Πώς γίνεται η αντιγραφή του DNA; Διαδικασίες αντιγραφής και μεταγραφής Η μήτρα στη διαδικασία αντιγραφής είναι

Τα νουκλεϊκά οξέα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη διασφάλιση της ζωτικής δραστηριότητας των κυττάρων των ζωντανών οργανισμών. Σημαντικός εκπρόσωπος αυτής της ομάδας οργανικών ενώσεων είναι το DNA, το οποίο φέρει όλες τις γενετικές πληροφορίες και είναι υπεύθυνο για την εκδήλωση των απαραίτητων χαρακτηριστικών.

Τι είναι η αναπαραγωγή;

Καθώς τα κύτταρα διαιρούνται, πρέπει να αυξήσουν την ποσότητα των νουκλεϊκών οξέων στον πυρήνα για να αποτρέψουν την απώλεια γενετικών πληροφοριών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Στη βιολογία, η αντιγραφή είναι ο διπλασιασμός του DNA με τη σύνθεση νέων κλώνων.

Ο κύριος σκοπός αυτής της διαδικασίας είναι η μεταφορά γενετικών πληροφοριών στα θυγατρικά κύτταρα αμετάβλητα χωρίς μεταλλάξεις.

Ένζυμα αντιγραφής και πρωτεΐνες

Ο διπλασιασμός ενός μορίου DNA μπορεί να συγκριθεί με οποιαδήποτε μεταβολική διαδικασία σε ένα κύτταρο που απαιτεί τις αντίστοιχες πρωτεΐνες. Δεδομένου ότι η αντιγραφή στη βιολογία είναι ένα σημαντικό συστατικό της κυτταρικής διαίρεσης, κατά συνέπεια, πολλά βοηθητικά πεπτίδια εμπλέκονται εδώ.

• Η DNA πολυμεράση είναι το σημαντικότερο ένζυμο επαναδιπλασιασμού, το οποίο είναι υπεύθυνο για τη σύνθεση της θυγατρικής αλυσίδας.Στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου, κατά τη διαδικασία αντιγραφής, απαιτείται η παρουσία τριφωσφορικών νουκλεϊνών, τα οποία φέρουν όλες τις νουκλεϊκές βάσεις.

Αυτές οι βάσεις είναι μονομερή νουκλεϊκού οξέος, επομένως ολόκληρη η αλυσίδα του μορίου είναι κατασκευασμένη από αυτά. Η DNA πολυμεράση είναι υπεύθυνη για τη διαδικασία συναρμολόγησης με τη σωστή σειρά, διαφορετικά η εμφάνιση όλων των ειδών μεταλλάξεων είναι αναπόφευκτη.

• Η Primase είναι μια πρωτεΐνη που είναι υπεύθυνη για το σχηματισμό ενός εκκινητή στον κλώνο DNA του εκμαγείου. Αυτός ο εκκινητής ονομάζεται επίσης εκκινητής· έχει για το ένζυμο πολυμεράση DNA την παρουσία αρχικών μονομερών, από τα οποία είναι δυνατή η περαιτέρω σύνθεση ολόκληρης της πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας. Αυτή η λειτουργία εκτελείται από τον εκκινητή και το αντίστοιχο ένζυμο του.
• Η ελικάση (ελικάση) σχηματίζει μια διχάλα αντιγραφής, η οποία είναι η απόκλιση των κλώνων του προτύπου με το σπάσιμο των δεσμών υδρογόνου. Αυτό διευκολύνει τις πολυμεράσες να πλησιάσουν το μόριο και να ξεκινήσουν τη σύνθεση.
• Τοποϊσομεράση. Εάν φανταστείτε ένα μόριο DNA ως ένα στριμμένο σχοινί, καθώς η πολυμεράση κινείται κατά μήκος της αλυσίδας, θα σχηματιστεί μια θετική τάση λόγω της ισχυρής συστροφής. Αυτό το πρόβλημα λύνεται από την τοποϊσομεράση, ένα ένζυμο που σπάει για λίγο την αλυσίδα και ξεδιπλώνει ολόκληρο το μόριο. Μετά από αυτό η κατεστραμμένη περιοχή συρράπτεται και πάλι και το DNA δεν υφίσταται ένταση.
• Οι πρωτεΐνες Ssb, όπως οι συστάδες, προσκολλώνται σε κλώνους DNA στη διχάλα αντιγραφής για να αποτρέψουν τον επανασχηματισμό δεσμών υδρογόνου πριν από το τέλος της διαδικασίας αναδιπλασιασμού.
• Λιγκάζα. αποτελείται από τη συρραφή θραυσμάτων Okazaki στον υστερούντα κλώνο ενός μορίου DNA. Αυτό συμβαίνει με την αποκοπή των εκκινητών και την εισαγωγή φυσικών μονομερών δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος στη θέση τους.

Στη βιολογία, η αντιγραφή είναι μια πολύπλοκη διαδικασία πολλαπλών σταδίων που είναι εξαιρετικά σημαντική κατά την κυτταρική διαίρεση. Επομένως, η χρήση διαφόρων πρωτεϊνών και ενζύμων είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική και σωστή σύνθεση.

Μηχανισμός αναδιπλασιασμού

Υπάρχουν 3 θεωρίες που εξηγούν τη διαδικασία του διπλασιασμού του DNA:

1. Η Conservative δηλώνει ότι το ένα θυγατρικό μόριο νουκλεϊκού οξέος είναι μήτρας και το δεύτερο συντίθεται πλήρως από την αρχή.
2. Η ημισυντηρητική προτάθηκε από τους Watson και Crick και επιβεβαιώθηκε το 1957 σε πειράματα στο E. Coli. Αυτή η θεωρία δηλώνει ότι και τα δύο θυγατρικά μόρια DNA έχουν έναν παλιό κλώνο και έναν νεοσυντιθέμενο.
3. Ο μηχανισμός διασποράς βασίζεται στη θεωρία ότι τα θυγατρικά μόρια έχουν εναλλασσόμενες περιοχές σε όλο το μήκος τους, αποτελούμενες τόσο από παλιά όσο και από νέα μονομερή.

Τώρα ένα ημι-συντηρητικό μοντέλο έχει αποδειχθεί επιστημονικά. Τι είναι η αντιγραφή σε μοριακό επίπεδο; Πρώτον, η ελικάση σπάει τους δεσμούς υδρογόνου του μορίου του DNA, ανοίγοντας έτσι και τους δύο κλώνους στο ένζυμο πολυμεράσης. Οι τελευταίοι, μετά τον σχηματισμό των σπόρων, ξεκινούν τη σύνθεση νέων αλυσίδων με κατεύθυνση 5’-3’.

Η αντιπαράλληλη ιδιότητα του DNA είναι ο κύριος λόγος για τον σχηματισμό οδηγών και υστερούντων κλώνων. Στον προπορευόμενο κλώνο, η DNA πολυμεράση κινείται συνεχώς και στον υστερούντα κλώνο σχηματίζει θραύσματα Okazaki, τα οποία στο μέλλον θα συνδεθούν χρησιμοποιώντας λιγάση.

Χαρακτηριστικά αναπαραγωγής

Πόσα μόρια DNA υπάρχουν στον πυρήνα μετά την αντιγραφή; Η ίδια η διαδικασία περιλαμβάνει τον διπλασιασμό της γενετικής σύνθεσης του κυττάρου, έτσι κατά τη διάρκεια της συνθετικής περιόδου της μίτωσης, το διπλοειδές σύνολο έχει διπλάσια μόρια DNA. Αυτή η καταχώρηση συνήθως επισημαίνεται 2n 4c.

Εκτός από τη βιολογική έννοια της αντιγραφής, οι επιστήμονες έχουν βρει εφαρμογή της διαδικασίας σε διάφορους τομείς της ιατρικής και της επιστήμης. Εάν στη βιολογία η αντιγραφή είναι ο διπλασιασμός του DNA, τότε σε εργαστηριακές συνθήκες η αναπαραγωγή μορίων νουκλεϊκού οξέος χρησιμοποιείται για τη δημιουργία πολλών χιλιάδων αντιγράφων.

Αυτή η μέθοδος ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR). Ο μηχανισμός αυτής της διαδικασίας είναι παρόμοιος με τον αναδιπλασιασμό in vivo· επομένως, χρησιμοποιούνται παρόμοια ένζυμα και ρυθμιστικά συστήματα για την εμφάνισή του.

συμπεράσματα

Η αντιγραφή έχει σημαντική βιολογική σημασία για τους ζωντανούς οργανισμούς. Η μετάδοση κατά τη διαίρεση των κυττάρων δεν είναι πλήρης χωρίς διπλασιασμό των μορίων DNA, επομένως η συντονισμένη εργασία των ενζύμων είναι σημαντική σε όλα τα στάδια.

1. Την έναρξη.

Η αντιγραφή ξεκινά σε αυστηρά καθορισμένες ενότητες DNA - σημεία προέλευσης αντιγραφής - ori (από την αγγλική προέλευση - αρχή). Εδώ υπάρχουν συγκεκριμένες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων - κουτιά DNA, που αναγνωρίζονται από την πρωτεΐνη εκκίνησης, στην οποία στη συνέχεια συνδέονται άλλα ένζυμα αντιγραφής. Εφόσον η σύνθεση DNA λαμβάνει χώρα μόνο σε ένα μονόκλωνο εκμαγείο, πρέπει να προηγηθεί ο υποχρεωτικός διαχωρισμός δύο κλώνων DNA, δηλ. προετοιμασία της μήτρας, η οποία περιλαμβάνει τις ακόλουθες διαδικασίες:

· Οι ελικάσες DNA ξετυλίγουν τη διπλή έλικα του DNA χρησιμοποιώντας την ενέργεια του ATP. Η θέση όπου οι κλώνοι αρχίζουν να αποκλίνουν ονομάζεται διχάλα αντιγραφής λόγω του χαρακτηριστικού σχήματος Υ.

· Οι τοποϊσομεράσες του DNA ανακουφίζουν την τοπολογική τάση (υπερέλιξη) κατά το ξετύλιγμα του DNA. Για να γίνει αυτό, το ένζυμο πρώτα σπάει τον κλώνο του DNA και μετά προσκολλάται ομοιοπολικά στο σπασμένο άκρο. Αυτός ο δεσμός έχει σημαντική ενέργεια, επομένως η αντίδραση είναι αναστρέψιμη και δεν απαιτεί επιπλέον ενεργειακή δαπάνη. Έχουν ανακαλυφθεί δύο τύποι τοποϊσομερασών: η τοποϊσομεράση I (εισάγει σπασίματα μονής έλικος) και η τοποϊσομεράση II (εισάγει θραύσματα διπλής αλυσίδας στο DNA).

