ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
Пензенский институт им. В.Г. Белинского
Кафедра «Общей биологии и биохимии»
Курсовая работа по дисциплине «Биология»
на тему: «Коррекция репликации ДНК»
Выполнила: ст. гр. 14 лс6
Муравьёва А.А.
Проверил: к.б.н., доцент
Салдаев Д.А.
Пенза 2014
Содержание
Введение
1. Определение и общие представления о репликации ДНК
2. Периоды репликации
2.1 Инициация
2.2 Элонгация
2.3 Терминация
3. Коррекция репликации ДНК
4. Конвариантная редупликация, как основа мутационной изменчивости
5. Метилирование ДНК
6. Лекарственные препараты и репликация
Заключение
Список использованных источников литературы
Введение
Каждая молекула ДНК состоит 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.). Ранее существовали и две другие модели: «консервативная»- в результате репликации образуется одна молекула ДНК, состоящая только из родительских цепей, и одна, состоящая только из дочерних цепей; «дисперсионная» - все получившееся в результате репликации молекулы ДНК состоят из цепей, одни участки которых вновь синтезированы, а другие взяты из родительской молекулы ДНК.
Репликация ДНК - ключевое событие в ходе деления клетки. Принципиально, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определёнными механизмами регуляции репликации ДНК.
1. Определение и общие представления о репликации ДНК
Репликация ДНК-процесс передачи информации от ДНК на ДНК в результате самовоспроизведения обоих матричных нитей всей молекулы ДНК. Молекула ДНК - это структура, которая находится в хромосоме. В хромосоме только одна молекула ДНК. Молекула ДНК состоит из двух нитей или цепочек. Репликация характерна для ДНК и РНК. В настоящее время термин репликация чаще всего используют для обозначения синтеза новых цепей ДНК на матричных нитях. Репликация у животных осуществляется в ядре клетки и митохондриях. Вначале молекула ДНК деспирализуется, нити отходят друг от друга на каждой свободной нити синтезируется новая копия-дочерняя молекула ДНК. Синтез ДНК на нитях происходит в противоположных направлениях. После завершения синтеза формируются две раздельные молекулы ДНК. В каждой молекуле ДНК содержится материнская и одна дочерняя нить ,т.е. законспектирована половина материала материнской молекулы ДНК. Поэтому такой синтез называют полуконсервативым. После окончания синтеза две молекулы ДНК отходят друг от друга, но остаются соединенными в области центромер .Полностью начинают отходить молекулы ДНК друг от друга в начале профазы, когда соединяющая их центромера делится. Всё вышеперечисленное входит в понятие репликативный синтез ДНК. Этот синтез осуществляется в S-период клеточного цикла. К концу этого периода синтез прекращается.
Различают ещё один вид синтеза ДНК- репаративный .Он связан с синтезом ДНК в месте повреждения и не приурочен к какой-либо стадии клеточного цикла. Повреждения возникают в любой фазе и должны быть срочно восстановлены. В противном случае клетку ожидают неприятные последствия. Как правило, обширные повреждения ДНК в клетке не способны восстанавливаться клетка гибнет. Небольшие повреждения восстанавливаются. Причём в зависимости от того какие имеются повреждения восстановление будет касаться одной или двух цепочек ДНК небольшой протяжённости. В связи с этим такой синтез ДНК не продолжителен и не требует больших энергетических затрат. Такой синтез носит название внеплановый синтез ДНК или репаративный синтез ДНК. Напротив, репликации синтезируются заново вся молекула ДНК хромосомы ,продолжительность её измеряется часами ,при этом расходуется значительное количество энергии и заготовленного материала.
Всё, что известно в настоящее время о репликации ДНК было выяснено в результате многолетнего экспериментального обоснования основных положений модели структуры и репликации
ДНК по Д. Уотсону и Ф. Крику(1953).
Формулируя свою модель Д. Уотсон и Ф. Крик предположили, что репликация ДНК происходит в несколько последовательных этапов, а именно: разрыв водородных связей между двумя полинуклеотидными цепями и разделение последних; разматывание полинуклеотидных цепей; синтез вдоль каждой из полинуклеотидных цепей новой цепи с комплементарной последовательностью азотистых оснований. Они предположили далее, что разделение и разматывание полинуклеотидных цепей начинается с одного конца молекулы, продолжается по направлению к другому её концу и сопровождается одновременно идущим с того же конца молекулы синтезом новых полинуклеотидных цепей. Таким образом, в репликации ДНК каждая полинуклеотидная цепь действует в качестве шаблона для вновь синтезируемой полинуклеотидной цепи, причём шаблон обеспечивает выбор определённых нуклеотидных последовательностей из всех возможных последовательностей. В результате этого каждая новая молекула ДНК состоит из одной старой и одной новой, комплементарной старой. Этот способ репликации ДНК получил название полуконсервативой репликации.
