai gabalos, kurus sauc Okazaki fragmenti. Vēlāk šādi fragmenti tiek “sašūti” kopā.

Tiek saukts meitas pavediens, kas atkārtojas nepārtraukti vadošais vai vadošais. Tas, kas tiek sintezēts, izmantojot Okazaki fragmentus, ir atpaliek vai atpaliek, jo sadrumstalota replikācija ir lēnāka.

Diagrammā vecāku DNS virknes pakāpeniski atšķiras virzienā, kurā tiek sintezēta vadošā meitas virkne. Atpalikušās ķēdes sintēze notiek pretējā virzienā diverģencei, tāpēc tā ir spiesta veikt gabalos.

Vēl viena galvenā DNS sintēzes enzīma (polimerāzes) iezīme ir tā, ka tas pats nevar sākt sintēzi, tikai turpināt. Viņam vajag sēklas vai grunts. Tāpēc sākotnējā virknē vispirms tiek sintezēta neliela RNS komplementāra daļa, un pēc tam ķēde tiek pagarināta, izmantojot polimerāzi. Vēlāk gruntskrāsas tiek noņemtas un caurumi tiek aizpildīti.

Diagrammā sēklas ir parādītas tikai atpalikušajā pavedienā. Patiesībā viņi ir arī pirmajā vietā. Tomēr šeit jums ir nepieciešams tikai viens gruntējums uz dakšiņu.

Tā kā mātes DNS pavedieni ne vienmēr atšķiras no galiem, bet gan inicializācijas punktos, patiesībā veidojas ne tik daudz dakšiņas, cik acis vai burbuļi.

Katram burbulim var būt divas dakšiņas, t.i., ķēdes novirzīsies divos virzienos. Tomēr viņi var darīt tikai vienu lietu. Ja tomēr novirze ir divvirzienu, tad no inicializācijas punkta vienā DNS virknē sintēze notiks divos virzienos - uz priekšu un atpakaļ. Šajā gadījumā nepārtraukta sintēze tiks veikta vienā virzienā, bet Okazaki fragmenti otrā.

Prokariotu DNS nav lineāra, bet tai ir apļveida struktūra un tikai viena replikācijas vieta.

Diagrammā parādītas divas sākotnējās DNS molekulas virknes sarkanā un zilā krāsā. Jauni sintezētie pavedieni ir parādīti punktētās līnijās.

Prokariotos DNS paškopēšanās notiek ātrāk nekā eikariotos. Ja eikariotos reduplikācijas ātrums ir simtiem nukleotīdu sekundē, tad prokariotos tas sasniedz tūkstoti vai vairāk.

Replikācijas fermenti

DNS replikāciju nodrošina viss fermentu komplekss, ko sauc riebīgs. Ir vairāk nekā 15 replikācijas enzīmi un proteīni. Nozīmīgākie ir uzskaitīti zemāk.

Galvenais replikācijas enzīms ir jau minētais DNS polimerāze(patiesībā ir vairāki dažādi), kas tieši pagarina ķēdi. Šī nav vienīgā fermenta funkcija. Polimerāze spēj “pārbaudīt”, kurš nukleotīds mēģina pievienoties galam. Ja tas nav piemērots, viņa to izdzēš. Citiem vārdiem sakot, daļēja DNS labošana, t.i., tās replikācijas kļūdu labošana, notiek jau sintēzes stadijā.

Nukleotīdi, kas atrodas nukleoplazmā (vai citoplazmā baktērijās), pastāv trifosfātu formā, t.i., tie nav nukleotīdi, bet gan dezoksinukleozīdu trifosfāti (dATP, dTTP, dGTP, dCTP). Tie ir līdzīgi ATP, kurā ir trīs fosfātu atlikumi, no kuriem divi ir saistīti ar augstas enerģijas saiti. Pārtraucot šādas saites, atbrīvojas daudz enerģijas. Arī deoksinukleozīdu trifosfātiem ir divas augstas enerģijas saites. Polimerāze atdala pēdējos divus fosfātus un izmanto atbrīvoto enerģiju DNS polimerizācijas reakcijai.