· Οι πρωτεΐνες SSB (μονόκλωνες πρωτεΐνες που δεσμεύουν το DNA) συνδέονται σε μονόκλωνες περιοχές και σταθεροποιούν το άπλετο διπλό, αποτρέποντας το σχηματισμό φουρκέτες.

Το πρότυπο DNA είναι έτοιμο. Τώρα είναι απαραίτητο να προστεθεί μια συμπληρωματική αλυσίδα σε καθεμία από τις αλυσίδες του γονικού μορίου DNA από τους τριφωσφορικούς δεοξυριβονουκλεοζίτες (dNTPs) που υπάρχουν στο κύτταρο. Τα ένζυμα που καταλύουν την αντίδραση προσθήκης δεοξυριβονουκλεοτιδίων που προσδιορίζεται από τη μήτρα του DNA ονομάζονται πολυμεράσες DNA (DNCP).

Η πρώτη DNA πολυμεράση ανακαλύφθηκε το 1957 από τον A. Kornberg και το 1959 τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη του μηχανισμού της βιοσύνθεσης DNA.

Τα πιο καλά μελετημένα DNAPs σε προκαρυώτες είναι:

· DNAP I. Λειτουργίες:

5'-3' - εξωνουκλεάση (μπορεί να αφαιρέσει το 5'-τελικό νουκλεοτίδιο)

· DNAP II. Ο ρόλος δεν είναι απολύτως σαφής. Δεν συμμετέχει στην αναπαραγωγή.

· DNAP III. Το κύριο ένζυμο αντιγραφής. Λειτουργίες:

Πολυμεράση (συνδέει νουκλεοτίδια με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς),

3'-5' - εξωνουκλεάση (μπορεί να αφαιρέσει το 3'-τελικό νουκλεοτίδιο)

Τα DNAP έχουν δύο χαρακτηριστικά:

Πρώτον, οι πολυμεράσες DNA δεν μπορούν να ξεκινήσουν τη σύνθεση του DNA, αλλά μπορούν να προσθέσουν μόνο νέες μονάδες δεοξυριβονουκλεοτιδίου στο 3' άκρο μιας υπάρχουσας πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας. Επομένως, το DNAP απαιτεί εκκίνηση. Ο εκκινητής που απαιτείται για τη λειτουργία του DNAP αποτελείται από RNA (περίπου 15-17 νουκλεοτίδια) και συντίθεται από το ένζυμο πριμάση. Το Primase συνδέεται με την ελικάση και το DNA, σχηματίζοντας μια δομή που ονομάζεται πριμόσωμα. Το DNAP III στη συνέχεια συνδέεται με τον εκκινητή και επεκτείνει την αλυσίδα.

Δεύτερον, η σύνθεση μιας νέας αλυσίδας πολυμεράσης πραγματοποιείται μόνο στην κατεύθυνση 5'-3' κατά μήκος της αλυσίδας του εκμαγείου, προσανατολισμένη αντιπαράλληλα, δηλ. 3'-5'. Η σύνθεση των αλυσίδων προς την αντίθετη κατεύθυνση δεν συμβαίνει ποτέ, επομένως οι συντιθέμενες αλυσίδες στο πιρούνι αντιγραφής πρέπει να αναπτυχθούν προς αντίθετες κατευθύνσεις. Η σύνθεση μιας αλυσίδας (οδηγώντας, οδηγώντας) συμβαίνει συνεχώς, και η άλλη (υστερεί) - σε θραύσματα. Ο οδηγός κλώνος αναπτύσσεται από το 5' έως το 3' άκρο προς την κατεύθυνση της διχάλας αντιγραφής και απαιτεί μόνο μία πράξη εκκίνησης. Το υστερούμενο σκέλος αναπτύσσεται επίσης από το 5' στο 3' άκρο, αλλά προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κίνηση της διχάλας αναπαραγωγής. Για τη σύνθεση της υστερούσας αλυσίδας, πρέπει να συμβούν αρκετές ενέργειες έναρξης, με αποτέλεσμα να σχηματιστούν πολλές βραχείες αλυσίδες (θραύσματα Okazaki), το μήκος των οποίων στους προκαρυώτες είναι 1000-2000 νουκλεοτίδια.

Στην αρχή κάθε θραύσματος Okazaki υπάρχει ένας εκκινητής RNA που πρέπει να αφαιρεθεί γιατί ριβονουκλεοτίδια δεν πρέπει να υπάρχουν στο DNA. Το DNIP I, λόγω της δραστικότητας 5'-3' εξωνουκλεάσης του, αφαιρεί τον εκκινητή και τον αντικαθιστά με δεοξυριβονουκλεοτίδια. Το χάσμα μεταξύ δύο γειτονικών θραυσμάτων Okazaki κλείνει από το ένζυμο DNA λιγάση χρησιμοποιώντας την ενέργεια του ATP.

2. Επιμήκυνση (επιμήκυνση αλυσίδας).

Ένα σύμπλεγμα ενζύμων αντιγραφής, που ονομάζεται ρεπλισόμα, κινείται κατά μήκος του μορίου του προτύπου DNA, ξετυλίγοντάς το και αναπτύσσοντας συμπληρωματικούς κλώνους DNA.

3. Τερματισμός (τέλος αντιγραφής).

Το DNA περιέχει θέσεις τερματισμού αντιγραφής που περιέχουν συγκεκριμένες αλληλουχίες στις οποίες συνδέονται οι πρωτεΐνες τερματισμού, αποτρέποντας την περαιτέρω προώθηση της διχάλας αντιγραφής. Η σύνθεση DNA τελειώνει.

Σημειώσαμε προηγουμένως ότι εκτός από τη δραστηριότητα πολυμεράσης, τα DNAPs έχουν επίσης δραστηριότητα εξωνουκλεάσης 3'-5'. Είναι απαραίτητο για διόρθωση, δηλ. αφαίρεση ενός εσφαλμένα εισαχθέντος νουκλεοτιδίου. Το DNAP ελέγχει τη συμμόρφωση κάθε νουκλεοτιδίου με το εκμαγείο δύο φορές: μια φορά πριν το ενσωματώσει στην αναπτυσσόμενη αλυσίδα και μια δεύτερη φορά πριν ενσωματώσει το επόμενο νουκλεοτίδιο.

Ο ρυθμός αντιγραφής στα προκαρυωτικά είναι 500 νουκλεοτίδια/sec.

Μέθοδοι αντιγραφής

· θ-τύπου. Το αντιγραφικό μάτι διαστέλλεται σε αντίθετες κατευθύνσεις κατά μήκος του κυκλικού μορίου DNA. Στην περίπτωση αυτή σχηματίζεται μια ενδιάμεση δομή που θυμίζει το ελληνικό γράμμα θ. Χαρακτηριστικό των προκαρυωτών και ορισμένων ιών.

· σ-τύπου (μηχανισμός κυλιόμενου δακτυλίου). Η αντιγραφή ξεκινά με τη διάσπαση ενός φωσφοδιεστερικού δεσμού σε μια από τις αλυσίδες του μορίου του μητρικού δακτυλίου. Το DNAP προσκολλάται στο ελεύθερο άκρο 3' και αναπτύσσει έναν νέο κλώνο. Η ενδιάμεση δομή έχει το σχήμα του γράμματος σ. Αυτός ο τύπος αντιγραφής βρίσκεται σε ορισμένους ιούς, ιδιαίτερα στον βακτηριοφάγο λάμδα.

· Αντιγραφή γραμμικών μορίων με το σχηματισμό πολλών διχάλων αντιγραφής που κινούνται το ένα προς το άλλο. Χαρακτηριστικό όλων των ευκαρυωτών και των ιών με γραμμικά μόρια DNA.

Χαρακτηριστικά αντιγραφής σε ευκαρυώτες

1. Ο αναδιπλασιασμός λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια της περιόδου S του μιτωτικού κύκλου του κυττάρου.

2. Υπάρχουν πολλά αντίγραφα σε ένα μόριο DNA, δηλ. Υπάρχουν διάφορες πηγές αντιγραφής.

3. Πολυμεράσες DNP:

· α – DNA πολυμεράση. Το κύριο ένζυμο αντιγραφής. Έχει επίσης δραστηριότητα primase. Συνθέτει θραύσματα Okazaki.

· β – πολυμεράση DNA – ένζυμο επανόρθωσης (αφαιρεί τη βλάβη του DNA).

· γ – Η DNA πολυμεράση εξασφαλίζει τη σύνθεση του μιτοχονδριακού DNA

· δ – Η DNA πολυμεράση εμπλέκεται στη σύνθεση του οδηγού κλώνου.

4. Το μήκος των θραυσμάτων Okazaki είναι 100-200 νουκλεοτίδια.

5. Ταχύτητα αντιγραφής 50 νουκλεοτίδια/δευτ.

6. Υπάρχει ένα ένζυμο που ονομάζεται τελομεράση, το οποίο επεκτείνει το 3' άκρο του DNA πριν από την αντιγραφή, επειδή Κάθε φορά μετά την αντιγραφή, το μήκος του 3' άκρου ενός γραμμικού μορίου DNA μειώνεται κατά το μέγεθος του εκκινητή. Οι διαταραχές στην επιμήκυνση των τελομερών συνδέονται με την καρκινογένεση και τη γήρανση.

Έτσι, από το υλικό που συζητήθηκε παραπάνω, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η βιολογική έννοια της αντιγραφής έγκειται στην ακριβή αναπαραγωγή της γενετικής πληροφορίας, η οποία είναι απαραίτητη για το κληρονομικό υλικό των θυγατρικών κυττάρων να είναι πανομοιότυπο με το κληρονομικό υλικό του μητρικού κυττάρου. Αυτό είναι πολύ σημαντικό τόσο για την ανάπτυξη και την κανονική λειτουργία των πολυκύτταρων οργανισμών όσο και για τη βλαστική αναπαραγωγή.

10.03.2015 13.10.2015

Η διατήρηση της γενετικής πληροφορίας μεταξύ των γενεών διασφαλίζεται από την ικανότητα του DNA να αντιγράφεται. Η αντιγραφή του DNA είναι ένας πολύπλοκος μηχανισμός για τη λήψη αντιγράφων του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος από τους μητρικούς οργανισμούς στους θυγατρικούς οργανισμούς, ο οποίος συμβαίνει κατά την κυτταρική διαίρεση. Σε αυτή την περίπτωση, το γενετικό υλικό που κωδικοποιείται στο DNA αντιγράφεται και στη συνέχεια διαιρείται μεταξύ νέων κυττάρων. Οι μοριακοί μηχανισμοί που εγγυώνται την ακριβή αντιγραφή είναι πλέον αρκετά κατανοητοί και αντιπροσωπεύουν μια πολύπλοκη διαδικασία που μπορεί να οριστεί με τη μορφή ενός διαδραστικού μοντέλου.
Η διαδικασία αυτοδιπλασιασμού των γονιδίων (ο μηχανισμός αντιγραφής του) βασίζεται στην αναπαραγωγή, τη διατήρηση της κληρονομικότητας, τη μετάδοση των ιδιοτήτων του στους απογόνους και την ανάπτυξη ενός ολόκληρου πολυκύτταρου οργανισμού από ένα μόνο γονιμοποιημένο ωάριο. Ο όρος αντιγραφή έχει άλλο όνομα - αναδιπλασιασμός DNA.

