A szekvencia a DNS-reduplikáció folyamata. A reduplikáció a DNS szintézise. A reprodukció során a magosztódás történik

A DNS-ben rögzített információkat nemcsak a sejtek és élőlények fejlődése során kell megvalósítani, hanem teljes mértékben át kell adni a következő generációnak. Ebből a célból a sejtosztódás előtt folyamatot hajtanak végre benne replikáció, azaz megkétszerezi a DNS mennyiségét.

A replikációs mechanizmusra vonatkozó információ magában a DNS-ben található: egyes gének olyan enzimeket kódolnak, amelyek DNS-prekurzorokat - nukleotidokat - szintetizálnak, mások - olyan enzimeket, amelyek biztosítják az aktivált nukleotidok egyetlen láncba való kapcsolását. A replikációs mechanizmust először J. Watson és F. Crick tételezte fel, akik megjegyezték, hogy a DNS-szálak komplementaritása arra utal, hogy ez a molekula képes megkettőzni önmagát. Azt javasolták, hogy a megkettőzéshez a hidrogénkötések felszakítása és a láncok divergenciája szükséges, amelyek mindegyike templát szerepét tölti be a komplementer lánc szintézisében. Egy-egy megkettőzés eredményeképpen két kettős szálú DNS-molekula keletkezik, amelyek mindegyike egy anyaszálat és egy újat tartalmaz (lásd az ábrát).

A mechanizmust elnevezték félig konzervatív replikáció. Később számos kísérleti adat igazolta a templát jelleget és a DNS replikáció feltételezett elvét.

A DNS replikációja a kromoszóma meghatározott pontjain kezdődik – a replikációs iniciációs helyeken (eredet). A replikációs folyamatot számos enzim szolgálja ki. A bakteriális DNS, különösen az E. coli replikációs apparátusát a legteljesebben tanulmányozták. A prokarióták DNS-molekula feltekercselésének funkcióját specifikus enzimek látják el helicases , amelyek az ATP ADP-vé történő hidrolízisének energiáját használják fel munkához. Gyakran egy fehérjekomplex részeként működnek, amely a villamozgásokat és a sodratlan szálak replikációját végzi. Más specifikus fehérjék, amelyek egyszálú régiókhoz kötődnek, megakadályozzák a DNS-szálak újraegyesítését. Ezek a különböző irányban eltérő szakaszok jellegzetes szerkezetet alkotnak - replikációs villát (Kearns fork). Ez a DNS-molekula azon része, amelyben jelenleg egy új lánc szintézise zajlik. A fehérje fontos szerepet játszik a villa népszerűsítésében. giráz , amely a topológiai izomerázok kategóriájába tartozik. Csak baktériumokban található meg. A giráz egy relaxáló enzim, amely kettős száltörések létrehozásával eltávolítja a pozitív (a villa előtt) és elősegíti a negatív (a villa mögött) szupertekercsek kialakulását a relaxált DNS-ben.

Az anyai DNS minden egyes szála templátként szolgál a leánymolekulák szintéziséhez. Az egyik láncon a szintézis folyamatosan megy végbe az 5"-től a 3"-ig terjedő irányban. Ezt a láncot vezető láncnak nevezik. A második, ellentétes irányú szál, az úgynevezett lagging szál, különálló fragmensek formájában szintetizálódik, amelyeket azután ligázok keresztkötnek egy folytonos molekulává. A töredékeket R. Okazaki amerikai tudósról nevezték el, aki először feltételezte ezt a DNS-szintézis módszert. Okazaki töredékei. A szintézis során a replikációs villa a templát mentén mozog, és a DNS új szakaszai egymás után felbontódnak, amíg a villa el nem éri a szintézis végpontját (végpontját).

Egy új DNS-lánc szintéziséhez kis RNS-fragmentum formájában lévő primerre van szükség, mert vezető enzime, a DNS-polimeráz működéséhez egy szabad 3"-os OH-csoportra van szükség. Három különböző, hasonló funkciójú DNS-polimerázt találtak a prokariótákban, ezeket poliI-nek, polII-nek és polIII-nak nevezték. A DNS-polimeráz I-et a legteljesebben tanulmányozták. Ez egy egyetlen multifunkcionális aktivitású polipeptid (polimeráz, 3" → 5" exonukleáz és 5" → 3" exonukleáz). A primer szintézisét a primáz enzim végzi, amely néha egy komplex része - 15-20 fehérjéből álló primoszómák, amelyek aktiválja a mátrixot. A primer 10 -60 ribonukleotidból áll. Miután az E. coli DNS-szintézis kulcsenzime - polIII - az első dezoxiribonukleotidokat a primerhez kapcsolja, azt a 3" → 5 polI segítségével távolítják el. "exonukleáz aktivitás, azaz az a képesség, hogy a lánc 3" -végéről terminális nukleotidokat lehasítanak. A primer az egyes Okazaki-fragmensek elején lévő lemaradó szálban is szintetizálódik. Hasítását, valamint a polIII által szintetizált fragmensek megnyújtását a polI végzi. A polII szerepe az E. coli DNS-replikációban még mindig nem teljesen világos.

Az eukarióta DNS-replikáció során a replikációs folyamatot bonyolítja a fehérjék jelenléte a kromoszómákban. A DNS feloldásához el kell pusztítani a DNS és hisztonok erősen kondenzált komplexét, és a replikáció után ismét megtörténik a leánymolekulák tömörítése. A DNS feltekercselése a replikációs villa közelében található régiók szupertekervényét okozza. A keletkező feszültség enyhítésére és a villa szabad mozgatására speciális relaxációs enzimek működnek itt - poizomerázok. Kétféle topoizomerázt azonosítottak különböző organizmusokban: I. és II. típusú. Megváltoztatják a szuperspirálozás mértékét és a szuperhélix típusát azáltal, hogy az egyik (I. típusú topoizomerázok) vagy mindkét DNS-szálban (II. típusú topoizomerázok) megszakadnak, és kiküszöbölik a DNS-szálak összefonódásának kockázatát.

