+Репликация ДНК

Помним что ДНК это краткое название дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Репликация ДНК это процесс самоудвоения молекулы, из одной молекулы образуется две молекулы, идентичные материнской ДНК

- процесс происходит перед началом деления клетки, в синтетическом периоде интерфазы - S-период

- процесс осуществляет сложный комплекс, состоящий из 15—20 различных белков-ферментов, называемый реплисомой . С помощью них 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.

Принципы репликации:

1. Комплементарность: цепи ДНК комплиментарны друг другу , нуклеотиды подбираются строго по парам: против Аденина всегда встает Тимин (А–Т), против Гуанина — Цитозин (Г–Ц).

2. Матричность: каждая из двух цепей материнской молекулы служит шаблоном (матрицей) для синтеза новой цепи.

3. Направленность: синтез новой цепи всегда идет от 5'-конца к 3'-концу.

4.Антипараллельность 5'-конец одной цепи соответствует 3'-концу другой цепи

5. Челночный синтез присоединение нового нуклеотида возможно только к 3'-концу , поэтому на одной цепи синтез идет непрерывно, а на другой - фрагментами в обратном направлении (возврат полимеразы назад для синтеза нового фрагмента)

6. Полуконсервативности: вновь образующиеся молекулы ДНК состоят из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм репликации называется полуконсервативным. В настоящее время этот механизм считается доказанным благодаря опытам Мэтью Мезельсона и Франклина Сталя (1958 г.)

Суть эксперимента Мезельсона и Сталя:

Они работали с бактериями E. coli (кишечная палочка) и использовали

• Метод меченых атомов (или изотопный метод) — использование разных форм азота для маркировки цепей.
• Центрифугирование — разделение полученных молекул ДНК в пробирке по их плотности и массе.

Ход эксперимента

1. Бактерии долго выращивали на среде с тяжелым изотопом азота 15N. В итоге обе цепи материнской ДНК содержали только этот изотоп.
2. Бактерии перенесли на среду, содержащую обычный легкий азот 14N.
3. Деление 1 (через 20 мин): После одного цикла репликации в центрифуге была обнаружена одна полоса ДНК промежуточной плотности. Это подтвердило, что гибридные молекулы состоят из одной цепи 15N и одной цепи 14N.
4. Деление 2 (через 40 мин): После второго цикла деления появились две полосы: одна промежуточная (15N14N) и одна легкая (14N14N) в соотношении 1:1 (или 50% на 50%). Т.е. репликация идет полуконсервативно — каждая старая цепь (15N) служит матрицей для синтеза новой цепи из того азота, который есть в среде (14N).

Этот опыт экспериментально доказал полуконсервативный механизм репликации ДНК, при котором каждая новая молекула состоит из одной старой и одной новой цепи

Что было опровергнуто экспериментом:

Консервативная модель: где одна молекула остается полностью старой, а вторая создается полностью новой.

Дисперсная модель: где новые цепи собираются из перемешанных кусочков старой и новой ДНК.

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

✅ Репликация — это трехэтапный процесс (инициация, элонгация, терминация)

Этапы репликации

1. Инициация: подготовка и расплетение

На этом этапе двойная спираль ДНК превращается в две доступные нити-матрицы. Ферменты раскручивают спираль ДНК, образуя репликационную вилку.

• Топоизомераза (11) идет по молекуле ДНК и делает временные разрывы в ДНК для раскручивания спирали
• Сразу за топоизомеразой двигается Хеликаза (9)и разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, разделяя двойную спираль на две отдельные нити и образуя репликационную вилку

Схема репликационной вилки: a — родительская цепь ДНК, b — лидирующая цепь, c — отстающая цепь, d — репликационная вилка, e — РНК-праймер, f — фрагмент Оказаки

• SSB-белки (10): Моментально облепляют одиночные нити, фиксируя их в расправленном состоянии.
• Праймаза (6) синтезирует РНК-праймер (5) - короткую цепь РНК, затравку. Без него ДНК-полимераза не может начать работу.

Простая аналогия: Представь, что ты строишь ровную кирпичную стену. Тебе нужен идеально ровный фундамент. Праймер — это деревянная опалубка: ее легко поставить на землю (с нуля), но она временная. Как только стена (ДНК) схватится, дерево убирают и заливают пустоту качественным бетоном.

Почему РНК-праймер, если репликация ДНК идет? Фермент, который делает праймер (праймаза), в отличие от ДНК-полимеразы, умеет соединять первые два нуклеотида на пустом месте. Но он работает только с РНК. Начало цепи — самый рискованный этап, где часто случаются ошибки. РНК-праймер — это временная «черновая» метка. Позже клетка легко распознает его как «чужеродный» элемент, удаляет и заменяет на качественную, проверенную ДНК.