Ποιος ανακάλυψε τη διαδικασία αναπαραγωγής;

Σύμφωνα με τη θεωρία της κατασκευής του DNA που προτάθηκε από τους επιστήμονες Watson και Crick στο μοντέλο ενός διπλού ελικοειδούς μορίου το 1953, ήταν τελικά σε θέση να εξηγήσει πώς πραγματοποιείται ο αναδιπλασιασμός του DNA - καταγράφονται και αποθηκεύονται κληρονομικές πληροφορίες.

Οι επιστήμονες Watson και Crick

και επίσης να μελετήσει τη χημική αρχή του αυτοδιπλασιασμού του. Η αυστηρή εξειδίκευση στο ζεύγος βάσεων στο DNA καθορίζεται από τη συμπληρωματικότητα των αζωτούχων βάσεων και στους δύο κλώνους, γεγονός που εξηγεί την ακρίβεια στη σύνθεσή του. Εξάλλου, οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι κατά τη διαδικασία αντιγραφής, ένα ζεύγος αζωτούχων βάσεων, για παράδειγμα, η γουανίνη μαζί με την κυτοσίνη, σταθεροποιείται χρησιμοποιώντας τρεις δεσμούς υδρογόνου και ένα ζεύγος αδενίνης με θυμίνη σταθεροποιείται χρησιμοποιώντας δύο. Αυτό είναι που εμποδίζει τη λανθασμένη σύζευξη των βάσεων από τις οποίες είναι δομημένο το μόριο του γονιδίου.
Η υπόθεση για μια πιθανή διαδικασία αντιγραφής διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τους ίδιους ερευνητές το 1953. Υπέθεσαν ότι από οποιοδήποτε συμπληρωματικό κλώνο, μετά από διαχωρισμό από άλλο, είναι δυνατό να ληφθεί μια μήτρα για τη σύνθεση ενός νέου κλώνου. Το 1958, ο επιστήμονας Meselson, μαζί με τον Stahl, αυτή η υπόθεση επιβεβαιώθηκε πειραματικά.
Σύμφωνα με τη θεωρία των Watson και Crick, οι οποίοι απέδειξαν ότι η αντιγραφή του DNA συμβαίνει ως εξής:
1) σπάσιμο των δεσμών υδρογόνου με επακόλουθο ξετύλιγμα των ελικοειδών κλώνων DNA.
2) σύνθεση νέων συμπληρωματικών περιοχών σε μεμονωμένα αποσυνδεδεμένα μέρη.
Το αποτέλεσμα είναι η εμφάνιση δύο παρόμοιων γονιδίων από ένα μεμονωμένο, και σε οποιοδήποτε νέο γονίδιο ο ένας κλώνος είναι γονικός και ο άλλος έχει πρόσφατα συντεθεί. Αυτός ο μηχανισμός αντιγραφής ονομάστηκε ημι-συντηρητικός.

Βασικές αρχές

Η βασική αρχή του αυτοδιπλασιασμού των γονιδίων είναι εύκολο να φανταστεί κανείς εάν γνωρίζετε τη βασική δομή των γονιδίων της διπλής έλικας. Σύμφωνα με γνωστά δεδομένα, το DNA παρουσιάζεται με τη μορφή διπλού κλώνου νουκλεοτιδίων. Οι γενετικές πληροφορίες σε κάθε γονιδιακό κλώνο είναι πανομοιότυπες, καθεμία από τις οποίες περιλαμβάνει μια αλληλουχία νουκλεοτιδίων που ταιριάζει ακριβώς με την αλληλουχία της δεύτερης. Αυτή η ταυτότητα είναι δυνατή λόγω της παρουσίας δεσμών υδρογόνου που κατευθύνονται μεταξύ δύο συμπληρωματικών βάσεων από αντίθετες αλυσίδες. Συμπληρωματικά το ένα προς το άλλο είναι το G (γουανιδίνη) και το C (κυτοσίτης), καθώς και το Α (αδενίνη) και το Τ (θυμίνη). Η συμπληρωματικότητα είναι μια μοναδική ιδιότητα του DNA. Χάρη σε αυτό, οι αντίθετα κατευθυνόμενες αλυσίδες γονιδίων ονομάζονται αντιπαράλληλες.
Επομένως, είναι πολύ απλό να φανταστεί κανείς ότι κατά τον αυτοδιπλασιασμό των μορίων, παρατηρείται η απόκλιση των κλώνων από τις διπλές έλικες, ακολουθούμενη από τη σύνθεση ενός νεοσυντιθέμενου κλώνου στον αρχικό κλώνο σύμφωνα με την αρχή της σύνδεσης συμπληρωματικών βάσεων νουκλεοτιδίων.
Η αντιγραφή του DNA οδηγεί στην εμφάνιση δύο εντελώς νέων θυγατρικών μορίων, δίκλωνων, αλλά εντελώς αδιάκριτα από το αρχικό μόριο. Αξίζει να σημειωθεί ότι οποιοδήποτε από τα νέα μόρια περιλαμβάνει ένα μητρικό νήμα και ένα νεοσυντιθέμενο.

Η DNA πολυμεράση είναι ένας καταλύτης για τον αυτοδιπλασιασμό του γονιδιώματος

Το 1957, ο επιστήμονας A. Kornberg ήταν ο πρώτος που απομόνωσε ένα ένζυμο από ένα βακτήριο (Escherichia coli), το οποίο είχε μοναδικές ιδιότητες και ήταν σε θέση να καταλύει τις διαδικασίες αντιγραφής, το οποίο ονομαζόταν πολυμεράση DNA. Μετά από αυτό, παρόμοιες ουσίες βρέθηκαν σε άλλους οργανισμούς.
Διαπιστώθηκε ότι το συγκεκριμένο ένζυμο μπορεί να συνθέσει νέους κλώνους στη μητρική αλυσίδα από νουκλεοτίδια. Χάρη σε αυτές τις μοναδικές ιδιότητες, η πολυμεράση μπορεί διαδοχικά να επεκτείνει μια μονόκλωνη γονιδιακή αλυσίδα προσθέτοντας συμπληρωματικές νουκλεοτιδικές βάσεις σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση από το 3' άκρο της.
Είναι πλέον σαφές ότι κάθε κύτταρο περιέχει παραλλαγές DNA πολυμερασών με διαφορετικές λειτουργίες και δομές. Αλλά η κύρια λειτουργία τους είναι να συνθέτουν ακριβή αντίγραφα των αρχικών γονιδίων.

Μηχανισμός διπλασιασμού

Κατά τη διάρκεια της αυτοδιπλασιασμού των γενετικών πληροφοριών, οι επιστήμονες εντοπίζουν πολλά κύρια στάδια που προχωρούν παρόμοια σε διάφορες μορφές ζωντανών οργανισμών (από βακτήρια έως θηλαστικά):
εκκίνηση κυκλωμάτων γονιδίων.
ξετύλιγμα της διπλής έλικας.
ολοκληρώνοντας άμεσα τη δεύτερη αλυσίδα.
1. Έναρξη αλυσίδων DNA. Απαιτεί την παρουσία μιας προσυντεθειμένης μικρής αλυσίδας - ενός σπόρου, μόνο αν υπάρχει ποια πολυμεράση μπορεί να προσθέσει νουκλεοτιδικές βάσεις. Ελλείψει αυτού, η γονιδιακή σύνθεση είναι αδύνατη. Ωστόσο, στην πράξη είναι σαφές ότι τέτοιοι εκκινητές σχηματίζουν ένζυμα σε οποιονδήποτε οργανισμό - πριμάσες DNA. Αυτό το ένζυμο δεν είναι ακριβές και δεν ξέρει πώς να διορθώσει τα λάθη που κάνει, επομένως χρησιμεύει μόνο ως ο εκκινητής της διαδικασίας σύνθεσης και στη συνέχεια αφαιρείται εντελώς από την αλυσίδα που μόλις συντέθηκε και ο χώρος του συμπληρώνεται από την πολυμεράση.
2. Ξετύλιγμα της διπλής ελικοειδούς αλυσίδας DNA. Αυτό το στάδιο είναι απαραίτητο, επειδή η σύνθεση μιας νέας αλυσίδας DNA είναι δυνατή μόνο σε ένα μονόκλωνο μόριο. Το μέρος όπου χωρίζεται η διπλή έλικα μοιάζει με πιρούνι και γι' αυτό ονομάζεται διχάλα αντιγραφής. Εδώ λαμβάνει χώρα η σύνθεση θυγατρικών αλυσίδων από πολυμεράσες. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι μια τέτοια απόκλιση αρχίζει συνήθως σε ορισμένες περιοχές που ονομάζονται προέλευση αυτοδιπλασιασμού και περιλαμβάνει περίπου 300 νουκλεοτίδια.
Για να ανοίξει ένα τέτοιο σταθερό μόριο όπως το DNA, είναι απαραίτητη η δράση ειδικών αποσταθεροποιητικών ενζύμων - πρωτεϊνών μαζί με ελικάσες DNA, οι οποίες, όταν συναντούν διπλά τμήματα μορίων, κάνουν τομές σε δεσμούς υδρογόνου μεταξύ συμπληρωματικών βάσεων, που διαχωρίζουν τις αλυσίδες και έτσι προωθούν την πιρούνι αναπαραγωγής. Οι πρωτεϊνικοί αποσταθεροποιητές εμποδίζουν την επανασύνδεση μεμονωμένων αλυσίδων, αλλά καθιστούν δυνατή τη σύνθεση νέων.
Για να καταστεί δυνατή η κίνηση της διχάλας αντιγραφής κατά μήκος μιας στριμμένης αλυσίδας γονιδίου και για να αποτραπεί η περιστροφή ενός κλώνου που δεν έχει ακόμη αυτοδιπλασιαστεί, εμφανίζονται περιοχές στο DNA που καθιστούν δυνατή την εκτύλιξη. Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα με τη συμμετοχή τοποϊσομερασών του DNA, οι οποίες κάνουν τομές στους κλώνους των γονιδίων, επιτρέποντας στα μόρια να διαχωριστούν και στη συνέχεια τα ίδια μπορούν να επιδιορθώσουν την προκύπτουσα βλάβη. Βοηθούν τα γονίδια να υιοθετήσουν μια «υποτυλιγμένη» μορφή, η οποία έχει λιγότερες στροφές, επιτρέποντας στους δύο κλώνους να διαχωριστούν πιο εύκολα στη διχάλα αντιγραφής.
3. Στάδιο διαλείπουσας σύνθεσης. Οι διαδικασίες αντιγραφής στην πραγματικότητα δεν συμβαίνουν με τη συνεχή προσθήκη νουκλεοτιδίων ταυτόχρονα σε δύο νέους κλώνους ενώ κινούνται και προς τις δύο κατευθύνσεις. Οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι η σύνθεση των θυγατρικών αλυσίδων συμβαίνει μόνο στην κατεύθυνση 3', η οποία οδηγεί σε επιμήκυνση του άκρου 3', και η ανάγνωση του προτύπου από την πολυμεράση συμβαίνει μόνο στην κατεύθυνση 5'. Όπως μπορεί να φαίνεται, η κίνηση της διχάλας αναπαραγωγής προς μία μόνο κατεύθυνση είναι αδύνατη. Αλλά αυτό δεν είναι αλήθεια. Η λύση σε αυτό το μυστήριο είναι ότι η σύνθεση παρατηρείται συνεχώς κατά μήκος μόνο ενός κλώνου του γονιδίου και κατά μήκος της άλλης, η σύνθεση λαμβάνει χώρα σε τμήματα - 100-1000 νουκλεοτιδικές βάσεις, τα οποία ονομάζονται θραύσματα Okazaki. Ένα νήμα που συντίθεται συνεχώς ονομάζεται συνεχές, ένα νήμα που συντίθεται σε θραύσματα ονομάζεται υστέρηση. Οι ερευνητές έχουν δείξει ότι η σύνθεση καθενός από αυτά τα θραύσματα λαμβάνει χώρα χρησιμοποιώντας εκκινητές RNA, οι οποίοι αφαιρούνται από τη νεοσυντιθέμενη αλυσίδα σε ορισμένα διαστήματα και ολοκληρώνονται με νουκλεοτίδια χρησιμοποιώντας το ένζυμο πολυμεράση.