A bakteriális DNS-replikáció egy kétirányú folyamat, egyetlen iniciációs hellyel. Ezzel szemben az eukarióta kromoszóma egyedi replikációs helyekből – relikonokból – áll, és számos iniciációs hellyel rendelkezik. A replikonok különböző időpontokban és különböző sebességgel replikálódhatnak. A DNS-replikáció sebessége az eukarióta sejtekben sokkal alacsonyabb, mint a prokarióta sejtekben. E. coliban a sebesség körülbelül 1500 bp. másodpercenként, eukariótákban - 10-100 bp. másodpercenként. Egyes vírusok kétszálú, körkörös DNS-e gördülő körmintázatban replikálódik. Ebben az esetben egy DNS-szálat egy adott helyen elvág egy adott enzim, és a kapott szabad 3"OH-véghez a polIII enzim segítségével nukleotidok kezdenek kapcsolódni. Templátként a belső kör alakú molekula szolgál. A vágott szál kiszorul, majd megduplázódik, mint a lemaradó E. coli szál, így ligázokkal térhálósított fragmentumokat képez.

AZ ÖRÖKSÉG MOLEKULÁRIS ALAPJA. ÖRÖKLETES INFORMÁCIÓK MEGVALÓSÍTÁSA.

Mi az örökletes információ?

Az örökletes információ alatt a fehérjék szerkezetére és az emberi szervezet fehérjeszintézisének természetére vonatkozó információkat értjük. Szinonimája: genetikai információ.

A nukleinsavak vezető szerepet játszanak az örökletes információk tárolásában és megvalósításában. A nukleinsavak olyan polimerek, amelyek monomerjei nukleotidok. A nukleinsavakat először F. Miescher fedezte fel 1869-ben gennyből származó leukociták magjában. A név a latin nucleus - mag szóból származik. Kétféle nukleinsav létezik: DNS és RNS

A nukleinsavak funkciói

A DNS genetikai információkat tárol. A DNS géneket tartalmaz. Az RNS-ek részt vesznek a fehérje bioszintézisében (azaz az örökletes információ megvalósításában)

A DNS szerepének feltárása az örökletes információ tárolásában. 1944-ben Oswald Avery, Macklin McCarty és Colin MacLeod bizonyítékot nyújtottak be arra vonatkozóan, hogy gének találhatók a DNS-ben. Pneumococcusokkal dolgoztak, amelyeknek két törzse van: patogén (S-törzs) és nem patogén (R-törzs). Az egerek S törzzsel való fertőzése halálukhoz vezet

Ha az R törzset bejuttatjuk, az egerek túlélik. DNS-t, fehérjéket és poliszacharidokat izoláltunk az elölt S-törzs baktériumokból, és hozzáadtuk az R-törzshez. A DNS hozzáadása egy nem patogén törzs kórokozóvá történő átalakulását okozza.

A DNS szerkezetének felfedezésének története.

A DNS szerkezetét 1953-ban fedezte fel J. Watson és F. Crick. Munkájuk során E. Chargaff biokémikus és R. Franklin, M. Wilkins biofizikusok adatait használták fel.

E. Chargaff munkája: 1950-ben Erwin Chargaff biokémikus megállapította, hogy a DNS-molekulában:

1) A=T és G=C

2) A purinbázisok (A és G) összege egyenlő a pirimidinbázisok (T és C) összegével: A+G=T+C

Vagy A+G/T+C=1

R. Franklin és M. Ulkins munkája: Az 50-es évek elején. R. Franklin és M. Wilkins biofizikusok röntgenfelvételeket készítettek a DNS-ről, amelyek azt mutatták, hogy a DNS kettős hélix alakú. 1962-ben F. Crick, J. Watson és Maurice Wilkins fiziológiai és orvosi Nobel-díjat kapott a DNS szerkezetének megfejtéséért

DNS szerkezet

A DNS egy polimer, amely monomerekből - nukleotidokból áll. A DNS-nukleotid szerkezete: A DNS-nukleotid három vegyület maradékából áll:

1) Dezoxiribóz monoszacharid

2) Foszfát - foszforsav maradék

3) A négy nitrogéntartalmú bázis egyike - adenin (A), timin (T), guanin (G) és citozin (C).

Nitrogénbázisok: A és G purinszármazékok (két gyűrű), T és C pirimidinszármazékok (egy gyűrű).

A kiegészíti a T-t

G komplementer C-vel

A és T között 2 hidrogénkötés, G és C között 3 hidrogénkötés jön létre

Egy nukleotidban a dezoxiribóz szénatomjai 1'-től 5'-ig vannak számozva.
Az 1'-szénhez nitrogéntartalmú bázist, az 5'-szénhez foszfátot adunk. A nukleotidok foszfodiészter kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Ennek eredményeként polinukleotid lánc képződik, melynek váza váltakozó foszfát- és cukor-dezoxiribózmolekulákból áll.

A nitrogéntartalmú bázisok a molekula oldalán helyezkednek el. A lánc egyik vége 5', a másik pedig 3' (a megfelelő szénatomok megjelölésével). Az 5' végén van egy szabad foszfát, ez a molekula kezdete. A 3' végén egy OH csoport található. Ez a molekula farka. Új nukleotidok adhatók a 3' véghez.

DNS szerkezete:

A Crick–Watson modell szerint a DNS két polinukleotid láncból áll, amelyek spirálba vannak tekercselve. Spirális jobb (B-alakú)

A DNS szálai antiparallel módon helyezkednek el. Az egyik polinukleotid lánc 5' vége egy másik polinukleotid lánc 3' végéhez kapcsolódik.