Enzīms helikāze atdala šablona DNS virknes, pārtraucot ūdeņraža saites starp tām.

Tā kā DNS molekula ir dubultspirāle, saišu pārraušana izraisa vēl lielāku savērpšanos. Iedomājieties virvi no divām virvēm, kas savītas viena pret otru, un vienā pusē jūs velciet vienu galu pa labi, otru pa kreisi. Austā daļa salocīsies vēl vairāk un kļūs stingrāka.

Lai novērstu šādu sasprindzinājumu, ir nepieciešams, lai joprojām nesadalītā dubultā spirāle ātri grieztos ap savu asi, “atiestatot” iegūto superspiralizāciju. Tomēr tas patērē pārāk daudz enerģijas. Tāpēc šūnās tiek ieviests cits mehānisms. Enzīms topoizomerāze pārrauj vienu no diegiem, otro izlaiž cauri spraugai un pirmo atkal izšuj. Tādā veidā tiek likvidētas radušās superspirāles.

Helikāzes darbības rezultātā atdalījušies šablona DNS pavedieni mēģina atkal savienoties ar savām ūdeņraža saitēm. Lai tas nenotiktu, viņi rīkojas DNS saistošie proteīni. Tie nav fermenti tādā nozīmē, ka tie nekatalizē reakcijas. Šādas olbaltumvielas pievienojas DNS virknei visā tās garumā un neļauj veidnes DNS komplementārajām virknēm aizvērties.

Tiek sintezēti grunti RNS primāze. Un tie tiek izdzēsti eksonukleāze. Pēc grunts noņemšanas caurumu aizpilda cita veida polimerāze. Tomēr šajā gadījumā atsevišķas DNS sadaļas nav sašūtas kopā.

Atsevišķas sintezētās ķēdes daļas ir savstarpēji saistītas ar replikācijas enzīmu, piemēram, DNS ligāze.

DNS ierakstītā informācija ir ne tikai jārealizē šūnu un organismu attīstības gaitā, bet arī pilnībā jānodod nākamajai paaudzei. Šim nolūkam pirms šūnu dalīšanās tajā tiek veikts process replikācija, t.i. dubultojot DNS daudzumu.

Informācija par replikācijas mehānismu ir ietverta pašā DNS: vieni gēni kodē fermentus, kas sintezē DNS prekursorus – nukleotīdus, citi – fermentus, kas nodrošina aktivēto nukleotīdu sasaisti vienā ķēdē. Replikācijas mehānismu vispirms postulēja J. Vatsons un F. Kriks, kuri atzīmēja, ka DNS virkņu komplementaritāte liecina, ka šī molekula var pati sevi dublēt. Viņi ierosināja, ka dubultošanai nepieciešama ūdeņraža saišu pārraušana un ķēžu diverģence, no kurām katra spēlē veidnes lomu komplementārās ķēdes sintēzē. Viena dubultošanās akta rezultātā veidojas divas divpavedienu DNS molekulas, no kurām katra satur vienu mātes virkni un vienu jaunu (skat. attēlu).

Mehānisms tika nosaukts daļēji konservatīva replikācija. Vēlāk veidnes raksturs un postulētais DNS replikācijas princips tika apstiprināts ar daudziem eksperimentāliem datiem.

