Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

9.2: Реплікація ДНК

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    506

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Коли клітина ділиться, важливо, щоб кожна дочірня клітина отримала ідентичну копію ДНК. Це досягається процесом реплікації ДНК. Реплікація ДНК відбувається під час фази синтезу, або фази S, клітинного циклу, до того, як клітина вступає в мітоз або мейоз.

    З'ясування структури подвійної спіралі дало підказку щодо того, як копіюється ДНК. Нагадаємо, що аденінові нуклеотиди пари з тиміновими нуклеотидами, а цитозин - з гуаніном. Це означає, що дві пасма доповнюють один одного. Наприклад, нитка ДНК з нуклеотидною послідовністю AGTCATGA матиме взаємодоповнюючу ланцюг з послідовністю TCAGTACT (Рис. \(\PageIndex{1}\)).

    На рисунку показана сходова структура ДНК, з додатковими підставами, що складають щаблі сходів.
    Малюнок \(\PageIndex{1}\): Дві нитки ДНК є взаємодоповнюючими, тобто послідовність основ в одній нитці може бути використана для створення правильної послідовності основ в іншій нитці.

    Через взаємодоповнюваність двох пасом наявність однієї пасма означає, що можна відтворити іншу пасмо. Ця модель для тиражування передбачає, що дві нитки подвійної спіралі відокремлюються під час реплікації, і кожна пасмо служить шаблоном, з якого копіюється нова доповнює пасмо (рис. \(\PageIndex{2}\)).

    На ілюстрації показана напівконсервативна модель синтезу ДНК. У напівконсервативної моделі кожна знову синтезована пасмо пари з батьківської пасмом.
    Малюнок \(\PageIndex{2}\): Показана напівконсервативна модель реплікації ДНК. Сірий колір вказує на вихідні нитки ДНК, а синій - на знову синтезовану ДНК.

    Під час реплікації ДНК кожна з двох ниток, що складають подвійну спіраль, служить шаблоном, з якого копіюються нові нитки. Нова пасмо буде доповнювати батьківську або «стару» пасмо. Кожна нова подвійна пасмо складається з однієї батьківської пасма і однієї нової дочірньої пасма. Це відоме як напівконсервативна реплікація. При утворенні двох копій ДНК вони мають ідентичну послідовність нуклеотидних підстав і діляться порівну на дві дочірні клітини.

    Реплікація ДНК у еукаріотів

    Оскільки еукаріотичні геноми дуже складні, реплікація ДНК - це дуже складний процес, який включає кілька ферментів та інших білків. Вона відбувається в три основні стадії: ініціювання, подовження і припинення.

    Нагадаємо, що еукаріотична ДНК зв'язується з білками, відомими як гістони, утворюючи структури, звані нуклеосомами. Під час ініціації ДНК стає доступною для білків і ферментів, що беруть участь в процесі реплікації. Як механізм реплікації знає, з чого на ДНК починається подвійна спіраль? Виявляється, існують специфічні нуклеотидні послідовності, які називаються витоками реплікації, при яких починається реплікація. Деякі білки зв'язуються з походженням реплікації, тоді як фермент, званий геліказою, розкручується і відкриває спіраль ДНК. У міру відкриття ДНК утворюються Y-подібні структури, які називаються реплікаційними вилками (рис. \(\PageIndex{3}\)). Два вилки реплікації утворюються при походженні реплікації, і вони розширюються в обох напрямках у міру реплікації. Існує множинне походження реплікації на еукаріотичної хромосомі, таке, що реплікація може відбуватися одночасно з декількох місць генома.

    Під час подовження фермент під назвою ДНК-полімераза додає нуклеотиди ДНК до 3-го кінця шаблону. Оскільки ДНК-полімераза може додавати нові нуклеотиди лише в кінці хребта, послідовність праймера, яка забезпечує цю вихідну точку, додається з додатковими нуклеотидами РНК. Цей праймер видаляється пізніше, а нуклеотиди замінюються нуклеотидами ДНК. Одна нитка, яка доповнює ланцюг батьківської ДНК, синтезується безперервно до вилки реплікації, тому полімераза може додавати нуклеотиди в цьому напрямку. Ця постійно синтезована пасмо відома як провідна пасмо. Оскільки ДНК-полімераза може синтезувати ДНК лише у напрямку від 5 до 3 ', інша нова нитка збирається разом у короткі шматки, які називаються фрагментами Окадзакі. Кожен фрагмент Окадзакі вимагає грунтовки, виготовленої з РНК, щоб розпочати синтез. Пасмо з фрагментами Окадзакі відома як відстає пасмо. У міру протікання синтезу фермент видаляє РНК-праймер, який потім замінюється нуклеотидами ДНК, а проміжки між фрагментами запечатуються ферментом під назвою ДНК-лігаза.

