Duplisering av et DNA-molekyl. Hvordan oppstår DNA-duplisering i den mitotiske syklusen? Forklar hva

Replikasjon (dobling) av DNA. DNA finnes på kromosomer og replikeres før hver kromosomduplikasjon og celledeling. J. Watson og F. Crick foreslo et DNA-doblingsskjema, i henhold til hvilket spiralformet dobbelttrådet DNA først vikler seg av (avvikler) langs sin akse. Hvori hydrogenbindinger mellom de nitrogenholdige basene brytes og kjedene divergerer. Samtidig er komplementære nitrogenholdige baser til nukleotidene i den andre kjeden festet til nukleotidene i hver kjede, der tymin står overfor adenin, adenin står overfor tymin, cytosin står mot guanin osv., som er koblet til nye polynukleotidkjeder. ved hjelp av DNA-polymerase-enzymer. Som et resultat dannes to nye datter-DNA-molekyler fra ett. Hvert dattermolekyl, som arver strukturen til en kjede av modermolekylet, beholder strengt tatt spesifisiteten til informasjonen i den. Siden en av de to kjedene til molekylet fungerer som mal for replikering, kalles denne typen DNA-syntese semi-konservativ autoreproduksjon.

Videre forskning viste at replikasjonen av bakterielle og andre DNA-molekyler begynner ved et bestemt utgangspunkt. Flere slike utgangspunkt er funnet i kromosomene til eukaryoter. DNA-trådene ved replikasjonsinitieringspunktet separeres under påvirkning av et spesielt helikaseprotein (fig. 19). Enkeltrådede DNA-seksjoner vises, som blir maler for replikasjon-tiltrekning av komplementære nukleotider. Disse enkeltkjede regionene binder seg til spesielle proteiner som stabiliserer dem (hindrer deres komplementære interaksjon). Et spesielt enzym topoisomerase (kalt DNA-gyrase i prokaryoter) fremmer spaltning av DNA-spiralen i regionen av replikasjonsgaffelen.

Replikering på moderkjeden, som går fra startpunktet i retning 5"->3", skjer i form av en heltrukket linje. Denne kjeden kalles den ledende kjeden. Syntese på den andre kjeden 3"->5" skjer i separate fragmenter i motsatt retning(også 5" - "3"). Denne kjeden kalles retardert. Fragmenter er små deler av DNA (E. coli har ca. 2000 nukleotider, eukaryoter har ca. 200). De er oppkalt etter den japanske forskeren R. Okazaki som oppdaget dem. Etter at syntesen er fullført, kombineres Okazaki-fragmentene ved å bruke enzymet ligase til en felles polynukleotidkjede. I eukaryoter forekommer DNA-replikasjon og sammenføyningen av dets forskjellige replikasjonssteder under S-fasen av interfasen. Etter at denne fasen er fullført, har hvert kromosom to DNA-molekyler, som blir to identiske kromatider.

En struktur som er i stand til replikasjon (kromosom, plasmid, viralt genom) kalles et replikon.

Selvduplisering av DNA-molekyler er grunnlaget for stabiliteten av genetisk informasjon til en gitt art og sikrer den materielle kontinuiteten til cellens arvelige substans.

DNA er et pålitelig lager av genetisk informasjon. Men det må ikke bare holdes trygt, men også gis videre til avkom. Artens overlevelse avhenger av dette. Foreldre må tross alt gi barna over alt de har oppnådd i løpet av evolusjonen. Den registrerer alt: fra antall lemmer til fargen på øynene. Selvfølgelig har mikroorganismer mye mindre av denne informasjonen, men den må også overføres. For å gjøre dette deler cellen seg. Så den genetiske informasjonen går til begge datterceller, den må dobles, denne prosessen kalles "DNA-replikasjon." Det skjer før celledeling, uansett hvilken. Det kan være en bakterie som har bestemt seg for å formere seg. Eller det kan være ny hud som vokser på stedet for kuttet. Deoxyribo-doblingsprosess nukleinsyre må være tydelig regulert og gjennomført før celledelingen starter.

Hvor skjer dobling?

DNA-replikasjon skjer direkte i kjernen (i eukaryoter) eller i cytoplasmaet (i prokaryoter). Nukleinsyre består av nukleotider - adenin, tymin, cytosin og guanin. Begge kjedene i molekylet er bygget i henhold til komplementaritetsprinsippet: adenin i en kjede tilsvarer tymin, og guanin til cytosin. Doblingen av molekylet må skje på en slik måte at komplementaritetsprinsippet bevares i datterheliksene.