2. Элонгация ( синтез новых цепей):

• ДНК-полимераза (8) присоединяется к РНК- к праймеру, начинает присоединять новые нуклеотиды по принципу комплиментарности (напротив А - Т, Г-Ц), двигается. ДНК-полимераза может присоединить новый нуклеотид только к свободному 3'-концу (к гидроксильной группе -OH) уже имеющейся цепи, поэтому синтез на двух нитях идет по-разному
• Лидирующая цепь (2) синтезируется непрерывно вслед за движением вилки. Здесь 3'-конец материнской цепи направлен внутрь вилки. ДНК-полимераза садится на него и спокойно едет вслед за хеликазой. Синтез идет непрерывно, от 5' к 3'.
• Отстающая цепь (1) синтезируется отдельными короткими участками — фрагментами Оказаки. На этой цепи 3'-конец направлен наружу от вилки. Полимераза не может синтезировать от 3' к 5'. Поэтому она делает «прыжок назад»:

1. Ждет, пока хеликаза раскроет небольшой участок ДНК.
2. Садится как можно ближе к «разрыву» (вилке).
3. Синтезирует короткий кусок в обратную сторону (от вилки), чтобы соблюсти свое направление 5' → 3'. Так получаются фрагменты Оказаки.
4. Когда упирается в предыдущий кусок, отцепляется, прыгает снова вперед к репликационной вилке и повторяет процесс.

Так и получается челночный синтез фрагментами Оказаки.

• ДНК-лигаза (4): Завершает работу. Она заменяет остатки РНК-праймеров на ДНК и «сшивает» фрагменты Оказаки в одну длинную непрерывную нить.

ДНК-лигаза I (кольцеобразная структура, состоящая из нескольких одинаковых молекул белка, показанных разными цветами), лигирующая повреждённую цепь ДНК

Аналогия с дорогой : представь двух дорожных рабочих, которые рисуют разметку на двухполосной дороге, но умеют красить только от себя вперед:

• Первый идет по своей полосе вслед за машиной, которая кладет асфальт. Он красит линию непрерывно.
• Второй вынужден ждать, пока машина проедет 10 метров, бежать к ней, а потом красить эти 10 метров назад, к началу дороги. Потом снова бежать к машине и снова красить назад.

Итог: Оба рабочих красят в своем разрешенном направлении (от 5' к 3'), но один делает это плавно, а другой — короткими отрезками.

3. Терминация: завершение

Синтез заканчивается, когда две репликационные вилки встречаются (у бактерий) или когда полимераза доходит до соседнего участка ДНК , на котором также осуществлялась репликация (у эукариот)

1. Удаление праймеров: Специальные ферменты (например, ДНК-полимераза I или РНК-аза H) вырезают РНК-праймеры.
2. Пустые места на месте праймеров заполняются ДНК.
3. Лигаза сшивает, превращая фрагменты в непрерывную нить.

Структуры ДНК

У ДНК выделяют три уровня организации (структуры):

• Первичная структура: Это цепочка нуклеотидов, соединенных друг за другом. Нуклеотиды связаны прочными ковалентными (фосфодиэфирными) связями.
• Вторичная структура: двойная спираль. Две нити ДНК соединяются друг с другом с помощью водородных связей между азотистыми основаниями (А-Т, Г-Ц) и закручиваются.
• Третичная структура: двойная спираль упакована в пространстве. В ядре клетки ДНК наматывается на специальные белки-катушки (гистоны), образуя компактные нити — хроматин, который при делении клетки превращается в хромосомы.

ДНК- нуклеосома из днк и гистона- хроматин- хромосома

Вывод:

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.

Проверь себя:

1. Каким номером на схеме отмечена короткая цепь РНК (затравка), необходимая для начала работы ДНК-полимеразы?

Рисунок из реального варианта ЕГЭ

2. Установите соответствие между характеристиками и объектами, обозначенными на рисунке цифрами 1,2 и 3: к каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца.

Проверь себя

1 -5

2 -322123

Типовые задачи по репликации ДНК

1. Цепь ДНК имеет последовательность 3'–ТГЦААГ–5'. Определите последовательность второй цепи
2. В фрагменте ДНК 40 нуклеотидов с Гуанином, что составляет 20%. Сколько всего нуклеотидов в фрагменте?
3. Дан фрагмент ДНК: ААГТТЦ. Сколько водородных связей нужно разорвать для репликации?

Как решать:

Усложняем, задание на синтез РНК-праймера

- Постройте короткий РНК-праймер на участке ДНК 3' — А Т Т Г Ц А — 5'

Решение: подставляй пары, но вместо Т пиши У! в РНК нет тимина, а есть урацил):

ДНК (матрица):      3' — А Т Т Г Ц А — 5'
                                   ↓     ↓     ↓     ↓     ↓     ↓
РНК-праймер:         5' — .............................— 3'

проверь себя):

У тебя должно получиться

5'-У А А Ц Г У— 3'