A DNS-molekulában kis és nagy barázdák láthatók.

Különféle szabályozó fehérjék kapcsolódnak hozzájuk.

Két láncban a nitrogéntartalmú bázisok a komplementaritás elve szerint vannak elrendezve, és hidrogénkötésekkel kapcsolódnak össze

A és T – két hidrogénkötés

G és C - három

A DNS méretei: a DNS-molekula vastagsága 2 nm, a hélix két menete közötti távolság 3,4 nm, egy teljes körben 10 nukleotidpár található. Egy nukleotidpár átlagos hossza 0,34 nm. A molekula hossza változó. Az Escherichia coli baktériumban a kör alakú DNS 1,2 mm hosszú. Emberben a 46 kromoszómából izolált 46 DNS teljes hossza körülbelül 190 cm, ezért 1 emberi DNS-molekula átlagos hossza meghaladja a 4 cm-t.

A DNS lineáris képe. Ha a DNS-szálakat vonalként ábrázoljuk, akkor általában a szálat a tetején 5'-3' irányban ábrázolják.

5’ ATTGTTCCGAGTA 3’

3' TAATSAGGCTTSAT 5"

A DNS lokalizációja eukarióta sejtekben:

1) A mag a kromoszómák része;

2) mitokondriumok;

3) Növényekben - plasztidok.

A DNS funkciója: örökletes (genetikai) információkat tárol. A DNS géneket tartalmaz. Egy emberi sejtnek kevesebb, mint 30 000 génje van.

A DNS tulajdonságai

Az önmegkettőzés (reduplikáció) képessége A reduplikáció a DNS szintézise.

A DNS-károsodás helyreállításának képessége.

Denaturáló és renaturáló képesség. Denaturáció - magas hőmérséklet és lúgok hatására a DNS-láncok közötti hidrogénkötések megszakadnak, és a DNS egyszálúvá válik. A renaturáció fordított folyamat. Ezt a tulajdonságot a DNS-diagnosztikában használják.

A reduplikáció a DNS szintézise.

A folyamat a sejtosztódás előtt megy végbe, az interfázis szintetikus periódusában.

A folyamat lényege: A helikáz enzim megbontja a hidrogénkötéseket két DNS-szál között, és letekercselik a DNS-t. Minden anyaláncon egy leánylánc szintetizálódik a komplementaritás elve szerint. A folyamatot a DNS-polimeráz enzim katalizálja.

A reduplikáció eredményeként két leány-DNS képződik, amelyek szerkezete megegyezik az anya-DNS-molekulával.

Nézzük meg részletesebben a többszörözési folyamatot

1) A reduplikáció félig konzervatív folyamat, mert a leánymolekula megkapja az egyik szálat az anyai DNS-től, és újra szintetizálja a másodikat

2) A DNS-t három foszfáttal - ATP, TTP, GTP, CTP - tartalmazó nukleotidokból szintetizálják. Amikor foszfodiészter kötés képződik, két foszfát válik el egymástól.

3) A DNS-szintézis bizonyos pontokon kezdődik - a replikáció kezdeti pontjain. Ezeken a területeken sok A-T pár található. Az iniciációs ponthoz speciális fehérjék kapcsolódnak.

A helikáz enzim elkezdi letekerni az anyai DNS-t. A DNS-szálak eltérnek egymástól.

A reduplikációt a DNS-polimeráz enzim katalizálja.
A kezdeti ponttól kezdve a DNS polimeráz enzim két ellentétes irányba mozog. Az elágazó szálak között szög alakul ki - egy replikációs villa.

3) Az anyai DNS-szálak antiparallelek. A leányszálak az anyaszálhoz képest párhuzamosan szintetizálódnak, így a leányszálak szintézise a replikációs villa régiójában két ellentétes irányban történik. Az egyik lánc szintézise az enzim mozgásának irányában történik. Ez a lánc gyorsan és folyamatosan szintetizálódik (vezető). A másodikat az ellenkező irányban kis fragmentumok szintetizálják - Okazaki fragmentumok (lemaradt lánc).

4) A DNS-polimeráz enzim önmagában nem tudja elindítani a leány DNS-szál szintézisét.

A vezető szál és bármely Okazaki-fragmens szintézise egy primer szintézisével kezdődik. A primer egy 10-15 nukleotid hosszúságú RNS-darab. A primer a primáz enzimet szintetizálja az RNS nukleotidokból. A DNS-polimeráz DNS-nukleotidokat kapcsol a primerhez.

Ezt követően a primereket kivágjuk, és a rést megtöltjük DNS-nukleotidokkal.

A fragmenseket enzimek - ligázok - térhálósítják

5) A reduplikációban részt vevő enzimek: helikáz, topoizomeráz, destabilizáló fehérjék, DNS polimeráz, ligáz.

6) A DNS-molekula hosszú. Nagyszámú replikációs origó képződik benne.
A DNS-t replikonoknak nevezett fragmentumokban szintetizálják. A replikon a két replikációs origó közötti régió. Egy emberi szomatikus sejtben több mint 50 000 replikon található 46 kromoszómán. 1 emberi szomatikus sejt DNS-szintézise több mint 10 óráig tart.

1. Mikor történik a replikáció?- Az interfázis szintetikus fázisában, jóval a sejtosztódás előtt. A replikáció és a mitózis profázis közötti időszakot az interfázis posztszintetikus fázisának nevezik, amely alatt a sejt tovább növekszik, és ellenőrzi, hogy a duplikáció megfelelően történt-e.

2. Ha 46 kromoszóma volt a duplázódás előtt, hány lesz a megkettőzés után?- A kromoszómák száma nem változik, ha a DNS-t megkétszerezzük. A megkettőződés előtt egy személynek 46 egy kromoszómája van (egy kettős DNS-szálból), a megkettőzés után pedig 46 kettős kromoszóma (két azonos kettős DNS-szálból áll, amelyek a centromérán kapcsolódnak egymáshoz).