Start av replikering - initiering

Deoksyribonukleinsyre er en dobbelttrådet helix. DNA-replikasjon skjer ved å legge til dattertråder langs hver overordnede tråd. For at denne syntesen skal bli mulig, må spiralene «nøstes opp» og kjedene skilles fra hverandre. Denne rollen spilles av helikase - den vikler av helixen til deoksyribonukleinsyre, roterer med høy hastighet. Begynnelsen av DNA-duplisering kan ikke begynne fra noe sted en slik kompleks prosess krever en spesifikk del av molekylet - replikasjonsinitieringsstedet. Når utgangspunktet for duplisering er bestemt og helicase har begynt arbeidet med å nøste opp helixen, beveger DNA-trådene seg fra hverandre for å danne en replikasjonsgaffel. DNA-polymeraser sitter på dem. Det er de som skal syntetisere datterlenkene.

Forlengelse

I ett molekyl av deoksyribonukleinsyre kan det dannes fra 5 til 50 replikasjonsgafler. Syntesen av datterkjeder skjer samtidig i flere deler av molekylet. Men det er ikke lett å fullføre konstruksjonen av komplementære nukleotider. Nukleinsyrekjedene er antiparallelle med hverandre. De forskjellige retningene til foreldrekjedene påvirker duplisering, dette bestemmer den komplekse mekanismen for DNA-replikasjon. En av kjedene fullføres kontinuerlig av barnet og kalles den ledende. Dette er riktig, fordi det er veldig praktisk for polymerase å feste et fritt nukleotid til 3'-OH-enden av den forrige. Denne syntesen skjer kontinuerlig, i motsetning til prosessen på den andre kjeden.

Hengende kjede, O'Kazaki-fragmenter

Det oppstår vanskeligheter med den andre kjeden, fordi der er 5'-enden fri, som det er umulig å feste et fritt nukleotid til. Da virker DNA-polymerase fra den andre siden. For å fullføre datterkjeden lages en primer som er komplementær til moderkjeden. Det dannes ved selve replikeringsgaffelen. Det er her syntesen av et lite stykke begynner, men langs den "riktige" banen - tilsetningen av nukleotider skjer i 3'-enden. Fullføringen av kjeden ved den andre datterhelixen skjer således diskontinuerlig og har motsatt retning av bevegelsen til replikasjonsgaffelen. Disse fragmentene ble kalt O'Kazaki-fragmenter og er omtrent 100 nukleotider lange. Etter at fragmentet er bygget opp til forrige ferdige stykke, kuttes primerne ut av et spesielt enzym, og kuttestedet fylles med de manglende nukleotidene.

Avslutning

Doblingen er fullført når begge kjedene har fullført sine datterkjeder, og alle O’Kazaki-fragmentene er sydd sammen. I eukaryoter slutter DNA-replikasjon når replikasjonsgafler møter hverandre. Men i prokaryoter er dette molekylet sirkulært, og prosessen med dobling skjer uten først å bryte kjeden. Det viser seg at all deoksyribonukleinsyre er ett stort replikon. Og duplisering slutter når replikeringsgaflene møtes på motsatt side av ringen. Etter at replikasjonen er fullført, må begge trådene til den overordnede deoksyribonukleinsyren kobles sammen igjen, hvoretter begge molekylene blir vridd for å danne supercoiler. Deretter metyleres begge DNA-molekylene ved adenin i -GATC- regionen. Dette skiller ikke kjedene eller forstyrrer deres komplementaritet. Dette er nødvendig for folding av molekyler til kromosomer, samt for regulering av genavlesning.

Replikeringshastighet og nøyaktighet

Det andre stadiet av DNA-dobling (forlengelse) skjer med en hastighet på omtrent 700 nukleotider per sekund. Hvis vi husker at det er 10 par monomerer per tur med nukleinsyre, viser det seg at under "avvikling" roterer molekylet med en frekvens på 70 omdreininger per sekund. Til sammenligning: den kaldere rotasjonshastigheten er systemenhet datamaskinen er omtrent 500 omdreininger per sekund. Men til tross høye priser, DNA-polymerase gjør nesten aldri feil. Tross alt velger hun ganske enkelt komplementære nukleotider. Men selv om den gjør en feil, gjenkjenner DNA-polymerase den, tar et skritt tilbake, river av den feil monomeren og erstatter den med den riktige. Mekanismen for DNA-replikasjon er veldig kompleks, men vi var i stand til å forstå hovedpoengene. Det er viktig å forstå dens betydning for både mikroorganismer og flercellede skapninger.

Reproduksjon er hovedegenskapen som skiller levende organismer fra ikke-levende. Absolutt alle arter av levende organismer er i stand til å reprodusere sin egen art, ellers ville arten forsvinne veldig raskt. Metodene for reproduksjon av forskjellige skapninger er veldig forskjellige fra hverandre, men grunnlaget for alle disse prosessene er celledeling, og det er basert på mekanismen for DNA-reduplikasjon.