Полуконсервативный характер репликации ДНК был доказан М. Месельсоном и Ф.Сталем в 1958 году.
У прокариотов репликация ДНК начинается с 0-пункта репликации ,составленного примерно 300 нуклеотидами и продолжается в двух направлениях ,образуя репликационную «вилку». Скорость движения «вилки» составляет 500 нуклеотидов в секунду. Удвоение молекулы ДНК происходит за 40 минут. Кроме того, у прокариотов действует механизм «вращающее колесо», по которому репликационная «вилка» двигается вокруг кольца ,генерируя цепи, на которых синтезируются комплементарные цепи. Изучение ферментативного синтеза ДНК компонентами которого являются ДНК-полимераза, дезоксирбонуклеозид 5-трифосфаты всех четырёх азотистых оснований ,ионы магния и ДНК-«затравка», показало ,что присутствие всех этих компонентов в смеси сопровождается добавлением мононуклеотидов к растущему концу цепи ДНК , причём они добавляются к 3-гидроксильному концу «затравочной» последовательности ,и цепь растёт в направлении от 5' к 3'-концу.
Реакция катализируется ДНК-полимеразой 3. После добавления в смесь ДНК-«затравки» синтез ДНК не прекращается даже тогда, когда количество вновь синтезированной ДНК достигает количества ДНК-«затравки». Если же один из компонентов в смеси отсутствует, частота полимеризации снижается во много раз. Отсутствие ДНК-затравки полностью исключает реакцию.
Установлено, что для репликации ДНК необходимы белки, детерминируемые генами A, B, C, G. Комплекс репликативных ферментов и белков получил название ДНК-репликазной системы.
Изучение ферментативного синтеза ДНК показано также, что копируются обе цепи, но так как цепи ДНК в спирали антипараллельны, то синтез одной цепи происходит в направлении от 5' к 3' концу, тогда как другой от 3' к 5' концу. Синтез цепи в направлении от 5 к 3 является непрерывным, тогда как синтез в направлении от 3' к 5' концу прерывен ,поскольку синтезируются короткие сегменты в направлении от 3' к 5' концу прерывен, поскольку синтезируются короткие сегменты в направлении от 5' к 3' концу, которые затем воссоединяются ДНК-лигазой. Короткие сегменты по 1000-2000 нуклеотидов получили название фрагментов Р.Оказаки. Следовательно, рост обеих цепей обеспечивается одной и той же полимеразой. Репликационная «вилка» ассиметрична. Цепь, синтезируемая непрерывно, называют лидирующей, а цепь, синтезируемую непрерывно,-запаздывающей. «Запаздывание» второй цепи связано с тем, что синтез каждого фрагмента Оказаки осуществляется только тогда, когда в результате продвижения лидирующей цепи откроется необходимый участок цепи шаблона.
Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены: (1) запаздывающая нить, (2) лидирующая нить, (3)ДНК-полимераза (Polб), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) праймаза, (7) фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза (Polд), (9)хеликаза, (10) одиночная нить со связанными белками, (11) топоизомераза
У бактерий открыты ДНК-полимеразы 1,2,3. Главной является ДНК-полимераза 3,которая отвечает за элонгацию цепей ДНК.
ДНК- полимераза 1 заполняет бреши в запаздывающей цепи, тогда как функция ДНК- полимеразы2 не совсем понятна. В случае синтез лидирующей цепи у ДНК- полимеразы имеется спаренный 3 конец, что позволяет начать полимеризацию следующей цепи. Однако для ДНК-полимеразы, синтезирующей «запаздывающую» цепь, необходима «затравка», обладающая спаренным 3 концом. Эту затравку в виде коротких сегментов РНК синтезирует из рибонуклеозидтрифосфатов ДНК-проймаза на ДНК-шаблоне запаздывающей цепи. Данный процесс характерен тем, что предшествующий синтез коротких сегментов РНК «затравливает» каждую новую инициацию синтеза ДНК. Затем включается ДНК-полимераза, полимеризуя 5- фосфат дезоксирибонуклеотидного остатка с 3'-гидроксильным концом цепи РНК, что приводит к нормальному синтезу цепи ДНК удаляется и брешь заполняется ДНК. Таким образом, роль «затравки» в синтезе фрагментов Оказаки выполняется РНК.
Репликация ДНК эукариотов характеризуется теми же механизмами, что и у прокариотов, хотя скорость полимеризации цепей является меньшей (около 50 нуклеотидов в секунду у млекопитающих). В репликации ДНК эукариотов принимают участие те же ферменты что и в случае прокариотов. Размеры ферментов Оказаки составляют 100-200 нуклеотидов.
Раскручивание двойной цепи ДНК происходит с участием трёх разных белков :белки, деспирализующие спираль. Они связываются с одноцепочечными ДНК ,помогают ДНК-геликазам раскручивать спираль и обеспечивают протяженный одноцепочечный шаблон для полимеризации; ДНК- геликазы, раскручивание ДНК. Они прямо вовлечены в катализационирование раскручивания; ДНК-гиразы, которые катализируют формирование негативных супер витков в ДНК. У эукариотов известно пять ДНК-полимераз, из которых главную роль в репликации играют полимеразы альфа и сигма. Начинает альфа-полимераза.