DNS replikācija sākas noteiktos hromosomas punktos — replikācijas iniciācijas vietās (izcelsme). Replikācijas procesu apkalpo liels skaits fermentu. Vispilnīgāk ir izpētīts baktēriju DNS, īpaši E. coli, replikācijas aparāts. DNS molekulas attīšanas funkciju prokariotos veic specifiski fermenti helikāzes , kas darbam izmanto ATP hidrolīzes enerģiju par ADP. Tie bieži darbojas kā daļa no olbaltumvielu kompleksa, kas veic dakšu kustību un nesavītu pavedienu replikāciju. Citas specifiskas olbaltumvielas, kas saistās ar vienpavedienu reģioniem, neļauj DNS virknēm atkalapvienoties. Šīs sadaļas, kas atšķiras dažādos virzienos, veido raksturīgu struktūru - replikācijas dakšiņu (Kearns fork). Šī ir tā DNS molekulas daļa, kurā pašlaik notiek jaunas ķēdes sintēze. Olbaltumvielām ir svarīga loma dakšas veicināšanā. girāze , kas pieder pie topoloģisko izomerāžu kategorijas. Tas ir atrodams tikai baktērijās. Girāze ir relaksējošs enzīms, kas, radot divvirzienu pārtraukumus, noņem pozitīvos (dakšas priekšā) un veicina negatīvu (aiz dakšas) superspirāļu veidošanos relaksētā DNS.

Katra mātes DNS daļa kalpo kā veidne meitas molekulu sintēzei. Vienā ķēdē sintēze notiek nepārtraukti virzienā no 5" līdz 3" galam. Šo ķēdi sauc par vadošo ķēdi. Otrā virkne ar pretēju virzienu, ko sauc par atpalikušo virkni, tiek sintezēta atsevišķos fragmentos, kurus pēc tam ar ligāzēm savieno nepārtrauktā molekulā. Fragmenti nosaukti amerikāņu zinātnieka R. Okazaki vārdā, kurš pirmais postulēja šo DNS sintēzes metodi, Okazaki fragmenti. Sintēzes laikā replikācijas dakša pārvietojas pa veidni, un jaunas DNS sadaļas tiek secīgi atšķetinātas, līdz dakša sasniedz sintēzes beigu punktu (beigu punktu).

Jaunas DNS ķēdes sintēzei nepieciešams primers neliela RNS fragmenta formā, jo tā vadošajam enzīmam DNS polimerāzei, lai darbotos, ir nepieciešama brīva 3" OH grupa. Prokariotos ir atrastas trīs dažādas DNS polimerāzes ar līdzīgām funkcijām, apzīmētas ar poliI, polII un polIII. DNS polimerāze I ir pilnībā izpētīta. Tā ir viena polipeptīds ar daudzfunkcionālu aktivitāti (polimerāze, 3" → 5" eksonukleāze un 5" → 3" eksonukleāze Praimera sintēzi veic enzīms primāze, kas dažreiz ir daļa no kompleksa - primosomas no 15-20 proteīniem, kas). aktivizēt matricu Praimeris sastāv no 10. -60 ribonukleotīdiem Pēc tam, kad E. coli DNS sintēzes atslēgas enzīms - polIII - piesaista primeram pirmos dezoksiribonukleotīdus, tas tiek noņemts ar polI palīdzību, kurā ir 3" →. 5" eksonukleāzes aktivitāte, t.i., spēja atdalīt terminālos nukleotīdus no ķēdes 3" gala. Primer tiek sintezēts arī atpaliekošajā virknē katra Okazaki fragmenta sākumā. Tās šķelšanos, kā arī polIII sintezēto fragmentu pagarināšanu veic poliI. PolII loma E. coli DNS replikācijā joprojām nav pilnībā skaidra.

Eikariotu DNS replikācijas laikā replikācijas procesu sarežģī proteīnu klātbūtne hromosomās. Lai atvienotu DNS, ir nepieciešams iznīcināt ļoti kondensēto DNS un histonu kompleksu, un pēc replikācijas atkal notiek meitas molekulu sablīvēšanās. DNS attīšana izraisa to reģionu superspolēšanu, kas atrodas netālu no replikācijas dakšas. Lai mazinātu radušos spriedzi un brīvi kustinātu dakšiņu, šeit darbojas specifiski relaksācijas enzīmi - topoizomerāzes. Dažādos organismos ir identificēti divu veidu topoizomerāzes: I un II tips. Tie maina superspirāles pakāpi un superspirāles veidu, radot pārtraukumus vienā (I tipa topoizomerāzes) vai abās DNS virknēs (II tipa topoizomerāzes), un novērš DNS virkņu sapīšanās risku.