Celledeling følger ikke nødvendigvis med prosessen med reproduksjon av en organisme. Vekst og regenerering avhenger også av celler. Men hos encellede skapninger, som inkluderer bakterier og protozoer, er celledeling den viktigste reproduksjonsprosessen.

Flercellede organismer lever mye lenger enn encellede, og deres levetid overskrider levetiden til cellene de er sammensatt av, noen ganger et stort antall ganger.

Hvordan skjer DNA-reduplisering?

Dobling av DNA-helixen er mest viktig prosess under celledeling. Spiralen er delt inn i to like, og hver kjede av kromosomer er helt identisk med forelderen. Det er derfor prosessen kalles reduplikasjon. To identiske "halvdeler" av helixen kalles kromatider.

Mellom basene til DNA-helixen (disse er adenin-tymin og guanin-cytosin) er det komplementære hydrogenbindinger, og under reduplikering bryter spesielle enzymer dem. Komplementære bindinger er de når et par bare kan kobles til hverandre. Hvis vi snakker om basene til DNA-helixen, danner for eksempel guanin og cytosin et komplementært par. DNA-strengen deler seg i to deler, hvoretter et annet komplementært nukleotid festes til hvert nukleotid. Dermed viser det seg at det dannes to nye spiraler, helt identiske.

Mitose er prosessen med celledeling

Vanligvis deler celler seg gjennom mitose. Denne prosessen omfatter flere faser, og kjernefysisk fisjon er den aller første av dem. Etter at kjernen har delt seg, deler cytoplasma seg også. Tilknyttet denne prosessen er begrepet Livssyklus celler: dette er tiden som går fra det øyeblikket en celle skiller seg fra sin overordnede til den selv deler seg.

Mitose begynner med reduplikasjon. Etter denne prosessen blir kjerneskallet ødelagt, og en stund eksisterer ikke kjernen i cellen i det hele tatt. På dette tidspunktet er kromosomene vridd så mye som mulig og kan tydelig sees under et mikroskop. De to nye heliksene skilles deretter og beveger seg mot polene til cellen. Når spiralene når sitt mål – hver av dem nærmer seg sin cellulære pol – slapper de av. Samtidig begynner det å dannes kjerneskall rundt dem. Mens denne prosessen fullføres, har delingen av cytoplasmaet allerede begynt. Den siste fasen av mitose oppstår når to helt identiske celler skiller seg fra hverandre.

Dobling med dannelse av to identiske kopier er et helt normalt fenomen. Ofte kalles en slik dobling replikering. Sistnevnte kan oppstå på ulike nivåer organisering av materie - fra selve DNA til kromosomer og hele celler. I dette tilfellet, hvis prosessen gikk uten feil, oppnås to identiske enheter. Replikering er en juvel-nøyaktig dobling.

Som ingen andre steder akkurat

DNA-replikasjon anses som den mest interessante og grunnleggende for alle andre arter. Dette er en prosess som skjer over flere stadier, hvor nøyaktighet er avgjørende, fordi unøyaktighet vil provosere syntesen av et helt feil protein, uegnet for bruk i cellen og i kroppen som helhet.

Tidenes morgen

Cellereplikasjon begynner med konsekvensen av kromosomdobling. Men replikering er hjørnesteinen i hele prosessen. Den består av tre stadier: for det første initiering, for det andre forlengelse, for det tredje avslutning. Arbeidet med enzymer begynner fra spesielle punkter - replikatorer og bare fra dem. Å starte på feil sted vil forvrenge hele prosessen. Katalysatorenzymet aktiverer spesielle proteiner som danner pre-replikasjonskomplekset som er nødvendig for DNA-duplisering. Før reproduksjon kuttes DNA i to deler av spesielle enzymer.

Komplementær kjede

Under forlengelsen bygges en komplementær morskjede på matrisen. Det vil si en som da kan danne et komplett molekyl. Prosessen avsluttes med avslutning, som også skjer på et visst tidspunkt. Det er en spesiell enhet - replikonen. Dette er DNA-fragmentet som bygges opp om gangen. DNA-replikasjon er grunnlaget uten det, er kromosomreplikasjon umulig. Sistnevnte oppstår når cellen forbereder seg på å dele seg.

Protein som et tegn

Kromosomduplisering begynner bokstavelig talt noen timer etter at DNA-duplisering oppstår. For at et kromosom skal bygges opp igjen, trengs ikke bare nye sett, men også proteiner som er en del av kromosomapparatet, og syntesen av dem tar tid. Akselerert replikasjon er et tegn på kreft. Hvis det oppdages for mye protein, karakteristisk for intensiv, begynner legen å slå alarm.