Συνεργατική δράση ενζύμων στη διχάλα αντιγραφής

Ο επαναδιπλασιασμός του DNA συμβαίνει με τη συμμετοχή ενός συμπλέγματος ενζύμων και πρωτεϊνών, ικανών να κινούνται γρήγορα κατά μήκος των γονιδίων και ικανών να διεξάγουν συντονισμένα τις διαδικασίες του γενετικού αυτοδιπλασιασμού με μεγάλη ακρίβεια. Αυτό το πρωτεϊνικό σύμπλεγμα μπορεί να συγκριθεί ως προς την αποτελεσματικότητά του με μια «ραπτομηχανή»· τα «μέρη» εδώ για την παραγωγή DNA είναι πρωτεΐνες και οι κύριες πηγές ενεργειακών διεργασιών είναι οι αντιδράσεις υδρόλυσης των βάσεων νουκλεοτιδίων.
Το ξετύλιγμα του μορίου του γονιδίου συμβαίνει υπό την επίδραση ελικάσης DNA, η οποία συμπληρώνεται από τοποϊσομεράση DNA, η οποία είναι ικανή να ξετυλίγει γονιδιακές αλυσίδες, καθώς και πρωτεΐνες με ιδιότητες αποσταθεροποίησης γονιδίων που μπορούν να δεσμευτούν σε μονούς κλώνους και να αποτρέψουν τη σύνδεσή τους. μαζί.
Ακριβώς στη θέση της διχάλας αντιγραφής, δρουν πολυμεράσες δύο αλυσίδων. Το έργο της πολυμεράσης του κύριου κλώνου είναι συνεχές και ο υστερούντος κλώνος είναι διακοπτόμενος όταν χρησιμοποιούνται εκκινητές RNA που συνθέτουν πρωτεΐνες πριμάσης DNA. Τέτοιες πριμάσες, καθώς και ελικάσες, σχηματίζουν μια πολύπλοκη δομή που ονομάζεται πριμόσωμα, η οποία έχει την ικανότητα να κινείται προς το άνοιγμα της διχάλας αντιγραφής και συνθέτει εκκινητές RNA που διεγείρουν το σχηματισμό θραυσμάτων Okazaki.
Η πολυμεράση κινείται προς την ίδια κατεύθυνση. Η κίνησή του κατά μήκος της υστερούσας αλυσίδας είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς, αλλά εξηγείται από τους επιστήμονες - η πολυμεράση υπερθέτει τη γονιδιακή αλυσίδα, η οποία χρησιμεύει ως πρότυπο για τη σύνθεση, στον εαυτό της, λόγω της οποίας η πολυμεράση της υστερούσας αλυσίδας στρέφεται προς την αντίθετη κατεύθυνση . Αυτός ο συντονισμός στην κίνηση των πολυμερασών βοηθά στη διασφάλιση συντονισμένου διπλασιασμού και των δύο κλώνων στις οποίες συμβαίνει διπλασιασμός.
Ο συνολικός αριθμός πρωτεϊνών που εμπλέκονται στις διαδικασίες αυτοδιπλασιασμού των γονιδίων είναι πάνω από είκοσι, γεγονός που καθιστά δυνατή τη διεξαγωγή αυτής της πολύπλοκης, εξαιρετικά οργανωμένης, ενεργοβόρας διαδικασίας.

Συντονισμός μηχανισμών διπλασιασμού του γονιδιώματος με κυτταρική διαίρεση

Ανεξάρτητα από το αν το κύτταρο περιέχει ένα (προκαρυωτικούς οργανισμούς) ή πολλά χρωμοσώματα (ευκαρυωτικούς οργανισμούς)
οργανισμών) όταν τα κύτταρα διαιρούνται, το γονιδίωμα πρέπει να αναπαραχθεί πλήρως. Το σήμα για την έναρξη του διπλασιασμού του γονιδιακού υλικού είναι η διαδικασία δέσμευσης της ρυθμιστικής πρωτεΐνης εκκινητή μαζί με την αλληλουχία DNA στην αρχή της αντιγραφής.
Στα βακτήρια, οι διαδικασίες αναδιπλασιασμού των χρωμοσωμάτων ξεκινούν σε ένα συγκεκριμένο σημείο στο οποίο αρχίζουν οι διαδικασίες αντιγραφής και συνεχίζονται μέχρι να ολοκληρωθεί ο διπλασιασμός όλου του γενετικού υλικού. Επειδή τα βακτήρια περιέχουν ένα χρωμόσωμα ως μοναδική μονάδα αντιγραφής τους, έχει ονομαστεί ρεπλικόνιο. Η έναρξη των διαδικασιών αντιγραφής οδηγεί σίγουρα σε κυτταρική διαίρεση, η οποία συμβαίνει μετά την πλήρη ολοκλήρωση της αντιγραφής. Σε αυτή την περίπτωση, κάθε ένα από τα γονιδιώματα περνά σε ένα ξεχωριστό θυγατρικό κύτταρο.
Τα ευκαρυωτικά κύτταρα δημιουργούν ένα πλήρες αντίγραφο των χρωμοσωμάτων τους πριν διαιρεθούν. Κάθε χρωμόσωμα χωρίζεται σε πολλά ξεχωριστά αντίγραφα, τα οποία ενεργοποιούνται σταδιακά καθώς το καθένα αναδιπλασιάζεται μία φορά. Αυτό επιτρέπει να σχηματίζονται ταυτόχρονα πολλές ανεξάρτητες διχάλες αντιγραφής. Η διακοπή της αναπαραγωγής σε μια συγκεκριμένη διχάλα μπορεί να συμβεί όταν αυτό συγκρούεται με άλλο χρωμόσωμα ή όταν φτάσει στο τέλος ενός χρωμοσώματος. Χάρη σε αυτό, το γενετικό υλικό των χρωμοσωμάτων αντιγράφεται αρκετά γρήγορα. Κάθε ζεύγος χρωμοσωμάτων μετακινείται στη συνέχεια στα κύτταρα απογόνων κατά τη μιτωτική διαίρεση.

Ρύθμιση του διπλασιασμού του DNA

Η αντιγραφή του DNA θεωρείται ένα βασικό γεγονός που συμβαίνει κατά την κυτταρική διαίρεση. Το θεμελιώδες σημείο εδώ είναι ότι τη στιγμή της κυτταρικής διαίρεσης, το DNA του έχει ήδη αντιγραφεί. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ορισμένων μηχανισμών για τη ρύθμιση της αναπαραγωγής. Υπάρχουν 3 κύρια στάδια κατά την αντιγραφή του DNA:
στάδιο έναρξης αντιγραφής
διαδικασία επιμήκυνσης
λήξη.
Η κύρια ρύθμιση της διαδικασίας αντιγραφής λαμβάνει χώρα στο στάδιο της έναρξης.
Πώς πραγματοποιείται η ρύθμιση; Η διαδικασία αντιγραφής δεν είναι δυνατή από κάθε τμήμα του γονιδίου, αλλά μόνο από ορισμένα, που ονομάζονται θέσεις έναρξης της διαδικασίας αντιγραφής. Ανάλογα με τον οργανισμό, το γονιδίωμα μπορεί να περιέχει μία ή περισσότερες θέσεις έναρξης. Κατά κανόνα, οι θέσεις έναρξης βρίσκονται σε αντίγραφα - ειδικές περιοχές που ξεκινούν την αντιγραφή αμέσως μετά τη γονιδιακή σύνθεση.

