Скачиваний:
98
Добавлен:
18.06.2017
Размер:
149.75 Кб
Скачать

ВОЕННО - МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра биологии им. академика Е. Н. Павловского

"УТВЕРЖДАЮ"

Заведующий кафедрой биологии

профессор

А.Ф.НИКИТИН

" "_________ 2013г.

Доктор медицинских наук профессор

Никитин А.Ф.

Л Е К Ц И Я № 5

по биологии на тему

«ПОТОК ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКЕ. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК»

для курсантов и слушателей I курса 2 факультета

по специальности «Медико-профилактическое дело»

Обсуждена на заседании кафедры

" "___________________ 2013 г.

Протокол n__________________

САНКТ - ПЕТЕРБУРГ

2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Достижения в развитии молекулярной биологии позволили не только вскрыть материальный субстрат наследственности, но и показать каким образом в клетках осуществляется регуляция активности генов. Эти достижения позволили настолько углубиться в понимание механизмов функционирования генетического аппарата клеток на молекулярном уровне, что стало возможным перейти на практике к направленному воздействию на живые объекты. Понимание закономерностей функционирования генетического аппарата позволило также расшифровать многие механизмы эволюции органического мира, ранее не поддававшихся осмыслению со строго научных позиций.

На лекции рассматриваются следующие вопросы:

1.Общая характеристика потока информации в клетке;

2.Репликация ДНК

3.Теломеры и теломеразы;

4. Молекулярная организация генов про-и эукариот

генома у про- и эукариот.

1. В процессе реализации генетической информации в клетке выделяют два информационных потока. Один из них связан с репликацией ДНК и последующей передачей ее от материнской клетки к дочерним клеткам, благодаря чему достигается наследование структурной и функциональной организации клеток в ряду поколений. Другой поток осуществляется на всем протяжении жизненного цикла клетки и заключается в экспрессии генов: переносе генетической информации от ДНК через мРНК к полипептидам и белкам. Такая последовательность реализации генетической информации получила название «центральной догмы биологии» Она характерна для всех живущих на Земле организмов, за исключением некоторых РНК–содержащих вирусов. Биохимическую сущность экспрессии генов составляют последовательно протекающие процессы транскрипции – синтеза мРНК на матрице ДНК гена, трансляции- синтеза белка на матрице мРНК и посттрансляционных преобразований белков. Благодаря матричной природе синтеза нуклеиновых кислот и белков обеспечивается высокая точность воспроизведения и реализации генетической информации.

2. Репликация - процесс удвоения молекул ДНК, в ходе которого из имеющихся в среде дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ) комплементарно материнским цепям синтезируются дочерние цепи ДНК.

Репликация ДНК во многом определяется особенностями хмической организации этой молекулы. ДНК представляет собой. природный высокомолекулярный полинуклеотид, мономерами которого служат нуклеотиды. Они состоят из остатков фосфорной кислоты, азотистого основания и дезоксирибозы (дезоксирибонуклеозиды). Остаток азотистого основания в нуклеотидах связан с первым атомом углерода пентозы, а остаток фосфорной кислоты - с пятым атомом углерода пентозы.

Азотистые основания нуклеотидов ДНК представлены производными пурина – аденином (А) и гуанином (Г) и пиримидина - тимином (Т), цитозином (Ц) .