    Процес реплікації ДНК можна узагальнити наступним чином:

    1. ДНК розкручується при походженні реплікації.
    2. До доповнюють батьківським пасмам додаються нові основи. Одна нова пасмо робиться безперервно, в той час як інша пасмо робиться частинами.
    3. Видаляються праймери, замість праймерів ставляться нові нуклеотиди ДНК, а хребет ущільнюється ДНК-лігазою.

    АРТ КОНК

    Ілюстрація показує міхур реплікації. Геліказа розкручує спіраль. РНК-праймер починає синтез, а ДНК-полімераза розширює ланцюг ДНК від праймера РНК. Синтез ДНК відбувається тільки в 5' до 3' напрямку. На провідній нитці безперервно відбувається синтез ДНК. На відстаючому ланцюзі синтез ДНК багато разів перезапускається, коли спіраль розкручується, в результаті чого утворюється багато коротких фрагментів, які називаються фрагментами Окадзакі.
    Малюнок \(\PageIndex{3}\): Вилка реплікації утворюється отвором походження реплікації, а геліказа відокремлює нитки ДНК. Синтезується РНК-праймер і подовжується ДНК-полімеразою. На провідній нитці ДНК синтезується безперервно, тоді як на відстаючої нитки синтезується ДНК короткими відрізками. Фрагменти ДНК з'єднуються ДНК-лігазою (не показані).

    Ви виділяєте штам клітин, при якому з'єднання фрагментів Окадзакі порушено, і підозрюєте, що мутація сталася в ферменті, знайденому на вилці реплікації. Який фермент, швидше за все, буде мутований?

    Реплікація теломерів

    Оскільки еукаріотичні хромосоми лінійні, реплікація ДНК добігає кінця лінії в еукаріотичних хромосомах. Як ви дізналися, фермент ДНК-полімераза може додавати нуклеотиди тільки в одному напрямку. У провідній нитці синтез триває до тих пір, поки не буде досягнутий кінець хромосоми; однак на відстаючої нитки немає місця для праймера для копіювання фрагмента ДНК в кінці хромосоми. Це створює проблему для клітини, оскільки кінці залишаються непарними, і з часом ці кінці стають поступово коротшими, оскільки клітини продовжують ділитися. Кінці лінійних хромосом відомі як теломери, які мають повторювані послідовності, які не кодують певний ген. Як наслідок, саме теломери скорочуються з кожним раундом реплікації ДНК замість генів. Наприклад, у людини послідовність шести базових пар, TTAGGG, повторюється від 100 до 1000 разів. Відкриття ферменту теломерази (рис. \(\PageIndex{4}\)) Допомогло в розумінні того, як підтримуються хромосомні кінці. Теломераза прикріплюється до кінця хромосоми, а взаємодоповнюючі основи до шаблону РНК додаються на кінці нитки ДНК. Після того, як шаблон відстаючого ланцюга досить витягнутий, ДНК-полімераза тепер може додавати нуклеотиди, які доповнюють кінці хромосом. Таким чином, кінці хромосом реплікуються.

    Теломераза має асоційовану РНК, яка доповнює 5-дюймовий звис в кінці хромосоми. Шаблон РНК використовується для синтезу комплементарної нитки. Потім теломераза зсувається, і процес повторюється. Далі примаза і ДНК-полімераза синтезують іншу частину додаткової нитки.
    Малюнок \(\PageIndex{4}\): Кінці лінійних хромосом підтримуються дією ферменту теломерази.

    Як правило, теломераза активна в статевих клітинам, стовбурових клітинам дорослих та деяких ракових клітинам. За своє відкриття теломерази і її дію Елізабет Блекберн (малюнок \(\PageIndex{5}\)) отримала Нобелівську премію з медицини і фізіології в 2009 році.

    фотографія показує Елізабет Блекберн.
    Ілюстрація \(\PageIndex{5}\): Елізабет Блекберн, лауреат Нобелівської премії 2009 року, була вченим, який відкрив, як працює теломераза. (кредит: Посольство США, Стокгольм, Швеція)

    Теломераза не активна в соматичних клітинам дорослих. Дорослі соматичні клітини, які зазнають поділу клітин, продовжують коротшати теломери. Це по суті означає, що скорочення теломерів пов'язане зі старінням. У 2010 році вчені виявили, що теломераза може змінити деякі вікові умови у мишей, і це може мати потенціал у регенеративній медицині. 1У цих дослідженнях були використані миші з дефіцитом теломерази; ці миші мають атрофію тканин, виснаження стовбурових клітин, недостатність системи органів та порушення реакції на пошкодження тканин. Реактивація теломерази у цих мишей спричинила розширення теломерів, зменшило пошкодження ДНК, зворотну нейродегенерацію та покращило функціонування яєчок, селезінки та кишечника. Таким чином, реактивація теломерів може мати потенціал для лікування вікових захворювань у людини.