Ακρίβεια στον διπλασιασμό του DNA

Για να διατηρηθεί το γενετικό υλικό των υπαρχόντων οργανισμών, ο αναδιπλασιασμός του DNA πρέπει να είναι εξαιρετικά ακριβής. Είναι γνωστό ότι το γονιδίωμα οποιουδήποτε οργανισμού είναι απλά τεράστιο. Οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι κατά τη διάρκεια της αυτοδιπλασιασμού του γονιδιώματος των θηλαστικών, το οποίο έχει συνολικό μήκος περίπου 3 δισεκατομμύρια βάσεις νουκλεοτιδίων, παρατηρούνται συνολικά 1 έως 3 σφάλματα. Πώς επιτυγχάνεται τέτοια ακρίβεια; Εξάλλου, η σύνθεση του γονιδιώματος έχει σημαντική ταχύτητα - περίπου 500 νουκλεοτίδια ανά δευτερόλεπτο στα βακτήρια και περίπου 50 νουκλεοτίδια ανά δευτερόλεπτο στα θηλαστικά. Σήμερα, οι ερευνητές έχουν εντοπίσει ειδικούς μηχανισμούς διόρθωσης σφαλμάτων που βοηθούν, μαζί με μια σημαντική ταχύτητα σύνθεσης γονιδιώματος, να αποκτήσουν το ακριβές αντίγραφό του.
Η μοναδικότητα της διαδικασίας διόρθωσης έγκειται σε δύο βασικά σημεία. Πρώτον, κατά τη διαδικασία της γονιδιακής σύνθεσης, η πολυμεράση ελέγχει δύο φορές κάθε νουκλεοτίδιο που έχει εισαχθεί - την πρώτη φορά πριν το προσθέσει στη συντιθέμενη αλυσίδα. Και ελέγχει τη δεύτερη φορά αμέσως πριν εισάγει το επόμενο νουκλεοτίδιο. Όταν εντοπιστεί ένα σφάλμα, η σύνθεση της γονιδιακής αλυσίδας σταματά μέχρι να διορθωθεί. Η διόρθωση γίνεται μετακινώντας το ένζυμο προς την αντίθετη κατεύθυνση και κόβοντας τον τελευταίο από τους προστιθέμενους συνδέσμους, έτσι ώστε το σωστό - συμπληρωματικό - νουκλεοτίδιο να εισαχθεί σε αυτό το σημείο. Με επιστημονικούς όρους, αυτό σημαίνει ότι ορισμένες από τις πολυμεράσες έχουν επίσης την ικανότητα να εκτελούν 3'-τελική υδρόλυση, η οποία βοηθά στην απομάκρυνση των νουκλεοτιδίων που εισάγονται λανθασμένα σε νέα γονίδια.

Διαδραστικό μοντέλο αναπαραγωγής

Ένα τέτοιο μοντέλο αντιγραφής DNA μπορεί να αναπαρασταθεί ως μια πολύπλοκη «μηχανή αντιγραφής» που αποτελείται από πολλές σύνθετες διαδικασίες και μηχανισμούς που ρυθμίζονται από πρωτεΐνες και ένζυμα. Το διαδραστικό μοντέλο βοηθά στην οπτικοποίηση του μηχανισμού που εμφανίζεται κατά την αναπαραγωγή του γενετικού υλικού.
Αυτό το μοντέλο δείχνει τη συμπληρωματική προσθήκη αζωτούχων βάσεων κατά τη σύνθεση γονιδίων, οι οποίες υποδεικνύονται με συμβατικά σύμβολα διαφορετικών χρωμάτων. Επιπλέον, τα νουκλεοτίδια είναι ικανά να συνδυάζονται μόνο με μια ορισμένη σειρά (το νουκλεοτίδιο αδενίνη μόνο με θυμίνη και γουανίνη μόνο με κυτοσίνη). Ο μηχανισμός σύνθεσης αλυσίδας συμβαίνει από αριστερά προς τα δεξιά. Η ραχοκοκαλιά της φωσφορικής πεντόζης ενός μορίου DNA προσδιορίζεται συμβολικά με βέλη που υποδεικνύουν την κατεύθυνση των άκρων 3' και 5'. Ένα θετικό αποτέλεσμα της αντίδρασης παρέχεται από ένα ένζυμο - πολυμεράση, το οποίο κινείται κατά μήκος του κλώνου του DNA.
Κατά κανόνα, σε ένα διαδραστικό μοντέλο, η αντιγραφή DNA εμφανίζεται καθαρά κατά την εκκίνηση του μοντέλου με το κουμπί Έναρξη· μπορείτε να θέσετε σε παύση την κινούμενη εικόνα με το κουμπί Διακοπή και να επαναφέρετε τον διαδραστικό μηχανισμό στην αρχική του μορφή με το κουμπί Επαναφορά.

Ταχύτητα αναπαραγωγής

Η ταχύτητα των διαδικασιών αντιγραφής είναι πολύ υψηλή, γεγονός που επιτρέπει τη σύνθεση περίπου 45.000 νουκλεοτιδίων σε ένα λεπτό, ενώ το γονικό πιρούνι περιστρέφεται με ταχύτητα 4500 στροφών ανά λεπτό. Λόγω της δυνατότητας ταυτόχρονης αναπαραγωγής της γενετικής πληροφορίας, μερικές φορές σε χιλιάδες μέρη ταυτόχρονα, στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς ο μηχανισμός πλήρους διπλασιασμού του γενετικού υλικού συμβαίνει αρκετά γρήγορα. Εάν αυτό δεν ήταν δυνατό, τότε η αντιγραφή του γονιδιώματος θα χρειαζόταν αρκετούς μήνες.

Η σημασία της διαδικασίας αντιγραφής στη γενετική

Η μελέτη των διαδικασιών διπλασιασμού και διατήρησης του γενετικού υλικού τραβούσε πάντα την προσοχή των ερευνητών. Χάρη σε αυτό, προέκυψε η επιστήμη της μοριακής βιολογίας, η οποία σήμερα κατέχει ξεχωριστή θέση μεταξύ άλλων επιστημών.
Στον αιώνα μας, σε αυτόν τον τομέα της επιστήμης έχουν γίνει ανακαλύψεις που κατέστησαν δυνατή την ανάλυση και την αποκρυπτογράφηση των πιο σημαντικών διαδικασιών και μηχανισμών μιας από τις κύριες πτυχές της ζωής - της θεωρίας της κληρονομικότητας.
Οι ανακαλύψεις που έγιναν σε αυτόν τον τομέα θεωρούνται τα μεγαλύτερα επιστημονικά επιτεύγματα του 20ου αιώνα, η σημασία των οποίων είναι εξίσου σημαντική με την ανακάλυψη της ραδιενέργειας.
Η έρευνα σε αυτόν τον τομέα κατέστησε δυνατή τη δημιουργία και ανάπτυξη ορισμένων νέων βιολογικών κλάδων - μοριακή βιολογία, βιονική, βιοκυβερνητική, που σήμερα καθιστούν δυνατή την επίλυση ορισμένων προβλημάτων που σχετίζονται με την ανθρώπινη υγεία, τη δημιουργία νέων ποικιλιών φυτών και ζωικά είδη.

Αντιγραφή DNAείναι η διαδικασία διπλασιασμού των γονικών μορίων DNA κατά την αναπαραγωγή κυττάρων ζωντανών οργανισμών. Δηλαδή, η διαδικασία αντιγραφής προηγείται της κυτταρικής διαίρεσης. Η αναπαραγωγή, όπως η μεταγραφή και η μετάφραση, είναι διαδικασία μήτρας. Κατά τη διάρκεια της αλυσιδωτής αντιγραφής, τα μόρια του DNA αποκλίνουν και καθένα από αυτά γίνεται ένα πρότυπο πάνω στο οποίο συντίθεται μια νέα συμπληρωματική αλυσίδα. Σε αυτή την περίπτωση, τα νουκλεοτίδια των νέων αλυσίδων ζευγαρώνουν συμπληρωματικόςμε νουκλεοτίδια παλαιών αλυσίδων (Α με Τ, Γ με Γ). Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται δύο θυγατρικά δίκλωνα μόρια DNA, που δεν διακρίνονται από το μητρικό μόριο. Κάθε μόριο DNA αποτελείται από έναν κλώνο του αρχικού μητρικού μορίου και έναν κλώνο που μόλις συντέθηκε. Αυτός ο μηχανισμός αντιγραφής ονομάζεται ημι-συντηρητικός. Κάθε αλυσίδα που συντέθηκε πρόσφατα αντιπαράλληλοςγονικός. Η σύνθεση μιας αλυσίδας (οδηγίας) συμβαίνει συνεχώς, και η άλλη (υστερεί) - παλμική. Αυτός ο μηχανισμός ονομάζεται ημισυνεχής.

Η δομή της διχάλας αναπαραγωγής. Κορυφαίο νήμα, υστερό νήμα, θραύσματα Okazaki. δείτε εικόνα.

Βασικά ένζυμα που εμπλέκονται στη σύνθεση του DNA.

Γενικά δομικά χαρακτηριστικά των DNA πολυμερασών.

Λειτουργούν με την ίδια αρχή: επιμηκύνουν την αλυσίδα του DNA προσθέτοντας 1 νουκλεοτίδιο στο άκρο 3'. Η επιλογή υπαγορεύεται από τις απαιτήσεις συμπληρωματικότητας του προτύπου DNA. Χαρακτηριστικά:

Αρκετοί ανεξάρτητοι τομείς, cat. μαζί μοιάζουν με το δεξί χέρι ενός ατόμου. Το DNA συνδέεται σε μια μικρή εσοχή που σχηματίζεται από τρεις τομείς. Η βάση του καταλυτικού κέντρου σχηματίζεται από διατηρημένα μοτίβα αμινοξέων εντός του τομέα της παλάμης. Τα «δάχτυλα» τοποθετούν σωστά τη μήτρα στο ενεργό κέντρο. Ο «αντίχειρας» δεσμεύει το DNA στην έξοδο του ενζύμου και προκαλεί υψηλή επεξεργασιμότητα. Στο ενεργό κέντρο, οι πιο σημαντικές διατηρημένες περιοχές και των τριών περιοχών συγκεντρώνονται και σχηματίζουν μια συνεχή επιφάνεια. Η δραστηριότητα της εξωνουκλεάσης εντοπίζεται σε μια ανεξάρτητη περιοχή με τη δική της καταλυτική θέση. Η Ν-τερματική περιοχή είναι ενσωματωμένη στην περιοχή εξωνουκλεάσης.

Χαρακτηριστικά της DNA πολυμεράσης Ι.

Συμμετέχει στην επιδιόρθωση του κατεστραμμένου DNA, παίζει επίσης βοηθητικό ρόλο στην αντιγραφή του DNA - επεκτείνει το 3' άκρο του κλώνου που έχει ζευγαρώσει με τον κλώνο προτύπου και επιτρέπει την πλήρωση των κενών με m/d θραύσματα υστερούντων κλώνων, επεκτείνει θραύσματα Okazaki από τα 3' άκρα, ενώ ταυτόχρονα αφαιρούνται οι σπόροι ριβονουκλεοσιδίων RNA, με γατ. κάθε κομμάτι Okazaki ξεκινά. Η DNA πολυμεράση Ι είναι ικανή να επεκτείνει το 3' άκρο ενός κλώνου σε ένα σπάσιμο του δίκλωνου DNA και να αφαιρέσει νουκλεοτίδια από το 5' άκρο του ίδιου σπασίματος (μετάφραση εγκοπής) - ένας σημαντικός ρόλος στο σύστημα επιδιόρθωσης.