Baktēriju DNS replikācija ir divvirzienu process ar vienu iniciācijas vietu. Turpretim eikariotu hromosoma sastāv no atsevišķām replikācijas vietām - relikoniem - un tai ir daudzas iniciācijas vietas. Replikoni var replicēties dažādos laikos un dažādos ātrumos. DNS replikācijas ātrums eikariotu šūnās ir daudz zemāks nekā prokariotu šūnās. E. coli ātrums ir aptuveni 1500 bp. sekundē, eikariotos - 10-100 bp. sekundē. Dažu vīrusu divpavedienu apļveida DNS atkārtojas ritošā apļa veidā. Šajā gadījumā vienu DNS virkni vienā vietā pārgriež specifisks enzīms un ar polIII enzīma palīdzību pie iegūtā brīvā 3"OH-gala sāk pievienoties nukleotīdi. Iekšējā apļveida molekula kalpo par šablonu. Pārgrieztā virkne tiek pārvietots un pēc tam dubultots tāpat kā atpalikušā E. coli virkne, veidojot fragmentus, kas ir šķērssaistīti ar ligāzēm.

Replikācijā ir iesaistīti šādi fermenti:

helikāzes ("atritināt" DNS);
destabilizējoši proteīni;
DNS topoizomerāzes (sagriezta DNS);
DNS polimerāzes (izvēlas dezoksiribonukleozīdu trifosfātus un komplementāri pievieno tos DNS šablona virknei);
RNS primāzes (veido RNS praimerus);
DNS ligāzes (savieno DNS fragmentus kopā).

DNS polimerāze var piesaistīt nukleotīdu tikai iepriekšējā nukleotīda dezoksiribozes 3" ogleklim, tāpēc šis enzīms spēj pārvietoties pa šablona DNS tikai vienā virzienā: no šīs šablona DNS 3" gala līdz 5" galam. Tā kā mātes DNS ķēdes ir pretparalēlas, tad uz tās dažādajām ķēdēm meitas polinukleotīdu ķēdes notiek atšķirīgi un pretējos virzienos, meitas polinukleotīdu ķēdes sintēze notiek bez pārtraukumiem meita ķēde tiks saukta; vadošais. Uz ķēdes 5"–3" - ar pārtraukumiem, fragmentos ( Okazaki fragmenti), kuras pēc replikācijas pabeigšanas DNS ligāzes sašuj vienā virknē; šo bērnu ķēdi sauks atpaliek (atpaliek).

Replikācija notiek pirms šūnu dalīšanās. Pateicoties šai DNS spējai, iedzimtā informācija tiek pārnesta no mātes šūnas uz meitas šūnām.

Remonts (“remonts”)

Visvairāk pētīti trīs labošanas mehānismi: 1) fotoremonts, 2) ekscīzijas jeb pirmsreplikācijas remonts, 3) pēcreplikācijas remonts.

RNS struktūra un funkcijas

RNS- polimērs, kura monomēri ir ribonukleotīdi. Atšķirībā no DNS, RNS veido nevis divas, bet viena polinukleotīdu ķēde (ar izņēmumu, ka dažiem RNS saturošiem vīrusiem ir divpavedienu RNS). RNS nukleotīdi spēj viens ar otru veidot ūdeņraža saites. RNS ķēdes ir daudz īsākas nekā DNS ķēdes.

RNS pirimidīna bāzes ir uracils, citozīns, bet purīna bāzes ir adenīns un guanīns. RNS nukleotīdu monosaharīds ir riboze.

Izcelt trīs veidu RNS: 1) informatīvs(ziņnesis) RNS — mRNS (mRNS), 2) transports RNS — tRNS, 3) ribosomāls RNS – rRNS.