Каждая молекула ДНК ядра состоит из двух полинуклеотидных цепей и называется двухцепочечной ДНК (дцДНК). Каждая из цепей дцДНК обозначается как одноцепочечная ДНК (оцДНК). Нуклеотиды одноцепочечной ДНК связаны между собой ковалентными фосфоэфирными связями, соединяющими 5`- атом углерода пентозы одного нуклеотида с 3`- атомом углерода пентозы соседнего нуклеотида. Таким образом, концы полинуклеотидных цепей ДНК неодинаковы. На одном конце полинуклеотидной цепи располагается мономер, содержащий остаток фосфорной кислоты, (его называют 5`- конец), а на другом конце- мономер, содержащий неэтерифицированную 3`- гидроксильную группу-( 3`-конец) Формирование двухцепочечной молекулы ДНК осуществляется посредством образования водородных связей между азотистыми основаниями разных одноцепочечных ДНК по правилу комплементарности: аденин двумя водородными связями соединяется только с тимином, а цитозин посредством трех водородных связей связывается только с гуанином. Таким образом одноцепочечные ДНК в молекуле двухцепочечной ДНК оказываются комплементарными и имеют встречное направление: 3`-конец одной цепи соответствует 5` концу другой, так, что концевые фосфатные группы находятся на противоположных концах цепей. Иными словами цепи в молекуле ДНК располагаются антипараллельно. Они закручены одна вокруг другой и вместе вокруг общей оси, образуя двойную спираль диаметром 2 нм. Пуриновые и пиримидиновые основания расположены внутри спирали, а остатки фосфата и дезоксирибозы – снаружи. Между цепями спирали, наподобие ступенек винтовой лестницы, на расстоянии 0,34 нм друг от друга попарно располагаются азотистые основания, соединенные между собой водородными связями. На полный виток спирали (360 градусов) приходится 10 пар нуклеотидов, то есть длина витка по оси (шаг спирали) равна 3,4 нм

В структурной организации молекулы ДНК выделяют первичую структуру- последовательность нуклеотидов в каждой из одноцепочечных полинуклеотидных цепей, вторичную структуру- две комплементарные одноцепочечные полинуклеотидные цепи , соединенные между собой водородными связями, третичную структуру- трехмерную спираль с присущими ей пространственными характеристиками

В результате репликации вновь образованная молекула ДНК содержит одну материнскую и одну дочернюю полинуклеотидные цепи. Такой механизм репликации называется полуконсервативным ..

Репликация осуществляется с помощью разнообразных ферментов и других регуляторных белков, которые образуют в функциональном отношении единое образование - репликативныкомплекс( табл.1).

Таблица .1.

Характеристика белков репликативного комплекса кишечной палочки

Фермент

Точка приложения

Функция

ДНК-геликаза

Разрывает водородные связи между азотистыми основаниями нуклеотидов цепей молекулы ДНК

Способствует расхождению цепей молекулы ДНК

ДНК-топоизомераза

Разрывает фосфодиэфирную связь между нуклеотидами одной из цепей молекулы ДНК.

Обеспечивает свободное вращение всей молекулы ДНК вокруг целой полинуклеотидной цепи. Тем самым уменьшает напряжение в молекуле ДНК, возникающее при расхождении ее цепей (т.е. снимает сверхспирализацию).

Дестабилизирующие белки (SSB)

SSB-белки – фактор, стабилизирующий вилку репликации

Блокируют образование водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов свободных цепей реплицирующейся молекулы ДНК

Обеспечивают устойчивость свободных цепей ДНК, исключая возможность их соединения.

РНК-праймаза

Участвует в образовании фосфоэфирных связей между нуклеотидами РНК, входящими в состав праймера.

Обеспечивает синтез РНК-затравки (праймера), необходимой для инициации синтеза ДНК. Праймер – короткий участок, образованный нуклеотидами РНК, который синтезируется в начале лидирующей цепи и в начале каждого фрагмента Оказаки.

ДНК-полимераза III*

Участвует в образовании фосфоэфирных связей между нуклеотидами ДНК. Присоединяет новые нуклеотиды к растущей цепи ДНК в направлении 5'→3', т.е. антипараллельно по отношению к материнской цепи ДНК. Нуждается в свободном 3'-конце.

Обеспечивает синтез дочерних цепей ДНК. На лидирующей цепи синтез происходит непрерывно, а на отстающей – фрагментами, которые называются фрагментами Оказаки. Обладает способностью к «корректорской правке» - экзонуклеазной активностью в направлении 3'→5'.