Το πολυμερές DNA» κυριαρχεί έναντι όλων των άλλων. Αυτό είναι ένα πολυπεπτίδιο 103 kDa που μπορεί να διασπαστεί σε 2 μέρη: το Ο-τερματικό θραύσμα, 68 kDa, θραύσμα Klenow, έχει δραστηριότητες πολυμεράσης και 3'->5" εξωνουκλεάσης· το θραύσμα Ν-κέρματος, 35 kDa, έχει 5' - >3" δραστικότητα εξωνουκλεάσης.

Ολοένζυμο, DNA πολυμεράση III, ρεπλισώμα.

Το ολοένζυμο είναι ένα σύμπλοκο 900 kDa που περιέχει 10 πρωτεΐνες, χωρισμένες σε 4 τύπους υποσυμπλεγμάτων:

α, ξ, θ. Περιέχει 2 αντίγραφα του καταλυτικού πυρήνα. α – δραστηριότητα πολυμεράσης DNA, ξ – δραστικότητα 3’-εξωνουκλεάσης, θ – διεγείρει την εξωνουκλεάση.

Περιέχει 2 υπομονάδες τ (tau) - χρησιμεύουν για τη συγκράτηση ενός ελάχιστου ενζύμου με καταλυτική δράση (α).

2 αντίγραφα του σφιγκτήρα – υπεύθυνος για τη διατήρηση του ελάχιστου ενζύμου στα πρότυπα DNA. Κάθε ένα αποτελείται από ένα ομοδιμερές β υπομονάδων. Ο κύριος ρόλος είναι η ελαχιστοποίηση της πιθανότητας διαχωρισμού του ενζύμου από τη μήτρα πριν ολοκληρωθεί η διαδικασία αντιγραφής.

γ – ομάδα 5 πρωτεϊνών, κατ. σχηματίστε ένα clamp-loader - μια συσκευή για την εφαρμογή ενός σφιγκτήρα στη μήτρα DNA. Αποτελείται από 2 δ, 1 γ, 1 ψ και 1 χ υπομονάδες.

Το Replisome είναι ένα πολυενζυμικό σύμπλεγμα στη βακτηριακή διχάλα αντιγραφής που πραγματοποιεί τη διαδικασία της ημι-συντηρητικής αντιγραφής. περιέχει πολυμεράση DNA και μια σειρά από άλλες πρωτεΐνες.

Ευκαρυωτικές πολυμεράσες DNA.

DNA πολυμεράση α - ξεκινά τη σύνθεση ενός νέου κλώνου και ενός υστερούντος. Συνδέεται με τη β-υπομονάδα και δύο μικρές πρωτεΐνες με δραστηριότητα πριμάσης, ώστε να μπορεί να συνθέσει εκ νέου αλυσίδες. 2 συναρτήσεις: αστάρωμα και επέκταση = α-πριμάση.

DNA πολυμεράση δ – επιμηκύνει τον οδηγό κλώνο

DNA πολυμεράση ξ – συμμετέχει στη σύνθεση του υστερούντος κλώνου

DNA λιγάσες.

Απαραίτητο για τη σύνδεση αλυσίδων DNA κατά την αντιγραφή, την επισκευή και τον ανασυνδυασμό. Οι λιγάσες DNA από το Ε. coli και τον φάγο Τ4 είναι απλά πεπτίδια ικανά να ενώνουν τα άκρα δύο διαφορετικών διπλών θραυσμάτων ή σπασμένα άκρα γραμμικών ή κυκλικών αλυσίδων DNA. Έτσι, με τη βοήθεια των λιγασών DNA, μπορούν να σχηματιστούν τόσο γραμμικά όσο και κυκλικά διπλά μόρια DNA.

ελικάσες DNA.

Ξετυλίγει τις αλυσίδες χρησιμοποιώντας την ενέργεια της υδρόλυσης ATP. Λειτουργεί ως μέρος ενός συμπλέγματος που εκτελεί την κίνηση της διχάλας αντιγραφής και την αντιγραφή μη στριμμένων κλώνων. Πολλά Zelicases μπορούν να δράσουν μαζί για να αυξήσουν την ταχύτητα.

SSB-πρωτεΐνες.

Οι μονόκλωνες πρωτεΐνες δέσμευσης αποσταθεροποιούν την έλικα, συνδέονται με την μονόκλωνη περιοχή, σταθεροποιώντας την, δηλ. ένα τμήμα μονόκλωνου DNA είναι σταθερό.

Τοποϊσομεράσες DNAΕγώΚαιII, γυράση.

Όταν το DNA ξετυλίγεται, το μόριο περιστρέφεται - μια αλλαγή στις δευτερογενείς και τριτογενείς δομές. Αυτές οι διεργασίες καταλύονται από μια ομάδα ενζύμων που ονομάζονται τοποϊσομεράσες. Εισάγουν ρήξεις μονής και διπλής αλυσίδας στο DNA, που επιτρέπει στο μόριο του νουκλεϊκού οξέος να περιστραφεί και να γίνει πρότυπο. Σύμφωνα με τον μηχανισμό δράσης, διακρίνονται οι τοποϊσομεράσες του πρώτου (Ι) και του δεύτερου (II) τύπου.

Τοποϊσομεράσες τύπου Ι (στο E. coli - swivelase) - εισάγουν ένα σπάσιμο μονής έλικος στο μόριο του DNA, τοποϊσομεράσες τύπου ΙΙ (στο E. coli - γυράση) - πραγματοποιούν διάσπαση διπλού κλώνου στο DNA και μεταφέρουν κλώνους DNA μέσω του σπάσιμο, ακολουθούμενο από διασταύρωση. Ταυτόχρονα, ενώ εκτελούν τις λειτουργίες τους, οι τοπισομεράσες παραμένουν συνδεδεμένες με το μόριο του DNA. Σε αυτές τις διεργασίες, οι τοποϊσομεράσες χρησιμοποιούν ένα υπόλειμμα τυροσίνης, το οποίο πραγματοποιεί μια πυρηνόφιλη επίθεση στη φωσφορική ομάδα του DNA για να σχηματίσει φωσφοτυροσίνη. Ως αποτέλεσμα, τα ένζυμα συνδέονται ομοιοπολικά στα 5' ή 3' άκρα του DNA στη θέση θραύσης. Ο σχηματισμός ενός τέτοιου ομοιοπολικού δεσμού εξαλείφει την ανάγκη κατανάλωσης ενέργειας κατά την αποκατάσταση του φωσφοδιεστερικού δεσμού σε ένα σπάσιμο ενός κλώνου στα τελικά στάδια της αντίδρασης. Οι τοποϊσομεράσες DNA τύπου Ι έχουν ένα καταλυτικό υπόλειμμα τυροσίνης ανά μόριο μονομερούς πρωτεΐνης, ενώ τα διμερή DNA τοποϊσομεράσης II περιέχουν ένα καταλυτικό υπόλειμμα ανά υπομονάδα, το οποίο δημιουργεί μια σταδιακή διάσπαση διπλού κλώνου στο μόριο DNA.

Οι τοποϊσομεράσες λειτουργούν ως αρθρώσεις, αλλά οι δράσεις τους είναι αντίθετες. Οι τοποϊσομεράσες Ι, σπάζοντας έναν από τους κλώνους του κυκλικού υπερτυλιγμένου DNA, ξετυλίγουν τις αλυσίδες και μειώνουν τον αριθμό των υπερσπειρών. Οι τοποϊσομεράσες ΙΙ μετατρέπουν το χαλαρό, μη υπερτυλιγμένο, κλειστό κυκλικό DNA σε υπερέλικα.

Στάδια αντιγραφής: έναρξη, επιμήκυνση, τερματισμός. Έναρξη του σχηματισμού νέων αλυσίδων DNA. Primaza. Primosome. Τερματισμός αντιγραφής DNA και απόκλιση θυγατρικών ελίκων σε προκαρυώτες.

Τερματισμός αντιγραφής σε γραμμικά γονιδιώματα. Το πρόβλημα της αντιγραφής ενός γραμμικού ανοιχτού θραύσματος DNA. Τελομερή και τελομερικές επαναλήψεις, τελομερής βρόχος. Τελομεράση. Ο μηχανισμός της τελομεράσης. Χαρακτηριστικά αντιγραφής ευκαρυωτικού DNA. Αντίγραφα ευκαρυωτικών.

Όπως και στην περίπτωση της βιοσύνθεσης άλλων κυτταρικών μακρομορίων, η διαδικασία αντιγραφής χωρίζεται συμβατικά σε τρία κύρια στάδια: έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός.

Προκαρυωτική αντιγραφή

Την έναρξη

Το χρωμόσωμα των προκαρυωτών αναπαρίσταται συχνότερα ένα μόνο υπερτυλιγμένο κυκλικό μόριο με μία ή δύο αρχές αντιγραφής.Για να γίνει καθένας από τους δύο κλώνους DNA ένα πρότυπο για τη σύνθεση ενός νέου κλώνου, είναι απαραίτητο οι κλώνοι του DNA να ευθυγραμμιστούν και να απομακρυνθούν ο ένας από τον άλλο. Έχει διαπιστωθεί ότι οι αλυσίδες DNA δεν ξετυλίγονται σε όλο τους το μήκος, αλλά σε ένα μικρό τμήμα. Εδώ σχηματίζεται η διχάλα αντιγραφής, η θέση του διπλασιασμού του DNA.

Όταν το DNA ξετυλίγεται, το μόριο περιστρέφεται - μια αλλαγή στις δευτερογενείς και τριτογενείς δομές. Αυτές οι διεργασίες καταλύονται από μια ομάδα ενζύμων που ονομάζονται τοποϊσομεράσες . Εισάγουν ρήξεις μονής και διπλής αλυσίδας στο DNA, που επιτρέπει στο μόριο του νουκλεϊκού οξέος να περιστραφεί και να γίνει πρότυπο. Σύμφωνα με τον μηχανισμό δράσης, διακρίνονται οι τοποϊσομεράσες του πρώτου (Ι) και του δεύτερου (II) τύπου.

Οι πρωτεΐνες εκκίνησης «κάθονται» στο μη στριμμένο τμήμα του γονικού μορίου DNA, από το οποίο ξεκινά η αντιγραφή και που ονομάζεται αρχή αντιγραφής (ή προέλευση, oriC). Η έναρξη της αντιγραφής στο oriC ξεκινά με το σχηματισμό ενός συμπλόκου που περιλαμβάνει έξι πρωτεΐνες DnaA, DnaB, DnaC, HU, γυράση και SSB.