Pārnest RNS parasti satur 76 (no 75 līdz 95) nukleotīdus; molekulmasa - 25 000–30 000 tRNS veido apmēram 10% no kopējā RNS satura šūnā. tRNS funkcijas: 1) aminoskābju transportēšana uz proteīnu sintēzes vietu, uz ribosomām, 2) translācijas starpnieks. Šūnā ir atrodami aptuveni 40 tRNS veidi, katram no tiem ir unikāla nukleotīdu secība. Tomēr visām tRNS ir vairāki intramolekulāri komplementāri reģioni, kuru dēļ tRNS iegūst āboliņa lapām līdzīgu konformāciju. Jebkurai tRNS ir cilpa kontaktam ar ribosomu (1), antikodona cilpa (2), cilpa kontaktam ar enzīmu (3), akceptora kāts (4) un antikodons (5). Aminoskābi pievieno akceptora kāta 3" galam. Antikodons- trīs nukleotīdi, kas "identificē" mRNS kodonu. Jāuzsver, ka specifiska tRNS var transportēt stingri noteiktu aminoskābi, kas atbilst tās antikodonam. Aminoskābes un tRNS savienojuma specifika tiek panākta, pateicoties fermenta aminoacil-tRNS sintetāzes īpašībām.

Ribosomu RNS satur 3000–5000 nukleotīdu; molekulmasa - 1 000 000–1 500 000 rRNS veido 80–85% no kopējā RNS satura šūnā. Kompleksā ar ribosomu proteīniem rRNS veido ribosomas - organellus, kas veic olbaltumvielu sintēzi. Eikariotu šūnās rRNS sintēze notiek nukleolos. rRNS funkcijas: 1) nepieciešamā ribosomu strukturālā sastāvdaļa un līdz ar to ribosomu funkcionēšanas nodrošināšana; 2) ribosomas un tRNS mijiedarbības nodrošināšana; 3) sākotnējā ribosomas un mRNS iniciatorkodona saistīšanās un nolasīšanas rāmja noteikšana, 4) ribosomas aktīvā centra veidošana.

ATP uzbūve un funkcijas

Adenozīna trifosforskābe (ATP)- universāls avots un galvenais enerģijas akumulators dzīvās šūnās. ATP ir atrodams visās augu un dzīvnieku šūnās. ATP daudzums vidēji ir 0,04% (no šūnas mitrās svara), lielākais ATP daudzums (0,2–0,5%) ir atrodams skeleta muskuļos.

Kādi ogļhidrāti ir iekļauti RNS nukleotīdos?

1) riboze2) glikoze3) uracils4) dezoksiriboze

2) Polimēri ietver:

1) ciete, olbaltumvielas, celuloze 3) celuloze, saharoze, ciete

2) olbaltumvielas, glikogēns, tauki 4) glikoze, aminoskābe, nukleotīds.

3) Zinātnieks, kurš atklāja šūnu:

1) R. Huks; 3) T. Švāns

2); R. Brauns 4) M. Šleidens

4. Atrodiet pareizo turpinājumu izteicienam “ūdens fotolīze notiek iekšā...”:

1) mitohondriji uz cristae sienām; 3) plastidi, stromā;

2) plastidi, tilakoīdos; 4) EPS membrānas.

5. Fotosintēzes gaismas fāzē augs izmanto gaismas enerģiju, lai ražotu:

1) ATP no ADP un F; 3) NADP + + H2 -> NADP H;

2) Glikoze un oglekļa dioksīds; 4) O 2 no CO 2.

6. Fotosintēzes tumšās reakcijas notiek:

a) hloroplastu stroma; c) tilakoīdu membrānas;

b) hloroplastu ribosomas; d) graudi.

Kas kopīgs fotosintēzei un glikozes oksidācijas procesam?

1) abi procesi notiek mitohondrijās;

2) abi procesi notiek hloroplastos;

3) šo procesu rezultātā veidojas glikoze;

4) šo procesu rezultātā veidojas ATP.

8. Kāda procesa rezultātā organiskās vielas veidojas no neorganiskajām?

1) proteīnu biosintēze; 3) ATP sintēze;

2) fotosintēze; 4) glikolīze.