3. Miért van szükség replikációra?- Hogy a mitózis során minden leánysejt megkaphassa a saját DNS-másolatát. A mitózis során a 46 kettős kromoszóma mindegyike két egyedi kromoszómára oszlik; két 46 egyedi kromoszómából álló sorozatot kapunk; ez a két halmaz két leánysejtté válik szét.

A DNS szerkezetének három alapelve

Félig konzervatív- minden leány-DNS tartalmaz egy láncot az anyai DNS-ből és egy újonnan szintetizáltat.

Komplementaritás- AT/CG. Az egyik DNS-szál adeninjével szemben mindig van egy másik DNS-szál timinje, és a citozinnal szemben mindig van guanin.

Antiparallelizmus- A DNS-szálak egymással ellentétes végén helyezkednek el. Ezeket a végeket nem tanulják az iskolában, így egy kicsit részletesebben (majd a vadonba).

A DNS monomerje egy nukleotid, a nukleotid központi része dezoxiribóz. 5 szénatomos (a legközelebbi képen a bal alsó dezoxiribóz számozott atomjai). Lássuk: az első szénatomhoz egy nitrogéntartalmú bázis kapcsolódik, az ötödikhez egy adott nukleotid foszforsava, a harmadik atom készen áll a következő nukleotid foszforsavának megkötésére. Így minden DNS-láncnak két vége van:

• 5" végén foszforsav található;
• A 3" vége ribózt tartalmaz.

Az antiparallel szabály az, hogy a DNS kettős szálának egyik végén (például a legközelebbi kép felső végén) az egyik szálnak 5"-os, a másiknak pedig 3"-os vége van. A replikációs folyamat szempontjából fontos, hogy a DNS-polimeráz csak a 3"-os végét tudja meghosszabbítani. A DNS-lánc csak a 3"-os végén tud növekedni.

Ezen a képen a DNS megkettőződése alulról felfelé megy végbe. Látható, hogy a bal oldali lánc ugyanabba az irányba növekszik, a jobb pedig az ellenkező irányba.

A következő képen felső új lánc("vezető szál") ugyanabban az irányban nyúlik meg, amelyben a duplikáció történik. Alul új lánc("lemaradó szál") nem nyúlhat ugyanabba az irányba, mert ott van egy 5"-os vége, ami, mint emlékszünk, nem nő. Ezért az alsó szál rövid (100-200 nukleotid) Okazaki segítségével nő. töredékek, amelyek mindegyike 3"-os irányban nő. Minden Okazaki-fragmens a primer 3"-os végéből nő ("RNS primerek", a primerek pirosak az ábrán).

Replikációs enzimek

A replikáció általános iránya- a DNS megkettőződésének iránya.
Szülői DNS- régi (anyai) DNS.
Zöld felhő a „Szülői DNS” mellett- helikáz enzim, amely megbontja a hidrogénkötéseket a régi (anya) DNS-lánc nitrogénbázisai között.
Szürke oválisok a DNS-szálakon, amelyeket éppen most választottak el egymástól- destabilizáló fehérjék, amelyek megakadályozzák a DNS-szálak összekapcsolódását.
DNS pol III- DNS polimeráz, amely új nukleotidokat ad a felső (vezető, folyamatosan szintetizált) DNS-szál 3"-os végéhez (Vezető szál).
Primase- primáz enzim, ami primert készít (piros Lego darab). Most balról jobbra számoljuk a primereket:

• az első alapozó még nincs kész, a primaza most készül;
• a második primerből a DNS-polimeráz DNS-t épít fel - a DNS-kettőződés irányával ellentétes irányban, de a 3"-os vég irányába;
• a harmadik primerből már felépült a DNS-lánc (Lemaradt szál), közel került a negyedik alapozóhoz;
• a negyedik primer a legrövidebb, mert a DNS polimeráz (DNS pol I) eltávolítja (alias RNS, semmi köze a DNS-hez, csak a jobb végére volt szükségünk belőle) és DNS-sel helyettesíti;
• Az ötödik alapozó már nincs a képen, teljesen ki lett vágva, rés maradt a helyén. DNS ligáz (DNS ligáz)összevarrja ezt a törést úgy, hogy az alsó (lemaradt) DNS-szál sértetlen legyen.

A szuper képen nincs feltüntetve a topoizomeráz enzim, de később a tesztek során megjelenik, szóval ejtsünk róla pár szót. Itt van egy kötél, amely három nagy szálból áll. Ha három elvtárs megragadja ezt a három szálat, és elkezdi három különböző irányba húzni, akkor a kötél hamarosan abbahagyja a kibomlást, és szoros hurkokká tekered. Ugyanez történhet a DNS-sel, amely egy kétszálú kötél, ha nem a topoizomeráz esetében.

A topoizomerosis elvágja a két DNS-szál közül az egyiket, majd (második kép, piros nyíl) a DNS az egyik szála körül forog, így nem képződnek szoros hurkok (csökken a topológiai stressz).

Terminál alulreplikáció

A replikációs enzimekkel készült szuperképből jól látszik, hogy a primer eltávolítása után megmaradt helyen a DNS polimeráz teszi teljessé a következő Okazaki fragmentumot. (Tényleg világos? Ha valami, akkor a szuperfestményen az Okazaki töredékeket körökben lévő számok jelzik.) Amikor a szuperfestmény replikációja eléri a logikai (bal oldali) végét, akkor az utolsó (bal szélső) Okazaki töredék nincs „következő”, így nem lesz senki, aki befejezze a DNS-t a primer eltávolítása után maradt üres helyen.