Πρώτον, οι πρωτεΐνες συνδέονται με την αλληλουχία των εννέα νουκλεοτιδίων DnaA , που σχηματίζουν ένα μεγάλο σύνολο. Το DNA προέλευσης το περικυκλώνει και οι κλώνοι του DNA διαχωρίζονται σε μια περιοχή τριών 13-μερών αλληλουχιών. Στο επόμενο στάδιο, οι πρωτεΐνες DnaB (ελικάση) και DnaC ενώνονται, σχηματίζοντας ένα άθροισμα μεγέθους 480 kDa, με ακτίνα 6 nm. Ελικάση/ DnaB εξασφαλίζει τη ρήξη των δεσμών υδρογόνου μεταξύ αζωτούχων βάσεων στον διπλό κλώνο του DNA, οδηγώντας στη μετουσίωση του, δηλ. απόκλιση των νημάτων.

Ως αποτέλεσμα της ευθυγράμμισης και της μετουσίωσης της διπλής έλικας του DNA, σχηματίζεται μια διχάλα αντιγραφής σε σχήμα Υ (Εικόνα). Σε αυτή τη διχάλα αντιγραφής οι πολυμεράσες DNA συνθέτουν θυγατρικά μόρια DNA. Αυτό το κομμάτι DNA μοιάζει με φούσκα ή «μάτι» σε μη αναδιπλασιασμένο DNA. Τα «μάτια» της αναπαραγωγής σχηματίζονται σε εκείνα τα μέρη όπου βρίσκονται οι απαρχές της αναπαραγωγής. Όταν οι κλώνοι του DNA διαχωρίζονται, το μόριο γίνεται αρκετά κινητό. Όλες οι πιθανές παραβιάσεις στη δομή των μονών αλυσίδων εξαλείφονται λόγω της δράσης Πρωτεΐνες SSB (μονόκλωνες πρωτεΐνες που δεσμεύουν το DNA ή πρωτεΐνες αποσταθεροποίησης έλικας), οι οποίες, δεσμεύοντας σε μονούς κλώνους DNA, εμποδίζουν τη συγκόλληση μεταξύ τους.

1. Πότε γίνεται η αναπαραγωγή;- Στη συνθετική φάση της μεσοφάσης, πολύ πριν την κυτταρική διαίρεση. Η περίοδος μεταξύ της αντιγραφής και της πρόφασης της μίτωσης ονομάζεται μετασυνθετική φάση της μεσόφασης, κατά την οποία το κύτταρο συνεχίζει να αναπτύσσεται και ελέγχει εάν ο διπλασιασμός έχει συμβεί σωστά.

2. Αν υπήρχαν 46 χρωμοσώματα πριν από τον διπλασιασμό, πόσα θα είναι μετά τον διπλασιασμό;- Ο αριθμός των χρωμοσωμάτων δεν αλλάζει όταν το DNA διπλασιάζεται. Πριν από τον διπλασιασμό, ένα άτομο έχει 46 μονόκλωνα χρωμοσώματα (αποτελούμενα από μια διπλή έλικα DNA), και μετά τον διπλασιασμό, 46 διπλά χρωμοσώματα (αποτελούμενα από δύο πανομοιότυπες διπλές έλικες DNA που συνδέονται μεταξύ τους στο κεντρομερίδιο).

3. Γιατί χρειάζεται η αναπαραγωγή;- Έτσι, κατά τη διάρκεια της μίτωσης, κάθε θυγατρικό κύτταρο μπορεί να λάβει το δικό του αντίγραφο DNA. Κατά τη διάρκεια της μίτωσης, καθένα από τα 46 διπλά χρωμοσώματα χωρίζεται σε δύο μονά χρωμοσώματα. λαμβάνονται δύο σετ 46 μεμονωμένων χρωμοσωμάτων. αυτά τα δύο σύνολα αποκλίνουν σε δύο θυγατρικά κύτταρα.

Τρεις αρχές της δομής του DNA

Ημισυντηρητικός- κάθε θυγατρικό DNA περιέχει μία αλυσίδα από το μητρικό DNA και μία νεοσυντιθέμενη.

Συμπληρωματικότητα- AT/CG. Απέναντι από την αδενίνη ενός κλώνου DNA υπάρχει πάντα θυμίνη ενός άλλου κλώνου DNA και αντίθετα από την κυτοσίνη υπάρχει πάντα η γουανίνη.

Αντιπαραλληλισμός- Οι κλώνοι του DNA βρίσκονται απέναντι από τα άκρα τους. Αυτά τα άκρα δεν μελετώνται στο σχολείο, άρα λίγη λεπτομέρεια (και μετά στην άγρια ​​φύση).

Το μονομερές του DNA είναι ένα νουκλεοτίδιο, το κεντρικό τμήμα του νουκλεοτιδίου είναι η δεοξυριβόζη. Έχει 5 άτομα άνθρακα (στην πλησιέστερη εικόνα, η δεοξυριβόζη κάτω αριστερά έχει αριθμημένα άτομα). Ας δούμε: μια αζωτούχα βάση συνδέεται με το πρώτο άτομο άνθρακα, το φωσφορικό οξύ ενός δεδομένου νουκλεοτιδίου συνδέεται με το πέμπτο, το τρίτο άτομο είναι έτοιμο να προσκολλήσει το φωσφορικό οξύ του επόμενου νουκλεοτιδίου. Έτσι, κάθε αλυσίδα DNA έχει δύο άκρα:

• 5" άκρο, φωσφορικό οξύ βρίσκεται πάνω του.
• Το άκρο 3" περιέχει ριβόζη.

Ο αντιπαράλληλος κανόνας είναι ότι στο ένα άκρο ενός διπλού κλώνου DNA (για παράδειγμα, στο πάνω άκρο της πλησιέστερης εικόνας), ο ένας κλώνος έχει άκρο 5" και ο άλλος έχει άκρο 3". Είναι σημαντικό για τη διαδικασία αντιγραφής ότι η DNA πολυμεράση μπορεί να επεκτείνει μόνο το άκρο 3". Μια αλυσίδα DNA μπορεί να αναπτυχθεί μόνο στο άκρο 3" της.

Σε αυτή την εικόνα, η διαδικασία του διπλασιασμού του DNA συμβαίνει από κάτω προς τα πάνω. Μπορεί να φανεί ότι η αριστερή αλυσίδα μεγαλώνει προς την ίδια κατεύθυνση και η δεξιά προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Στην παρακάτω εικόνα κορυφαία νέα αλυσίδα("οδηγητικό σκέλος") επιμηκύνεται προς την ίδια κατεύθυνση στην οποία συμβαίνει ο διπλασιασμός. Κάτω νέα αλυσίδα("υστερούντες κλώνοι") δεν μπορούν να εκτείνονται προς την ίδια κατεύθυνση, γιατί εκεί έχει ένα άκρο 5", το οποίο, όπως θυμόμαστε, δεν μεγαλώνει. Επομένως, ο κάτω κλώνος μεγαλώνει με τη βοήθεια κοντού (100-200 νουκλεοτιδίων) Okazaki θραύσματα, καθένα από τα οποία αναπτύσσεται προς την κατεύθυνση 3". Κάθε θραύσμα Okazaki αναπτύσσεται από το άκρο 3" του εκκινητή ("RNA primers", οι εκκινητές είναι κόκκινοι στο σχήμα).

Ένζυμα αντιγραφής

Συνολική κατεύθυνση αντιγραφής- την κατεύθυνση στην οποία συμβαίνει ο διπλασιασμός του DNA.
Γονικό DNA- παλιό (μητρικό) DNA.
Πράσινο σύννεφο δίπλα στο "Parental DNA"- ένα ένζυμο ελικάσης που σπάει τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των αζωτούχων βάσεων της παλιάς (μητρικής) αλυσίδας DNA.
Γκρι οβάλ σε κλώνους DNA που μόλις έχουν διαχωριστεί μεταξύ τους- αποσταθεροποιητικές πρωτεΐνες που εμποδίζουν τη σύνδεση των κλώνων του DNA.
DNA pol III- DNA πολυμεράση, η οποία προσθέτει νέα νουκλεοτίδια στο άκρο 3" του ανώτερου (οδηγού, συνεχούς σύνθεσης) κλώνου DNA (Κορυφαίο σκέλος).
Primase- ένζυμο πριμάσης, που φτιάχνει αστάρι (κόκκινο κομμάτι Lego). Τώρα μετράμε τα primer από αριστερά προς τα δεξιά:

• Το πρώτο αστάρι είναι ακόμα ημιτελές, το primaza το φτιάχνει αυτή τη στιγμή.
• Από τον δεύτερο εκκινητή, η DNA πολυμεράση δημιουργεί DNA - προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κατεύθυνση του διπλασιασμού του DNA, αλλά προς την κατεύθυνση του άκρου 3".
• από τον τρίτο εκκινητή η αλυσίδα DNA έχει ήδη κατασκευαστεί (υστερούμενο σκέλος), έφτασε κοντά στο τέταρτο αστάρι.
• ο τέταρτος εκκινητής είναι ο συντομότερος επειδή η DNA πολυμεράση (DNA pol I)το αφαιρεί (γνωστός και ως RNA, δεν έχει καμία σχέση με το DNA, χρειαζόμασταν μόνο το σωστό άκρο από αυτό) και το αντικαθιστά με DNA.
• Το πέμπτο αστάρι δεν υπάρχει πλέον στην εικόνα, έχει κοπεί εντελώς, αφήνοντας ένα κενό στη θέση του. DNA λιγάση (λιγάση DNA)ράβει αυτό το σπάσιμο έτσι ώστε ο κάτω (υστερούμενος) κλώνος DNA να είναι άθικτος.

Το ένζυμο τοποϊσομεράση δεν υποδεικνύεται στη σούπερ εικόνα, αλλά θα εμφανιστεί αργότερα στις δοκιμές, οπότε ας πούμε λίγα λόγια για αυτό. Εδώ είναι ένα σχοινί που αποτελείται από τρία μεγάλα σκέλη. Εάν τρεις σύντροφοι πιάσουν αυτά τα τρία σκέλη και αρχίσουν να τα τραβούν προς τρεις διαφορετικές κατευθύνσεις, τότε πολύ σύντομα το σχοινί θα σταματήσει να ξετυλίγεται και θα κουλουριαστεί σε σφιχτές θηλιές. Το ίδιο θα μπορούσε να συμβεί με το DNA, το οποίο είναι ένα δίκλωνο σχοινί, αν όχι για την τοποϊσομεράση.

Η τοποϊσομέρωση κόβει έναν από τους δύο κλώνους DNA και μετά (δεύτερη εικόνα, κόκκινο βέλος) το DNA περιστρέφεται γύρω από έναν από τους κλώνους του, έτσι ώστε να μην σχηματίζονται σφιχτές θηλιές (μειώνεται η τοπολογική πίεση).