Nok plass

Er i gang med replikering interessant funksjon- i rommet til kjernen er syntesepunktene for nytt DNA lokalisert ganske jevnt, derfor er det ingen forvrengninger som kan provosere gjensidig påvirkning. Det er ganske mange prikker, vanligvis ett og et halvt til to dusin.

Hvordan kromosomene er organisert, avhenger av om cellen gjennomgår mitose eller meiose. I det første tilfellet vil den resulterende cellen ha et normalt sett, i det andre - et halvt sett. Tross alt vil den resterende halvparten bli brakt av cellen til den andre partneren Hvis det i meiose plutselig viser seg å være et komplett sett, vil det enten være ikke-levedyktig, eller et sykt barn vil bli unnfanget. Imidlertid blir slike barn oftest ikke født på et tidlig stadium av svangerskapet, som moren kan forveksle med menstruasjon eller eggløsning

Før hver celledeling, med absolutt nøyaktig overholdelse av nukleotidsekvensen, skjer selvduplikasjon (reduplikasjon) av DNA-molekylet. Reduplikasjon begynner når DNA-dobbelthelixen midlertidig slapper av. Dette skjer under påvirkning av enzymet DNA-polymerase i et miljø som inneholder frie nukleotider. Hver enkelt kjede, i henhold til prinsippet om kjemisk affinitet (A - T, G - C), tiltrekker seg til sine nukleotidrester og sikrer frie nukleotider lokalisert i cellen med hydrogenbindinger. Dermed fungerer hver polynukleotidkjede som en mal for en ny komplementær kjede. Resultatet er to DNA-molekyler, av hver av dem kommer den ene halvparten fra modermolekylet, og den andre er nysyntetisert, dvs. to nye DNA-molekyler representerer eksakt kopi det opprinnelige molekylet.

Ekorn

Ekorn - påbudt, bindende komponent alle celler. I livet til alle organismer er proteiner av største betydning. Protein inneholder karbon, hydrogen, nitrogen, og noen proteiner inneholder også svovel. Aminosyrer spiller rollen som monomerer i proteiner. Hver aminosyre har en karboksylgruppe (-COOH) og en aminogruppe (-NH 2). Tilstedeværelsen av sure og basiske grupper i ett molekyl bestemmer deres høye reaktivitet. Mellom aminosyrer som kommer sammen, kalles en binding peptid, og den resulterende kombinasjonen av flere aminosyrer kalles peptid. Tilkobling fra stort nummer aminosyrer kalles polypeptid.

Proteiner inneholder 20 aminosyrer som skiller seg fra hverandre i sin struktur. Ulike proteiner dannes ved å kombinere aminosyrer i forskjellige sekvenser. Det enorme mangfoldet av levende ting bestemmes i stor grad av forskjeller i sammensetningen av proteinene de har.

Det er fire organisasjonsnivåer i strukturen til proteinmolekyler:

Hoved struktur - en polypeptidkjede av aminosyrer koblet i en bestemt sekvens av kovalente (sterke) peptidbindinger.

Sekundær struktur - en polypeptidkjede vridd i form av en spiral. I den oppstår svake hydrogenbindinger mellom tilstøtende svinger. Sammen gir de en ganske sterk struktur.

Tertiær strukturen er en bisarr, men spesifikk konfigurasjon for hvert protein - en kule. Det holdes av svake hydrofobe bindinger eller kohesive krefter mellom ikke-polare radikaler, som finnes i mange aminosyrer. På grunn av deres overflod gir de tilstrekkelig stabilitet av proteinmakromolekylet og dets mobilitet. Den tertiære strukturen til proteiner opprettholdes også kovalente S-S-bindinger som oppstår mellom radikaler av den svovelholdige aminosyren cystein som er fjernt fra hverandre.

På grunn av koblingen av flere proteinmolekyler med hverandre, dannes det kvartær struktur. Hvis peptidkjedene er ordnet i form av en ball, kalles slike proteiner kuleformet. Hvis polypeptidkjeder er ordnet i bunter av tråder, kalles de fibrillære proteiner.

Krenkelse av den naturlige strukturen til et protein kalles denaturering. Det kan oppstå under påvirkning høy temperatur, kjemiske substanser, stråling osv. Denaturering kan være reversibel (delvis ødeleggelse av den kvartære strukturen) og irreversibel (ødeleggelse av alle strukturer).

FUNKSJONER:

De biologiske funksjonene til proteiner i en celle er ekstremt forskjellige. De skyldes i stor grad kompleksiteten og mangfoldet i formene og sammensetningen av selve proteinene.

1 Konstruksjonsfunksjon - organeller bygges.

2 Katalytisk - proteinenzymer (amylase, omdanner stivelse til glukose)