Íme egy másik rajz neked. A fekete DNS-szál régi, anyai eredetű. A DNS megkettőződése, a szupermintával ellentétben, balról jobbra haladva történik. Mivel a jobb oldali új (zöld) DNS-nek 5"-os vége van, lemarad, és egyedi fragmentumok (Okazaki) hosszabbítják meg. Minden Okazaki-fragmens a primerének 3"-os végétől (kék téglalap) nő. A primereket, mint emlékszünk, a DNS-polimeráz távolítja el, amely ezen a ponton fejezi be a következő Okazaki-fragmenst (ezt a folyamatot piros ellipszis jelzi). A kromoszóma végén nincs, aki kitöltse ezt a részt, mivel nincs következő Okazaki fragmentum, ott már van egy üres hely (Rés). Így minden replikáció után a leánykromoszómák mindkét 5"-os vége lerövidül (terminális alulreplikáció).

Az őssejteknek (a bőrben, a vörös csontvelőben, a herékben) sokkal több mint 60-szor kell osztódniuk. Ezért működik bennük a telomeráz enzim, amely minden replikáció után meghosszabbítja a telomereket. A telomeráz kiterjeszti a DNS túlnyúló 3"-os végét, így az Okazaki-fragmens méretére nő. Ezt követően a primáz egy primert szintetizál rajta, a DNS-polimeráz pedig a DNS alulreplikált 5"-os végét.

Tesztek

1. A replikáció olyan folyamat, amelyben:
A) transzfer RNS szintézis megy végbe;
B) DNS-szintézis (másolás) történik;
C) a riboszómák felismerik az antikodonokat;
D) peptidkötések jönnek létre.

2. Párosítsa a prokarióták replikációjában részt vevő enzimek funkcióit a nevükkel!

3. Eukarióta sejtekben történő replikáció során a primerek eltávolítása
A) csak DNSáz aktivitással rendelkező enzim végzi
B) Okazaki töredékeket képez
B) csak lemaradt szálakban fordul elő
D) csak a sejtmagban fordul elő

4. Ha kivonja az fX174 bakteriofág DNS-ét, azt találja, hogy az 25% A-t, 33% T-t, 24% G-t és 18% C-t tartalmaz. Mivel magyarázná ezeket az eredményeket?
A) A kísérlet eredményei hibásak; valahol hiba volt.
B) Feltételezhetjük, hogy A százalékos aránya megközelítőleg megegyezik T-ével, ami C-re és G-re is igaz. Ezért a Chargaff-szabály nem sérül, a DNS kétszálú és félig konzervatívan replikálódik.
B) Mivel A és T, és ennek megfelelően C és G százalékos aránya eltérő, a DNS egyszálú; azt egy speciális enzim replikálja, amely egy speciális replikációs mechanizmust követ, egyetlen szál templátként.
D) Mivel sem A nem egyenlő T-vel, és G sem egyenlő C-vel, a DNS-nek egyszálúnak kell lennie, replikációja a komplementer szál szintetizálásával és ennek a kétszálú formának a használatával történik templátként.

5. A diagram kétszálú DNS-replikációra vonatkozik. Mindegyik I., II., III. négyzethez válasszon egy enzimet, amely ezen a területen működik.

A) Telomeráz
B) DNS topoizomeráz
B) DNS polimeráz
D) DNS-helikáz
D) DNS-ligáz

6. Könnyű nitrogénizotópot (N-14) tartalmazó tápközegből származó baktériumtenyészetet egy osztódásnak megfelelő ideig nehéz izotópot (N-15) tartalmazó táptalajba vittünk át, majd visszahelyeztük egy könnyű nitrogéntartalmú táptalajba. izotóp. A baktériumok DNS-összetételének elemzése két replikációnak megfelelő periódus után a következőket mutatta:

7. Egy ritka genetikai betegséget immunhiány, szellemi és fizikai retardáció, valamint mikrokefália jellemez. Tegyük fel, hogy egy ilyen szindrómában szenvedő páciens DNS-kivonatában majdnem azonos mennyiségű hosszú és nagyon rövid DNS-szakaszt talált. Melyik enzim hiányzik/hibás ebben a betegben a legvalószínűbb?
A) DNS-ligáz
B) Topoizomeráz
B) DNS polimeráz
D) Helicase

8. A DNS-molekula egy kettős hélix, amely négy különböző típusú nitrogénbázist tartalmaz. A DNS replikációjára és kémiai szerkezetére vonatkozó alábbi állítások közül melyik igaz?
A) A két szál bázissorrendje megegyezik.
B) A DNS kettős szálában a purintartalom megegyezik a pirimidinek tartalmával.
C) Mindkét lánc 5’→3’ irányban szintetizálódik folyamatosan.
D) Az újonnan szintetizált nukleinsav első bázisának hozzáadását a DNS polimeráz katalizálja.
E) A DNS polimeráz hibajavító aktivitása 5’→3’ irányban történik.

9. A legtöbb DNS-polimeráz a következő aktivitással is rendelkezik:
A) ligáz;
B) endonukleáz;
B) 5"-exonukleáz;
D) 3"-exonukleáz.

10. A DNS-helikáz egy kulcsfontosságú DNS-replikációs enzim, amely a kétszálú DNS-t egyszálú DNS-sé tekeri. Az alábbiakban egy kísérletet ismertetünk ezen enzim tulajdonságainak meghatározására.

A kísérletre vonatkozó alábbi állítások közül melyik igaz?
A) A gél tetején megjelenő sáv csak ssDNS, 6,3 kb méretű.
B) A gél alján megjelenő sáv 300 bp-os jelölt DNS.
B) Ha a hibridizált DNS-t csak DNS-helikázzal kezeljük, és a reakció teljesen lezajlott, a sávok elrendezése úgy néz ki, mint a b 3. sávjában.
D) Ha a hibridizált DNS-t csak forralással kezeljük helikáz kezelés nélkül, a sávelrendezés a b 2. sávban látható módon jelenik meg.
E) Ha a hibridizált DNS-t csak forralt helikázzal kezeljük, a sávelrendezés úgy néz ki, mint az 1. sávban a b.