    Реплікація ДНК у прокаріотів

    Нагадаємо, що прокаріотична хромосома являє собою кругову молекулу з менш великою звивистій структурою, ніж еукаріотичні хромосоми. Еукаріотична хромосома лінійна і сильно згорнута навколо білків. Хоча в процесі реплікації ДНК існує багато подібностей, ці структурні відмінності вимагають деяких відмінностей у процесі реплікації ДНК у цих двох формах життя.

    Реплікація ДНК була надзвичайно добре вивчена у прокаріотів, перш за все через малі розміри генома та великої кількості доступних варіантів. Escherichia coli має 4,6 мільйона пар основ в одній круговій хромосомі, і вся вона тиражується приблизно за 42 хвилини, починаючи з одного походження реплікації і протікаючи навколо хромосоми в обох напрямках. Це означає, що в секунду додається приблизно 1000 нуклеотидів. Процес протікає набагато швидше, ніж у еукаріотів. У таблиці \(\PageIndex{1}\) узагальнено відмінності між прокаріотичними та еукаріотичними реплікаціями.

    Таблиця \(\PageIndex{1}\): Відмінності між прокаріотичними та еукаріотичними реплікаціями
    Майно Прокаріоти Еукаріоти
    походження реплікації Одномісний Множинний
    Швидкість тиражування 1000 нуклеотидів/с Від 50 до 100 нуклеотидів/с
    будова хромосоми циркулярної лінійний
    Теломераза Не присутній Присутній

    ПОНЯТТЯ В ДІЇ

    Натисніть на підручник з реплікації ДНК.

    Ремонт ДНК

    ДНК-полімераза може помилятися при додаванні нуклеотидів. Він редагує ДНК, коректуючи кожну нову додану базу. Неправильні підстави видаляються і замінюються правильним підставою, а потім триває полімеризація (рис. \(\PageIndex{6}\)А). Більшість помилок виправляються під час тиражування, хоча коли цього не відбувається, застосовується механізм ремонту невідповідності. Невідповідність репараційних ферментів розпізнають неправильно закладену основу і виводять її з ДНК, заміщаючи її правильним підставою \(\PageIndex{6}\)(рис. У ще одному типі ремонту, відновлення висічення нуклеотидів, подвійна нитка ДНК розмотується і відокремлюється, неправильні підстави видаляються разом з декількома підставами на кінці 5 'і 3', і вони замінюються копіюванням шаблону за допомогою ДНК-полімерази ( \(\PageIndex{6}\)рис. Відновлення висічення нуклеотидів особливо важливо при корекції тимінових димерів, які в першу чергу викликані ультрафіолетовим світлом. У тиміновому димері два тимінових нуклеотиди, прилеглі один до одного на одній нитці, ковалентно пов'язані один з одним, а не їх взаємодоповнюючими основами. Якщо димер не видалити і відремонтувати це призведе до мутації. Особи з вадами генів відновлення нуклеотидів ексцизії виявляють надзвичайну чутливість до сонячного світла і розвивають рак шкіри на початку життя.

    Частина a показує ДНК-полімеразу, що реплікує нитку ДНК. Фермент випадково вставив G навпроти А, в результаті чого утворюється опуклість. Фермент створює резервну копію, щоб виправити помилку. У частині b верхня ілюстрація показує репліковану ланцюжок ДНК з невідповідністю основи G — T. Нижня ілюстрація показує відремонтовану ДНК, яка має правильне сполучення основи G — C. Частина c показує ланцюг ДНК, в якій утворився тиміновий димер. Ензим, що відновлює висічення, вирізає ділянку ДНК, що містить димер, щоб його можна було замінити нормальною базовою парою.
    Ілюстрація \(\PageIndex{6}\): Коректура методом ДНК-полімерази (а) виправляє помилки під час реплікації. При невідповідності ремонту (b) неправильно додана база виявляється після реплікації. Білки відновлення невідповідності виявляють цю основу і видаляють її з новосинтезованої нитки за допомогою нуклеази. Зазор тепер заповнюється правильно спареним підставою. Висічення нуклеотидів (c) відновлює тимінові димери. При впливі ультрафіолету тиміни, що лежать поруч один з одним, можуть утворювати тимінові димери. У нормальних клітинам вони січуть і замінюються.

    Більшість помилок виправляються; якщо їх немає, вони можуть призвести до мутації, визначеної як постійна зміна послідовності ДНК. Мутації в генах відновлення можуть призвести до серйозних наслідків, таких як рак.