Υποδιπλασιασμός τερματικού

Από τη σούπερ εικόνα με τα ένζυμα αντιγραφής, είναι ξεκάθαρο ότι στη θέση που έμεινε μετά την αφαίρεση του εκκινητή, η DNA πολυμεράση συμπληρώνει το επόμενο θραύσμα Okazaki. (Είναι πραγματικά σαφές; Αν μη τι άλλο, τα θραύσματα Okazaki στον υπερ-πίνακα υποδεικνύονται με αριθμούς σε κύκλους.) Όταν η αναπαραγωγή στον υπερ-πίνακα φτάσει στο λογικό (αριστερό) τέλος του, τότε το τελευταίο (αριστερό) θραύσμα Okazaki δεν θα έχει ένα "επόμενο", έτσι δεν θα υπάρχει κανένας να συμπληρώσει το DNA στον κενό χώρο που απομένει μετά την αφαίρεση του εκκινητή.

Εδώ είναι ένα άλλο σχέδιο για εσάς. Ο μαύρος κλώνος του DNA είναι παλιός, μητρικός. Ο διπλασιασμός του DNA, σε αντίθεση με το υπερμοτίβο, συμβαίνει από αριστερά προς τα δεξιά. Δεδομένου ότι το νέο (πράσινο) DNA στα δεξιά έχει άκρο 5" υστερεί και εκτείνεται από μεμονωμένα θραύσματα (Okazaki). Κάθε θραύσμα Okazaki αναπτύσσεται από το άκρο 3" του εκκινητή του (μπλε ορθογώνιο). Οι εκκινητές, όπως θυμόμαστε, αφαιρούνται από την πολυμεράση DNA, η οποία σε αυτό το σημείο ολοκληρώνει το επόμενο θραύσμα Okazaki (αυτή η διαδικασία υποδεικνύεται με μια κόκκινη έλλειψη). Στο τέλος του χρωμοσώματος δεν υπάρχει κανένας να γεμίσει αυτό το τμήμα, αφού δεν υπάρχει επόμενο θραύσμα Okazaki, υπάρχει ήδη ένας κενός χώρος εκεί (Χάσμα). Έτσι, μετά από κάθε αντιγραφή, και τα δύο άκρα 5" των θυγατρικών χρωμοσωμάτων βραχύνονται (τελικός υποαναδιπλασιασμός).

Τα βλαστοκύτταρα (στο δέρμα, στον κόκκινο μυελό των οστών, στους όρχεις) πρέπει να διαιρούνται πολύ περισσότερο από 60 φορές. Επομένως, σε αυτά λειτουργεί το ένζυμο τελομεράση, το οποίο επιμηκύνει τα τελομερή μετά από κάθε αντιγραφή. Η τελομεράση επεκτείνει το προεξέχον άκρο 3" του DNA έτσι ώστε να μεγαλώσει στο μέγεθος του θραύσματος Okazaki. Μετά από αυτό, η πριμάση συνθέτει έναν εκκινητή πάνω του και η DNA πολυμεράση επεκτείνει το υπο-αντιγραφόμενο άκρο 5" του DNA.

Δοκιμές

1. Η αναπαραγωγή είναι μια διαδικασία κατά την οποία:
Α) λαμβάνει χώρα σύνθεση RNA μεταφοράς.
Β) Γίνεται σύνθεση DNA (αντιγραφή).
Γ) τα ριβοσώματα αναγνωρίζουν τα αντικωδικόνια.
Δ) σχηματίζονται πεπτιδικοί δεσμοί.

2. Αντιστοιχίστε τις λειτουργίες των ενζύμων που εμπλέκονται στην αντιγραφή των προκαρυωτών με τα ονόματά τους.

3. Κατά την αντιγραφή σε ευκαρυωτικά κύτταρα, αφαίρεση εκκινητών
Α) πραγματοποιείται από ένα ένζυμο με μόνο δραστικότητα DNAάσης
Β) σχηματίζει θραύσματα Okazaki
Β) εμφανίζεται μόνο σε υστερούντες κλώνους
Δ) εμφανίζεται μόνο στον πυρήνα

4. Εάν εξαγάγετε το DNA του βακτηριοφάγου fX174, θα διαπιστώσετε ότι περιέχει 25% A, 33% T, 24% G και 18% C. Πώς θα μπορούσατε να εξηγήσετε αυτά τα αποτελέσματα;
Α) Τα αποτελέσματα του πειράματος είναι λανθασμένα. κάπου υπήρχε ένα λάθος.
Β) Θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι το ποσοστό του Α είναι περίπου ίσο με αυτό του Τ, το οποίο ισχύει επίσης για τα C και G. Επομένως, ο κανόνας του Chargaff δεν παραβιάζεται, το DNA είναι δίκλωνο και αναπαράγεται ημισυντηρητικά.
Β) Δεδομένου ότι τα ποσοστά των Α και Τ και, κατά συνέπεια, των C και G είναι διαφορετικά, το DNA είναι ένας μονός κλώνος. αντιγράφεται από ένα ειδικό ένζυμο που ακολουθεί έναν ειδικό μηχανισμό αντιγραφής με ένα μόνο σκέλος ως πρότυπο.
Δ) Εφόσον ούτε το Α είναι ίσο με το Τ και ούτε το G είναι ίσο με το C, τότε το DNA πρέπει να είναι μονόκλωνο· αντιγράφεται συνθέτοντας τον συμπληρωματικό κλώνο και χρησιμοποιώντας αυτή τη δίκλωνη μορφή ως πρότυπο.

5. Το διάγραμμα αναφέρεται στην αντιγραφή δίκλωνου DNA. Για καθένα από τα τετράγωνα I, II, III, επιλέξτε ένα ένζυμο που λειτουργεί σε αυτήν την περιοχή.

Α) Τελομεράση
Β) DNA τοποϊσομεράση
Β) DNA πολυμεράση
Δ) ελικάση DNA
Δ) DNA λιγάση

6. Μια βακτηριακή καλλιέργεια από ένα μέσο με ένα ελαφρύ ισότοπο αζώτου (Ν-14) μεταφέρθηκε σε ένα μέσο που περιέχει ένα βαρύ ισότοπο (Ν-15) για χρόνο που αντιστοιχεί σε μία διαίρεση και στη συνέχεια επέστρεψε σε ένα μέσο με ελαφρύ άζωτο ισότοπο. Η ανάλυση της σύνθεσης του DNA των βακτηρίων μετά από μια περίοδο που αντιστοιχεί σε δύο επαναλήψεις έδειξε:

Επιλογές απάντηση	DNA
	φως	μέση τιμή	βαρύς
ΕΝΑ	3/4	1/4	-
σι	1/4	3/4	-
ΣΕ	-	1/2	1/2
σολ	1/2	1/2	-

7. Μια σπάνια γενετική ασθένεια χαρακτηρίζεται από ανοσοανεπάρκεια, νοητική και σωματική καθυστέρηση και μικροκεφαλία. Ας υποθέσουμε ότι σε ένα εκχύλισμα DNA από έναν ασθενή με αυτό το σύνδρομο βρήκατε σχεδόν ίσες ποσότητες μακρών και πολύ σύντομων τμημάτων DNA. Ποιο ένζυμο είναι πιο πιθανό να λείπει/ελαττωματικό σε αυτόν τον ασθενή;
Α) DNA λιγάση
Β) Τοποϊσομεράση
Β) DNA πολυμεράση
Δ) Ελικάση

8. Το μόριο DNA είναι μια διπλή έλικα που περιέχει τέσσερις διαφορετικούς τύπους αζωτούχων βάσεων. Ποια από τις παρακάτω προτάσεις τόσο για την αντιγραφή όσο και για τη χημική δομή του DNA είναι σωστή;
Α) Οι ακολουθίες βάσεων των δύο κλώνων είναι ίδιες.
Β) Σε μια διπλή έλικα DNA, η περιεκτικότητα σε πουρίνες είναι ίση με την περιεκτικότητα σε πυριμιδίνες.
Γ) Και οι δύο αλυσίδες συντίθενται στην κατεύθυνση 5’→3’ συνεχώς.
Δ) Η προσθήκη της πρώτης βάσης του νεοσυντιθέμενου νουκλεϊκού οξέος καταλύεται από την DNA πολυμεράση.
Ε) Η δραστηριότητα διόρθωσης σφάλματος της DNA πολυμεράσης εμφανίζεται στην κατεύθυνση 5’→3’.

9. Οι περισσότερες πολυμεράσες DNA έχουν επίσης τη δράση:
Α) λιγάση;
Β) ενδονουκλεάση;
Β) 5"-εξωνουκλεάση;
Δ) 3"-εξωνουκλεάση.

10. Η ελικάση DNA είναι ένα βασικό ένζυμο αντιγραφής του DNA που ξετυλίγει το δίκλωνο DNA σε μονόκλωνο DNA. Ένα πείραμα για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων αυτού του ενζύμου περιγράφεται παρακάτω.

Ποια από τις παρακάτω προτάσεις σχετικά με αυτό το πείραμα είναι σωστή;
Α) Η ζώνη που εμφανίζεται στην κορυφή του πηκτώματος είναι μόνο ssDNA, μεγέθους 6,3 kb.
Β) Η ταινία που εμφανίζεται στο κάτω μέρος της γέλης είναι σημασμένο με 300bp DNA.
Β) Εάν το υβριδοποιημένο DNA υποβληθεί σε επεξεργασία μόνο με ελικάση DNA και η αντίδραση εκτελεστεί μέχρι την ολοκλήρωση, η διάταξη των ζωνών μοιάζει με αυτή που φαίνεται στη λωρίδα 3 στο β.
Δ) Εάν το υβριδοποιημένο DNA υποβληθεί σε επεξεργασία με βρασμό μόνο χωρίς επεξεργασία ελικάσης, η διάταξη ζώνης εμφανίζεται όπως φαίνεται στη λωρίδα 2 στο β.
Ε) Εάν το υβριδοποιημένο DNA υποβληθεί σε επεξεργασία μόνο με βρασμένη ελικάση, η διάταξη της ζώνης μοιάζει με αυτή που φαίνεται στη λωρίδα 1 στο β.

Περιφερειακή Ολυμπιάδα 2001
- Πανρωσική Ολυμπιάδα 2001
- Διεθνής Ολυμπιάδα 2001
- Διεθνής Ολυμπιάδα 1991
- Διεθνής Ολυμπιάδα 2008
- Περιφερειακή Ολυμπιάδα 2008
- Διεθνής Ολυμπιάδα 2010
Μπορείτε να βρείτε τα πλήρη κείμενα αυτών των Ολυμπιάδων.