Kerületi Olimpia 2001
- Össz-oroszországi Olimpia 2001
- Nemzetközi Olimpia 2001
- Nemzetközi Olimpia 1991
- Nemzetközi Olimpia 2008
- Kerületi Olimpia 2008
- Nemzetközi Olimpia 2010
Ezen olimpiák teljes szövege megtalálható.

A DNS-molekula egy kromoszómán található szerkezet. Egy kromoszóma egy ilyen molekulát tartalmaz, amely két szálból áll. A DNS-reduplikáció az információ átadása a szálak önreprodukciója után egyik molekuláról a másikra. Mind a DNS-ben, mind az RNS-ben benne van. Ez a cikk a DNS-reduplikáció folyamatát tárgyalja.

Általános információk és a DNS szintézis típusai

Ismeretes, hogy a molekulában lévő szálak csavartak. Amikor azonban a DNS-reduplikáció folyamata megindul, despirálnak, majd eltávolodnak egymástól, és mindegyiken új másolatot szintetizálnak. A befejezés után két teljesen azonos molekula jelenik meg, amelyek mindegyike egy anya- és egy lányszálat tartalmaz. Ezt a szintézist félig konzervatívnak nevezik. A DNS-molekulák eltávolodnak, miközben egyetlen centromerben maradnak, és végül csak akkor válnak el, amikor az osztódási folyamat ezen a centromeren kezdődik.

A szintézis egy másik típusát reparatívnak nevezik. Az előzővel ellentétben nem kapcsolódik semmilyen sejtstádiumhoz, hanem akkor kezdődik, amikor a DNS-károsodás bekövetkezik. Ha túl kiterjedtek, a sejt végül elpusztul. Ha azonban a kár helyi jellegű, helyreállítható. A problémától függően egy vagy két DNS-szál helyreállítható. Ez, ahogyan más néven, nem tervezett szintézis nem tart sokáig, és nem igényel nagy energiaköltségeket.
De amikor a DNS-reduplikáció megtörténik, sok energiát és anyagot emészt fel, és időtartama órákig tart.
A többszörözés három szakaszra oszlik:

• megindítás, inicializálás;
• megnyúlás;
• megszüntetése.

Nézzük meg közelebbről ezt a DNS-replikációs szekvenciát.

Megindítás, inicializálás

Az emberi DNS több tízmillió nukleotidpárt tartalmaz (az állatoknak csak százkilenc). A DNS-reduplikáció a lánc számos pontján megindul a következő okok miatt. Körülbelül ugyanekkor az RNS-ben is megtörténik a transzkripció, de a DNS-szintézis során bizonyos helyeken leáll. Ezért egy ilyen folyamat előtt elegendő mennyiségű anyag halmozódik fel a sejt citoplazmájában, hogy támogassa a génexpressziót, és hogy a sejt élettevékenysége ne sérüljön meg. Emiatt a folyamatot a lehető leggyorsabban le kell folytatni. A műsorszórás ebben az időszakban történik, de az átírás nem történik meg. Tanulmányok kimutatták, hogy a DNS-reduplikáció egyszerre több ezer ponton megy végbe – kis területeken, meghatározott nukleotidszekvenciával. Speciális iniciációs fehérjék csatlakoznak hozzájuk, amelyekhez viszont más DNS-replikációs enzimek kapcsolódnak.

Azt a DNS-fragmenst, ahol a szintézis megtörténik, replikonnak nevezzük. Az origótól indul és akkor ér véget, amikor az enzim befejezi a replikációt. A Replicon autonóm, és a teljes folyamatot saját szoftverrel látja el.
Előfordulhat, hogy a folyamat nem kezdődik minden pontból egyszerre, hol korábban, hol később; egy vagy két ellentétes irányban áramolhat. Az események a következő sorrendben történnek, amikor létrejönnek:

• replikációs villa;
• RNS primer.

Replikációs villa

Ez a rész az a folyamat, amelynek során dezoxiribonukleinsav szálak szintetizálódnak a levált DNS-szálakon. A villák alkotják az úgynevezett reduplikációs szemet. A folyamatot számos művelet előzi meg:

• felszabadulás a hisztonokhoz való kötődésből a nukleoszómában - a DNS-replikációs enzimek, mint a metiláció, acetilezés és foszforiláció, kémiai reakciókat váltanak ki, amelyek eredményeként a fehérjék elveszítik pozitív töltésüket, ami elősegíti a felszabadulásukat;
• a despiralizáció letekercselődik, ami a szálak további felszabadításához szükséges;
• a DNS-szálak közötti hidrogénkötések megszakítása;
• eltérésük a molekula különböző irányaiban;
• SSB fehérjék segítségével történő rögzítés.

RNS primer

A szintézist egy DNS-polimeráz nevű enzim végzi. Magától azonban nem tudja elindítani, ezért ezt más enzimek - RNS-polimerázok - végzik, amelyeket RNS primereknek is neveznek. A dezoxiribonukleinsav szálakkal párhuzamosan szintetizálódnak. Így az iniciáció két DNS-szálon lévő két RNS primer szintézisével végződik, amelyek elszakadnak és különböző irányba mozognak.

Megnyúlás

Ez az időszak egy nukleotid hozzáadásával kezdődik az RNS mag 3"-os végéhez, amit a már említett DNS-polimeráz hajt végre. Az elsőhöz a második, harmadik nukleotidot, stb. Az anyaszálhoz új szál kapcsolódik. Úgy gondolják, hogy a szál szintézise 5" - 3" irányban megy végbe.
Ahol a replikációs villa felé fordul elő, ott a szintézis folyamatosan megy végbe, és egyben meghosszabbodik. Ezért egy ilyen szálat vezetőnek vagy vezetőnek neveznek. RNS primerek már nem képződnek rajta.

