Репликация – процесс самовоспроизведения ДНК

Cтруктура ДНК 5 3

Принцип комплементарности оснований ДНК обеспечивает воспроизведение информации о последовательности нуклеотидов одной цепи в другой комплементарной цепи, поскольку между последовательностями нуклеотидов в комплементарных цепях существует однозначное соответствие. Иными словами, вся информация, необходимая для репликации, заключена в самой ДНК.

Модель репликации ДНК по Уотсону и Крику

Вывод: Генетическая информация, заложенная в последовательности ДНК, непосредственно передается от одного поколения к следующему за счет способности каждой цепи ДНК служить матрицей, по которой синтезируется комплементарная ей цепь.

Эксперимент Мезельсона и Сталя (1957 г.)

ДНК-ПОЛИМЕРАЗЫ – ФЕРМЕНТЫ, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩИЕ РЕПЛИКАЦИЮ ДНК Для работы ВСЕХ ДНК-полимераз необходимы матричная цепь ДНК, ДНК-затравка (праймер) с 3-ОН-концом и смесь четырех дезоксинуклеозидтрифосфатов. ДНК-полимераза синтезирует ДНК, присоединяя нуклеотиды, что сопровождается гидролизом дезоксинуклеозидтрифосфатов, к 3-ОН-концу затравки. У E. coli обнаружены три ДНК-полимеразы, из которых более существенны две: ДНК-полимераза I функционирует в репаративных процессах и неспособна к синтезу протяженных цепей ДНК, ДНК-полимераза III осуществляет общую репликацию геномной ДНК.

ДНК-полимераза I E. coli имеет три активности: 1. Полимеразная активность, которая катализирует рост цепи в направлении 5-3, присоединяя нуклеотиды к 3-OH-концу ДНК-затравки экзонуклеазная активность (редактирующая функция), которая удаляет ошибочно вставленные основания (ошибки репликации) экзонуклеазная активность, которая в дуплексе ДНК деградирует цепь ДНК от однонитевого разрыва.

Свойства polA-мутанта (мутация в гене, кодирующем ДНК-полимеразу I) (Дж.Кэрнс и П.Де Лючия, 1969 г.) 1.Активность ДНК-полимеразы I у мутанта составляет около 1% по сравнению со штаммом дикого типа (д.т.). 2.Скорость роста мутанта такая же, как и у штамма д.т. 3.Мутант высоко чувствителен к УФ-свету. Следовательно, ДНК-полимераза I не является необходимой для репликации, а вовлечена в репарацию ДНК.

Методологическое значение эксперимента Кэрнса и Лючия (выделение и исследование polA-мутанта) Был установлен важнейший общий принцип – нельзя установить функцию какого-либо фермента только на основе его свойств in vitro. Только генетические методы (изучение мутантов) дают возможность установить функцию какого-либо фермента in vivo.

ДНК-полимеразы являются ключевыми ферментами процессов, обеспечивающих сохранение ДНК в ряду поколений: не только репликации, но и репарации и рекомбинации.

репликации перемещается вдоль родительского дуплекса ДНК и характеризуется локальным расхождением его цепей точка репликации перемещается вдоль родительского дуплекса ДНК и характеризуется локальным расхождением его цепей Вилка репликации – это точка, в которой цепи родительского дуплекса разделены, что дает возможность репликации.

При наблюдении в электронный микроскоп реплицирующаяся область имеет вид «глазка»

Репликация может быть одно- или двунаправленной Точка начала репликации хромосомы E.coli – oriC. Точка начала репликации плазмиды – oriV. При продвижении репликационной вилки (или вилок) область глазка увеличивается

Словарь Репликоном называется молекула ДНК, способная к самостоятельной репликации. Репликонами являются хромосомы, ДНК органелл, ДНК плазмид и вирусов. Каждый репликон характеризуется наличием элементов, контролирующих репликацию. Прежде всего, к этим элементам относится ориджин репликации (точка начала репликации). Ориджин является цис-действующим элементом, поскольку он функционален только для той молекулы ДНК, на которой находится.

Бактериальная хромосома имеет одну точку начала репликации и является единым репликоном. Под электронным микроскопом кольцевые репликоны с репликационным глазком образуют Θ-структуры (тэта- структуры). Под электронным микроскопом кольцевые репликоны с репликационным глазком образуют Θ-структуры (тэта- структуры).