    Резюме

    ДНК реплікується напівконсервативним методом, при якому кожна з двох батьківських ниток ДНК виступає в якості шаблону для синтезу нової ДНК. Після реплікації кожна ДНК має одну батьківську або «стару» пасмо, і одну дочку або «нову» пасмо.

    Реплікація у еукаріотів починається з множинного походження реплікації, тоді як реплікація у прокаріотів починається з одного походження реплікації. ДНК розкривається ферментами, в результаті чого утворюється вилка реплікації. Примаза синтезує РНК-праймер, щоб ініціювати синтез ДНК-полімеразою, яка може додавати нуклеотиди тільки в одному напрямку. Одна пасмо синтезується безперервно в напрямку вилки реплікації; це називається провідною пасмом. Інша нитка синтезується в напрямку від вилки реплікації, на коротких ділянках ДНК, відомих як фрагменти Окадзакі. Ця пасмо відома як відстаюча пасмо. Після завершення реплікації праймери РНК замінюються нуклеотидами ДНК, а ДНК герметизується ДНК-лігазою.

    Кінці еукаріотичних хромосом становлять проблему, оскільки полімераза не здатна подовжити їх без праймера. Теломераза, фермент із вбудованим шаблоном РНК, розширює кінці шляхом копіювання шаблону РНК та розширення одного кінця хромосоми. Потім ДНК-полімераза може розширити ДНК за допомогою праймера. Таким способом захищаються кінці хромосом. Клітини мають механізми відновлення ДНК, коли вона пошкоджується або робляться помилки при реплікації. Ці механізми включають відновлення невідповідності для заміни нуклеотидів, які поєднуються з некомплементарною основою, та відновлення висічення нуклеотидів, що видаляє пошкоджені основи, такі як тимінові димери.

    Мистецькі зв'язки

    Малюнок \(\PageIndex{3}\): Ви виділяєте штам клітин, при якому з'єднання фрагментів Окадзакі порушено, і підозрюєте, що мутація сталася в ферменті, знайденому на вилці реплікації. Який фермент, швидше за все, буде мутований?

    Відповідь

    Лігаза, так як цей фермент з'єднується воєдино фрагментами Окадзакі.

    Виноски

    1. 1 Маріелла Яскеліофф та ін., «Реактивація теломерази змінює дегенерацію тканин у старих мишей з дефіцитом теломерази», Природа , 469 (2011): 102—7.

    Глосарій

    ДНК-лігаза
    фермент, який каталізує з'єднання фрагментів ДНК разом
    ДНК-полімераза
    фермент, який синтезує новий ланцюжок ДНК доповнює шаблон ланцюга
    геліказа
    фермент, який допомагає відкрити спіраль ДНК під час реплікації ДНК, порушуючи водневі зв'язки
    відстає пасмо
    під час реплікації нитки від 3 до 5 ', пасмо, яка тиражується короткими фрагментами і подалі від вилки реплікації
    провідна пасмо
    нитка, яка синтезується безперервно в 5' до 3' напрямку, який синтезується в напрямку реплікації вилка
    невідповідність ремонту
    форма репарації ДНК, в якій некомплементарні нуклеотиди розпізнаються, січуть і замінюються правильними нуклеотидами
    мутації
    постійна варіація нуклеотидної послідовності генома
    відновлення висічення нуклеотидів
    форма відновлення ДНК, при якій молекула ДНК розмотується і відокремлюється в області пошкодження нуклеотидів, пошкоджені нуклеотиди видаляються і замінюються новими нуклеотидами за допомогою додаткової нитки, а ланцюг ДНК повторно запечатана і дозволяється знову приєднатися до її комплементу
    осколки Окадзакі
    фрагменти ДНК, які синтезуються короткими, розтягуються на відстаючому ланцюзі
    грунтовка
    короткий розтяг нуклеотидів РНК, який необхідний для ініціювання реплікації і дозволяє ДНК-полімеразі зв'язуватися і почати реплікацію
    вилка реплікації
    Y-подібна структура, що утворилася під час ініціювання реплікації
    напівконсервативна реплікація
    метод, що використовується для реплікації ДНК, в якому дволанцюжкова молекула відокремлена, і кожна нитка діє як шаблон для нової нитки, що синтезується, тому отримані молекули ДНК складаються з однієї нової нитки нуклеотидів і однієї старої нитки нуклеотидів
    теломераза
    фермент, який містить каталітичні частини і вбудований шаблон РНК; він функціонує для підтримки теломерів на кінцях хромосоми
    теломер
    ДНК в кінці лінійних хромосом

    Дописувачі та атрибуції