Az ellenkező anyaszálon azonban a DNS-nukleotidok továbbra is az RNS primerhez kapcsolódnak, és a dezoxiribonukleinsav szál a reduplikációs villával ellentétes irányban szintetizálódik. Ebben az esetben lemaradásnak vagy lemaradásnak nevezzük.

A lemaradó szálon a szintézis fragmentumokban megy végbe, ahol az egyik szakasz végén a szintézis egy másik közeli szakaszon kezdődik, ugyanazt az RNS primert használva. Így a lemaradó szálon két fragmentum található, amelyeket DNS és RNS köt össze. Okazaki töredékeknek nevezik őket.

Aztán minden megismétlődik. Ezután a hélix újabb fordulata letekerődik, a hidrogénkötések megszakadnak, a szálak eltávolodnak egymástól, a vezető szál megnyúlik, a lemaradón szintetizálódik az RNS primer következő fragmentuma, majd az Okazaki fragmentum szintetizálódik. Ezt követően a lemaradó szálon lévő RNS primerek elpusztulnak, és a DNS-fragmenseket egyesítik. Ez egyidejűleg történik ezen az áramkörön:

• új RNS primerek képződése;
• Okazaki-fragmensek szintézise;
• az RNS primerek megsemmisítése;
• visszakapcsolás egyetlen láncba.

Felmondás

A folyamat addig tart, amíg két replikációs villa találkozik, vagy az egyik el nem éri a molekula végét. A villák találkozása után a leány-DNS-szálakat egy enzim kapcsolja össze. Ha a villa a molekula végére mozdul, a DNS-reduplikáció speciális enzimek segítségével teljesedik ki.

Javítás

Ebben a folyamatban fontos szerepet játszik a reduplikáció szabályozása (vagy korrekciója). Mind a négy típusú nukleotid megérkezik a szintézis helyére, és próbapárosítással a DNS-polimeráz kiválasztja azokat, amelyekre szükség van.

A kívánt nukleotidnak képesnek kell lennie annyi hidrogénkötés kialakítására, mint egy hasonló nukleotidnak a DNS-templát szálon. Ezenkívül a cukor-foszfát gerincek között egy bizonyos állandó távolságnak kell lennie, amely megfelel a két bázis három gyűrűjének. Ha a nukleotid nem felel meg ezeknek a követelményeknek, a kapcsolat nem jön létre.
A kontrollt a láncba való beillesztés és a következő nukleotid beépítése előtt végezzük. Ezt követően a cukor-foszfát gerincében kötés jön létre.

Mutációs változékonyság

A DNS-replikációs mechanizmus a nagy pontosság ellenére mindig zavarokat okoz a szálakban, amelyeket általában „génmutációnak” neveznek. Ezer nukleotidpáronként egy hiba van, ezt nevezzük konvariáns reduplikációnak.

Különféle okok miatt történik. Például magas vagy túl alacsony nukleotidkoncentrációval, citozin dezaminációval, mutagének jelenlétével a szintézis területén és így tovább. Egyes esetekben a hibák javítási eljárásokkal kijavíthatók, más esetekben a javítás lehetetlenné válik.

Ha a sérülés inaktív helyen van, a hiba nem jár súlyos következményekkel a DNS-reduplikációs folyamat során. Egy adott gén nukleotidszekvenciája párosítási hibával jelenhet meg. Ekkor a helyzet más, és a negatív eredmény lehet ennek a sejtnek és az egész szervezetnek a halála. Azt is figyelembe kell venni, hogy ezek a mutációs variabilitáson alapulnak, ami plasztikusabbá teszi a génállományt.

Metilezés

A replikáció egy önmásoló mechanizmus és az örökítőanyag, a DNS-molekulák fő tulajdonsága.

A DNS különlegessége, hogy molekulái általában két, egymással komplementer szálból állnak, amelyek kettős hélixet alkotnak. A replikáció során a kiindulási DNS-molekula láncai szétválnak, és mindegyikre új komplementer lánc épül. Ennek eredményeként egy kettős hélixből kettő keletkezik, amelyek megegyeznek az eredetivel. Vagyis egy DNS-molekulából kettő keletkezik, amelyek azonosak a templáttal és egymással.

Így DNS-replikáció megy végbe félig konzervatív módon, amikor minden leánymolekula egy szülőláncot és egy újonnan szintetizált láncot tartalmaz.

Az eukariótákban a replikáció a sejtciklus interfázisának S fázisában megy végbe.

Az alábbiakban ismertetett mechanizmus és fő enzimek az élőlények túlnyomó többségére jellemzőek. Vannak azonban kivételek, főleg a baktériumok és vírusok körében.

Az eredeti DNS-molekula szálainak divergenciáját az enzim biztosítja helicase, vagy helicase, amely a kromoszómák bizonyos helyein megszakítja a hidrogénkötéseket a DNS nitrogénbázisai között. A helikázok az ATP energiáját használva mozognak a DNS mentén.

Annak elkerülése érdekében, hogy a láncok újra összekapcsolódjanak, távol kell tartani őket egymástól destabilizáló fehérjék. A fehérjék a lánc pentóz-foszfát oldalán sorakoznak fel. Ennek eredményeként replikációs zónák jönnek létre, ún replikációs villák.

A replikációs villák a DNS-ben egyetlen helyen sem keletkeznek, csak a helyen replikációs eredet, amely egy meghatározott nukleotidszekvenciából áll (kb. 300 darab). Az ilyen helyeket speciális fehérjék ismerik fel, ami után az ún replikációs szem, amelyben két DNS-szál eltér egymástól.