9. Enerģētiski vērtīgais anaerobās glikolīzes produkts ir divas molekulas:

1) pienskābe; 3) ATP;

2) pirovīnskābe; 4) etanols.

10. Kurš nukleotīds neietilpst DNS:

1) timīns; 2) uracils; 3) adenīns; 4) citozīns

Seksuālās reprodukcijas laikā parādās

1) mazāka genotipu un fenotipu dažādība nekā ar aseksuāliem

2) lielāka genotipu un fenotipu daudzveidība nekā ar aseksuāliem

3) mazāk dzīvotspējīgi pēcnācēji

4) videi mazāk pielāgoti pēcnācēji

Katra jauna šūna nāk no tās pašas caur to

1) iedalījums 3) mutācija

2) adaptācijas 4) modifikācijas

Orgānu veidošanās zīdītāju embrionālajā attīstībā notiek stadijā

1) blastula 3) drupināšana

2) neirula 4) gastrula

No kādām embriju struktūrām veidojas dzīvnieku ādas nervu sistēma un epiderma?

1) mezoderma 3) endoderma

2) ektoderma 4) blastometri

Kodola dalīšanās reprodukcijas laikā notiek

1) amoeba vulgaris 3) stafilokoks

2) holēras vibrio 4) Sibīrijas mēra bacilis

Vecāku ģenētiskā informācija reprodukcijas laikā tiek apvienota pēcnācējos

1) pumpuru veidošanās 3) sēklas

2) veģetatīvās 4) sporas

17. Hromosomu skaits dzimumvairošanās laikā katrā paaudzē dubultotos, ja process nebūtu veidojies evolūcijas laikā:

18. Pirmā mejozes anafāze beidzas:

1) novirze uz homologo hromosomu poliem;

2) hromatīdu diverģence;

3) gametu veidošanās;

4) šķērsošana.

19. Šūnas DNS satur informāciju par struktūru:

1) olbaltumvielas, tauki un ogļhidrāti; 3) aminoskābes;

2) olbaltumvielas un tauki; 4) fermenti.

20. Gēns kodē informāciju par struktūru:

1) vairākas olbaltumvielas;

2) viens no komplementārajiem DNS pavedieniem;

3) aminoskābju secība vienā proteīna molekulā;

4) viena aminoskābe.

21. Kad viena DNS molekula replikējas, tiek sintezētas jaunas ķēdes. To skaits divās jaunās molekulās ir vienāds ar:

1) četri; 2) divi; 3) vienatnē; 4) trīs.

22. Ja 20% DNS molekulas sastāv no citozīna nukleotīdiem, tad timīna nukleotīdu procentuālais daudzums ir vienāds ar:

1) 40%; 2) 30%; 3) 10%; 4) 60%.

23. Apraide ir process:

1) mRNS veidošanās; 3) proteīna ķēdes veidošanās uz ribosomas;

2) DNS dubultošanās; 4) t-RNS savienojumi ar aminoskābēm.

24. Kāds likums izpaudīsies īpašību pārmantošanā krustošanās laikā?

organismi ar genotipiem: Aa x Aa?

1) vienveidība 3) saistīta mantošana

2) sadalīšana 4) patstāvīga mantošana

25. Norādiet modifikācijas mainīguma pazīmes.

1) rodas pēkšņi

2) izpaužas atsevišķos sugas indivīdos

3) izmaiņas ir saistītas ar reakcijas normu

4) līdzīgi izpaužas visos sugas indivīdos

5) ir adaptīvs raksturs

6) nodots pēcnācējiem

Saskaņojiet olbaltumvielu sintēzē iesaistītās vielas un struktūras ar to funkcijām, blakus cipariem novietojot nepieciešamos burtus.

Nosakiet secību, kādā notiek DNS reduplikācijas process

A) molekulas spirāles attīšana

B) fermentu ietekme uz molekulu

C) vienas ķēdes atdalīšana no otras DNS molekulas daļās

D) komplementāru nukleotīdu pievienošana katrai DNS virknei

D) divu DNS molekulu veidošanās no vienas