ДНК-полимераза I

Удаляет рибонуклеотиды праймеров и замещает их дезксирибонуклеотидами

Обеспечивает замещение рибонуклеотидов праймеров на дезксирибонуклеоты

в дочерних цепях ДНК.

ДНК-лигаза

Образует фосфоэфирные связи между нуклеотидами соседних фрагментов Оказаки

Сшивает фрагменты Оказаки на отстающей цепиДНК.

* - у эукариот насчитывается более 11 различных ДНК- полимераз

Репликация ДНК начинается в особых участках со специфической последовательностью нуклеотидов, которые называются сайтами инициации репликации или ориджинами (от англ. оrigin - начало). С нуклеотидами сайта инициации связываются инициаторные белки, под действием которых цепи ДНК раскручиваются и раздвигаются, образуя фигуру, называемую репликационным глазком. После чего осуществляется синтез дочерних цепей ДНК сразу в двух направлениях. Единицей репликации служит репликон –участок между двумя ориджинами .У эукариот к ходе репликации образуеится болдьшое количество репликонов, благродаря эукариотитческие молекулы ДНК, несмотря на их большитн размеры, реплицируются достаточно быстро. Кольцевые молекулы ДНК прокариотических клеток имеют один сайт начала репликации и представляют собой целиком отдельные репликоны.

Репликация ДНК у про- и эукариот характеризуется большим сходством.

Сначала к нуклетидам сайта начала репликации присоединяется фермент геликаза, действие которого париводит к разрыву водородных связей между азотистыми основаниями ДНК, в результате чего составляющие ее нити раскручиваются в противоположных направлениях и двойная спираль расплетается (рис. 4.6). Образующиеся одноцепочечные участки материнской цепи ДНК становятся доступными для использования их в качестве матрицы для синтеза дочерних цепей ДНК путем ферментативного присоединения свободных дезоксирибонуклеозидтрифосфатов. С образующимися под действием фермента геликазы одноцепочечными участками ДНК связываются дестабилизирующие белки, (SSB-белки от англ. single strang binding) препятствуя, таким образом, восстановлению водородных связей межу комплементарными основаниями обеих цепей. Области расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называются репликативными вилками. Каждая вилка включает два одноцепочечных участка и один двуцепочечный полинуклеотидный участок. В ходе репликации вилка перемещается вдоль материнской молекулы ДНК, расплетая все новые ее участки. При этом в вилке возникает торсионное напряжение, которое снимается ферментом топоизомеразой. Синтез дочерних цепей начинается с присоединения к материнской цепи под действием фермента ДНК- праймазы праймеров- короткой рибонуклеотидной последовательности, насчитывающей 8- 10 нуклеотидов. Праймеры играют роль затравки для ДНК- полимеразы, так как этот фермент способен добавлять новые нуклеозидтрифосфаты лишь к свободному 3`- концу уже имеющейся какой-либо «затравочной» полинуклеотидной последовательности, связанной с матричной одноцепочечной ДНК.

Дальнейшая сборка дочерних цепей на материнских цепях ДНК протекает по-разному .. Это связано со способностью ДНК-полимеразы присоединять нуклеотиды лишь к 3`-концу растущей дочерней цепи, а также с антипараллельеностью нитей ДНК. На матрице (-3`-5`-) синтез новой цепи происходит непрерывно, и она постепенно удлиняется на 3`- конце. Такая цепь называется лидирующей. Синтез второй цепи осуществляется прерывисто, короткими участками, также в направлении от 5`- к 3` - концу (по принципу шитья «назад иголкой»). Такие участки получили название фрагментов Оказаки. У прокариот они содержат от 1000 до 2000 нуклеотидов, у эукариот - 100 - 200 нуклеотидов. Синтез каждого такого фрагмента начинается с присоединегия праймера. Цепь ДНК, синтезируемая прерывно, называется запаздывающей. По ходу репликации запаздывающей цепи ДНК под действием фермента ДНК полимеразы I праймеры удаляются и замещаются дезоксирибонуклеотидами. После чего соседние фрагменты Оказаки, ковалентно соединяются между собой при помощи фермента ДНК-лигазы).