Эукариотическая хромосома имеет много точек начала репликации и состоит из многих репликонов

Скорость репликации бактериальной хромосомы составляет около 1000 п.н. в секунду. Скорость репликации у эукариот (млекопитающие) составляет около 100 п.н. в секунду.

Инициация репликации и расплетание дуплекса ДНК у E. coli Ориджины репликации имеют специфическую последовательность нуклеотидов, их размер около 300 н. Инициаторные (DnaA и другие) связываются с oriC и раскрывают двойную спираль ДНК. Инициаторные (DnaA и другие) связываются с oriC и раскрывают двойную спираль ДНК. DnaA

Инициация репликации и расплетание дуплекса ДНК С ДНК связывается ДНК-хеликаза DnaB/DnaC. Она движется вдоль ДНК, разделяет цепи и продвигает репликационную вилку.

Хеликаза DnaB/DnaC Белок, связывающийся с однонитевой ДНК – SSB Инициация репликации и расплетание двойной спирали ДНК С ДНК связывается ДНК-хеликаза DnaB/DnaC. Она движется вдоль ДНК, разделяет цепи и продвигает репликационную вилку. С однонитевыми участками ДНК связывается белок SSB.

Топоизомераза Белок SSB ДНК-топоизомераза раскручивает ДНК впереди репликационной вилки. Хеликаза DnaB/DnaC

Синтез ДНК на матрице должен быть инициирован коротким олигонуклеотидом (праймером или затравкой) РНК-затравка Синтезируется РНК-полимеразой (ДНК-праймазой DnaG) Праймаза DnaG

РНК-затравка Праймаза DnaG Праймаза образует комплекс с матричной ДНК и дополнительными белками, такими как DnaB, DnaT, PriA, PriB, PriC – это инициирующий комплекс или праймосома.

РНК-затравка Общую репликацию ДНК осуществляет ДНК-пол. III) ДНК-пол. III Все ДНК-полимеразы способны синтезировать новую цепь только в одном направлении: 5-3 Лидирующая цепь

Все ДНК-полимеразы способны синтезировать новую цепь только в одном направлении: 5-3 РНК-затравка ?

Вторая (отстающая цепь) синтезируется в виде коротких фрагментов Оказаки РНК-затравки Лидирующая цепь Отстающая цепь Фрагменты Оказаки

Вторая (отстающая цепь) синтезируется в виде коротких фрагментов Оказаки Фрагменты Оказаки Синтез фрагментов Оказаки (ДНК-пол.III) терминируется перед началом праймера предыдущего фрагмента

ДНК-пол. III Синтез фрагмента Оказаки (ДНК-пол.III) терминируется перед началом праймера предыдущего фрагмента ДНК-пол. I Здесь начинает работать ДНК-полимераза I. Здесь начинает работать ДНК-полимераза I.

ДНК-пол. III ДНК-пол. I ДНК-лигаза Здесь начинает работать ДНК-полимераза I. Здесь начинает работать ДНК-полимераза I. Ее 5-3-экзонуклеазная активность удаляет РНК-затравку, и одновременно достраивает предыдущий фрагмент ДНК. Затем два состыкованных фрагмента Оказаки соединяются между собой ДНК- лигазой. Ее 5-3-экзонуклеазная активность удаляет РНК-затравку, и одновременно достраивает предыдущий фрагмент ДНК. Затем два состыкованных фрагмента Оказаки соединяются между собой ДНК- лигазой.

Схема вилки репликации ДНК Топоизомераза Хеликаза DnaB Белок SSB Праймаза DnaG ДНК-полимераза III (dnaE,N,Q,X, holA-E) ДНК-пол. III ДНК-пол. I (polA) ДНК-лигаза (lig)

Другие типы синтезов ДНК Репаративный (внеплановый) синтез ДНК – локальный синтез, связан с устранением повреждений в ДНК – это этап процесса репарации. Синтез, связанный с репликацией ДНК клеточных органелл – этот синтез может происходить независимо от репликации хромосомы. Синтез, связанный с увеличением числа копий отдельных генов или сегментов ДНК – процесс амплификации.

Рекомендуемая литература Фаворова О.О. Сохранение ДНК в ряду поколений: репликация ДНК. Соросовский образовательный журнал, 1996, 4, или Фаворова О.О. Репликация ДНК. Современное естествознание. Энциклопедия. Т.8,

Рекомендуемая литература