Синтез из ведущей и «запаздывающей» цепей, поскольку только она обладает «затравочной» активностью. Дальнейшую элонгацию лидирующей цепи осуществляет сигма-фермент , а «запаздывающей» цепи -Е- или альфа-фермент. Завершает репликацию «запаздывающей» цепи Y-фермент ,который является митохондриальным.
Установлен также белок (циклин),который синтезируется в S-фазе клеточного цикл также необходим для репликации ДНК.
Спирализацию ДНК после репликации обеспечивают ферменты ДНК-топоизомеразы. Процесс репликации ДНК характеризуется исключительной точностью. Фрагменты Оказаки , продуцируемые в ДНК у эукариотов, имеют длину от 20 до 100 пар нуклеотидов. Это, возможно, связано с тем, что у эукариотов синтез ДНК более медленный (одна молекула ДНК в минуту) по сравнению с прокариотами (30 молекул в минуту).
Удвоение хромосом у эукариотов является сложным процессом, поскольку включает не только репликации гигантских молекул ДНК, но и синтез связанных с ДНК гистонов и негистоновых хромосомных белков. Конечный этап-упаковка ДНК и гистонов в нуклеосомы. Считают, что удвоение хромосом также имеет полуконсервативный характер.
Репликационное поведение хромосом основывается на 3 функциональных свойства, а именно: непосредственно репликация, секрегация хромосом при репликации ДНК и делении клеток, а также репликация и предохранение концов хромосом.
0-пункты репликации существуют в хромосомах организмов-эукариотов, состоящих из определённых последовательностей азотистых оснований, причём являются множественными. Эти пункты получили название автономно реплицирующихся последовательностей. Определение количества репликационных «вилок» показало, что они удалены один от другого на расстоянии 30000-300000 пар азотистых оснований. В результате этого по каждой хромосоме двигаются много репликационных «вилок» ,причём одновременно и независимо дна от другой. Инициацию репликации ДНК обеспечивают белки, связанные с 0-пунктом репликации, а также белки -киназы. Последние ответственны за выход ДНК из репликации. Но как действуют эти механизмы- это вопрос, который ещё не получил разрешения. За сегрегацию хромосом в дочерние клетки ответственны центромеры.
В репликаци и предохранении концов хромосом имеют значение так называемые теломеры, представляющие собой повторяющиеся последовательности ДНК длиной 5-10 азотистых оснований. Их роль заключается в обеспечении доступа ДНК-полимеразы к концам цепей ДНК. Вновь образованные хромосомы содержат как старые гистоны, так и вновь синтезированные, контроль которых у млекопитающих осуществляется 20 генными блоками, каждый из которых содержит по 5 гистоновых генов.
Однако репликация эукариотической ДНК имеет и существенное отличие от репликации прокариотической ДНК. Когда ДНК эукариотов метят Н-тимидином, а затем экстрагируют из хромосом и изучают методом радиографии,то при этом наблюдают тандемный порядок радиоактивности. Это свидетельствует о том, что одиночные молекулы ДНК содержат множественные 0-пункты репликации. Например, в ДНК клеток млекопитающих 0-пукты встречаются через каждые 40000-200000 пар оснований. Экспериментальные данные указывают на то, что репликация хромосомы эукариотов происходит в двух направлениях, поскольку репликационные «вилки» двигаются в двух направлениях из центральных 0-пунктов к репликационным терминусам (пунктам остановки репликации). Сегмент хромосомы, чья репликация находится под контролем одного 0-пункта и двух терминусов, является единицей репликации и её называют репликоном. Размеры эукариотических репликонов зависят от вида организмов, но в общем они составляют около 10-100 нм.
Одним из основных свойств материала наследственности является его способность к самокопированию-репликация. Это свойство обеспечивается особенностями химической организации молекулы ДНК, состоящей из каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуется две идентичные двойные спирали. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным. дезоксирибонуклеиновый элонгация редупликация
Для осуществления репликации материнской ДНК должны быть отделены друг от друга, чтобы стать матрицами, на которых будут синтезироваться комплементарные цепи дочерних молекул.
Инициация репликации осуществляется в особых участках ДНК. Они включают последовательность, состоящую из 300 нуклеотидных пар, узнаваемую специфическими белками. Двойная спираль ДНК в этих локусах разделится на две цепи, при этом, как правило, по обе стороны от точки начала репликации образуются области расхождения олинуклеотидных цепей-репликационные вилки, которые движутся в противоположных от локуса направлениях. Между репликационными вилками образуется структура, называемая репликационным глазком, где на двух цепях материнской ДНК образуются новые полинуклеотидные цепи.