A kiindulási ponttól kezdve a replikáció a kromoszóma hossza mentén egy vagy két irányban haladhat. Ez utóbbi esetben a DNS-szálak oda-vissza eltérnek egymástól, és egy replikációs szemből két replikációs villa keletkezik.

Replikon- a DNS-replikáció egysége, a kiindulási ponttól a végpontig.

Mivel a DNS-láncok spirálisan csavarodnak egymáshoz képest, a helikázzal történő elválasztásuk további fordulatok megjelenését okozza a replikációs villa előtt. A feszültség oldása érdekében a DNS-molekulának minden 10 elágazó nukleotidpár után egyszer meg kell fordulnia a tengelye körül, ami pontosan annyi, hogy a hélix egy fordulata képződik. Ebben az esetben a DNS gyorsan forog, és energiát pazarol. De ez nem történik meg, mert a természet hatékonyabb módszert talált a replikáció során fellépő hélixfeszültség kezelésére.

Enzim topoizomeráz megszakítja az egyik DNS-szálat. A leválasztott szakaszt 360°-kal elforgatják a második ép lánc körül, és újra csatlakoztatják a láncához. Ez oldja a feszültséget, azaz megszünteti a szupertekercseket.

A régi molekula minden egyes DNS-szálát templátként használják egy új, önmagával komplementer lánc szintéziséhez. A nukleotidok hozzáadását a növekvő leánylánchoz az enzim biztosítja DNS polimeráz. Többféle polimeráz létezik.

A replikációs villánál a nukleoplazmában elhelyezkedő szabad nukleotidok a láncok felszabaduló hidrogénkötéseihez kapcsolódnak a komplementaritás elve szerint. A hozzáadott nukleotidok dezoxiribonukleozid-trifoszfátok (dNTP-k), különösen dATP, dGTP, dCTP, dTTP.

A hidrogénkötések kialakulása után a DNS-polimeráz enzim egy foszfoészter kötésen keresztül megköti a nukleotidot a szintetizálandó leányszál utolsó nukleotidjához. Ez elválasztja a pirofoszfátot, amely két foszforsavmaradékot tartalmaz, majd az egyes foszfátokra hasad. A hidrolízis eredményeként létrejövő pirofoszfát elimináció reakciója energetikailag kedvező, mivel a láncba kerülő első és a második foszfátmaradék közötti kötés energiagazdag. Ezt az energiát a polimeráz használja fel.

A polimeráz nemcsak meghosszabbítja a növekedési láncot, hanem képes a hibás nukleotidok leválasztására is, azaz korrekciós képességgel rendelkezik. Ha az utolsó nukleotid, amelyet hozzá kell adni az új lánchoz, nem komplementer a templáttal, akkor a polimeráz eltávolítja azt.

A DNS polimeráz csak egy nukleotidot tud hozzáadni a dezoxiribóz 3. szénatomján található -OH csoporthoz. Így a lánc csak a 3' végétől szintetizálódik. Vagyis egy új DNS-szál szintézise az 5'-től a 3'-végig terjedő irányban megy végbe. Mivel a kétszálú DNS-molekulában a láncok antiparallelek, a szintézis folyamata az anya- vagy templátszál mentén az ellenkező irányba - a 3'-tól az 5'-végig - megy végbe.

Mivel a DNS láncok antiparallelek, és új lánc szintézise csak 5´→3´ irányban lehetséges, ezért a replikációs villában a leányláncok különböző irányokban szintetizálódnak.

A 3'→5' templáton az új polinukleotid szekvencia összeállítása többnyire folyamatosan történik, mivel ez a lánc 5'→3' irányban szintetizálódik. Az antiparallel mátrixot 5'→3' irány jellemzi, ezért itt nem lehetséges a villa mozgási iránya mentén leánylánc szintézise. Itt 3'→5' lenne, de a DNS polimer nem tud kapcsolódni az 5' véghez.

Ezért a szintézis egy 5'→3' mátrixon kis szakaszokban történik - Okazaki töredékei (a felfedező tudósról nevezték el). Minden töredéket a villaképzés fordított irányában szintetizálnak, ami biztosítja az összeszerelési szabály betartását 5'-től 3'-ig.

A polimeráz másik „hátránya”, hogy maga nem tudja elindítani a leánylánc egy szakaszának szintézisét. Ennek az az oka, hogy ehhez a lánchoz már kapcsolt nukleotid -OH vége szükséges. Ezért szükséges mag, vagy alapozó. Ez egy rövid RNS-molekula, amelyet az enzim szintetizál RNS primázés a templátszálhoz párosított DNS. Minden Okazaki régió szintézise a saját RNS primerrel kezdődik. A folyamatosan szintetizálódó lánc általában egy primerrel rendelkezik.

A primerek eltávolítása és a rések DNS-polimerázzal való kitöltése után a leány DNS-szál egyes szakaszait egy enzim összefűzi. DNS ligáz.

A folyamatos összeszerelés gyorsabb, mint a töredezett összeszerelés. Ezért a DNS egyik leányszálát ún vezető, vagy vezető, a második - lemaradt, ill lemaradva.

A prokariótákban a replikáció gyorsabban megy végbe: körülbelül 1000 nukleotid másodpercenként. Míg az eukariótáknak csak körülbelül 100 nukleotidja van. A nukleotidok száma az egyes Okazaki-fragmensekben az eukariótákban körülbelül 200, a prokariótákban - legfeljebb 2000.

A prokariótákban a körkörös DNS-molekulák egy replikont alkotnak. Az eukariótákban minden kromoszóma sok replikont tartalmazhat. Ezért a szintézis több ponton kezdődik, egyidejűleg vagy sem.

Az enzimek és más replikációs fehérjék együttesen alkotnak komplexet, és a DNS mentén mozognak. Összesen körülbelül 20 különböző fehérje vesz részt a folyamatban, itt csak a főbbeket soroltuk fel.