3. Молекулы ДНК у экариот, в отличие от прокариот, имеют не циркулярную, а линейную форму. Поэтому на завершающем этапе репликации у экариот не происходит замещения дезоксирибонуклеотидами удаленных рибонуклетидов праймеров со стороны 5`- концов вновь синтезированных дочерних цепочек ДНК. По этой причине после каждого цикла репликации молекулы эукариотических ДНК оказываются укороченными примерно на 50-65 пар нуклеотидов .

В процессе эволюции у экариот сформировались специальные механизмы, обеспечивающие защиту кодирующих полинуклеотидных последовательностей генов от возможных повреждений, связанные с теломерами и теломеразами.

Теломеры представляют собой многократно повторяющиеся последовательности нуклеотидов, расположенные на концах хромосомных ДНК. У млекопитающих отдельно взятая последовательность состоит из 6 нуклеотидов, расположенных в следующем порядке - TTAGGG. Количество указанных последовательностей в разных теломерах варьирует от 100 до 1000 и более. Существенная особенность теломер заключается в том, что их ДНК не несет генетической информации. Поэтому утрата части нуклеотидных последовательностей теломер с каждым циклом репликации, хотя и сопровождается укорочением молекулы ДНК, однако не влечет за собой повреждения ее кодирующих участков..

Теломераза – фермент, функционирующий как обратная транскриптаза, осуществляет синтез хромосомной ДНК на матрице РНК лишь в активно делящихся клетках. Белковый компонент этого фермента связан с теломеразной РНК длиной примерно 450 нуклеотидов. Ее «рабочий» участок содержит 9 нуклеотидов, которые комплементарны последовательностям теломерных повторов хромосомной ДНК. Три соседних нуклеотида этого участка, расположенные со стороны 3`- конца теломеразной РНК, служат для связывания с концевыми нуклеотидами теломер матричной цепи хромосомной ДНК. Остающиеся при этом несвязанными 6 других нуклеотидов «рабочего» участка теломеразной РНК используются в качестве матрицы для элонгации (удлинения) матричной цепи хромосомной ДНК.

В процессе удлинения материнской цепи ДНК теломераза транслоцируется (перемещается) по удлиняемой цепи ДНК в направлении 3`- конца ее на расстояние равное одному теломерному повтору, т.е. шести нуклетидам. Такая последовательность событий повторяется до тех пор, пока длина синтезируемой теломерной последовательности матричной цепи ДНК не окажется достаточной для полного восстановления укороченной в результате репликации дочерней цепи. Таким образом, теломераза функционирует как обратная транскриптаза, осуществляя синтез хромосомной ДНК на матрице РНК. После завершения удлинения материнской цепи вновь синтезированной молекулы ДНК вторая укороченная дочерняя цепь ее достраивается обычным способом (рис. 4.11). Сначала к 3`- концу материнской цепи под действием фермента ДНК- праймазы присоединяется праймер, затем ДНК-полимераза достраивает недостающий участок дочерней цепи и, в заключение, лигаза восстанавливает непрерывность ее сахарофосфатного остова. Считают, что количество возможных делений клетки зависит от длины теломер и работы теломеразы. Высокая активность этого фермента наблюдается у раковых клеток, характерным признаком которых служит способность к неограниченному количеству делений.

А-удлинение материнской цепи ДНК теломеразой; Б- «наращивание» укороченного участка дочерней цепи ДНК.1-материнская цепь синтезированной ДНК; 2- дочерняя лидирующая цепь синтезированной ДНК; 3- молекула РНК- полимеразы; 4-РНК- полимераза; 5- «наращенный» участок теломерной ДНК материнской цепи; 6-праймер; 7- «наращенный» теломерный участок вновь синтезированной лидирующей цепи ДНК

Соседние файлы в папке Тексты лекций по биологии медико-профилактическое дело