2. Матричные процессы. Репликон и типы репликации днк. Стабильность наследования генетических структур.

Ответ. ДНК – это полимерная двухцепочечная молекула, построенная по принципу комплементарности. Размер молекулы ДНК измеряется числом пар комплементарных нуклеотидов – от нескольких тысяч пар нуклеотидов (т. п. н.) до миллионов пар нуклеотидов (м. п. н.). Молекулы ДНК представляют собой генетическую информацию, важной единицей которой являются гены – элементарные носители, кодирующие информацию о синтезе одного определенного продукта. Поэтому каждый ген характеризуется строго определенной последовательностью нуклеотидов. Большая часть генов содержит информацию о строении белков, а некоторые кодируют только определенные молекулы РНК (например, рибосомальную РНК). Среди функций выполняемых НК выделяют три главные: хранение генетической информации: передача генетической информации; реализация генетической информации. НК также выполняют и другие функции: катализируют некоторые химические реакции, осуществляют структурные, регуляторные и др. функции. Генетическая информация передается от родителей к потомкам, от материнской клетки дочерним. Дочерние клетки получают генетическую информацию идентичную материнской. Это происходит вследствие того, что перед делением клетки осуществляется репликация ДНК, в результате этого образуются две идентичные молекулы ДНК, которые и передаются дочерним клеткам. Закодированная в ДНК генетическая информация в процессе ее реализации переписывается на иРНК. Этот процесс носит название транскрипция. иРНК используется в качестве матрицы для синтеза закодированного в ней белка. Существует поток информации и в направлении от РНК к ДНК, этот процесс называется обратная транскрипция. Описанные информационные взаимоотношения получили название основная догма молекулярной биологии и могут быть представлены в виде схемы: ДНК– РНК– Белок. Репликация ДНК – это молекулярный процесс точного копирования молекул ДНК (ее нуклеотидной последовательности). В результате репликации НК образуются дочерние молекулы, нуклеотидные последовательности которых идентичны как между собой, так и с материнской молекулой НК. Репликации может подвергаться как ДНК, так и РНК (у РНК-содержащих вирусов). В основе репликации лежит принцип комплементарности. Различают три типа репликации: полуконсервативный, консервативный, дисперсный. В случае полуконсервативного типа репликации вновь синтезированная молекула НК состоит из одной материнской и одной дочерней полинуклеотидных цепей. При консервативной репликации вновь синтезированная молекула НК состоит только из дочерних полинуклеотидных последовательностей, а при дисперсной репликации вновь синтезированная полинуклеотидная цепь НК состоит из фрагментов дочерних и материнских полинуклеотидных последовательностей. Для прокариот и эукариот характерен полуконсервативный тип репликации. У вирусов встречаются все три типа репликации. В процессе репликации цепи материнской молекулы ДНК расходятся, и на каждой строится новая комплементарная цепь. В результате из одной двойной спирали образуется две, идентичные исходной. Т. е. из одной молекулы ДНК образуются две, идентичные матричной и между собой. Таким образом, репликация ДНК происходит полуконсервативным способом, когда каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую цепь и одну вновь синтезированную. Расхождение цепей исходной молекулы ДНК обеспечивает фермент хеликаза, который в определенных местах хромосом разрывает водородные связи между азотистыми основаниями ДНК. Хеликазы перемещаются по ДНК с затратой энергии АТФ. Чтобы цепочки снова не соединились, они удерживаются на расстоянии друг от друга дестабилизирующими белками. Белки выстраиваются в ряд со стороны пентозо-фосфатного остова цепи. В результате образуются зоны репликации, называемые репликационными вилками. Репликационные вилки образуются не в любых местах ДНК, а только в точках начала репликации, состоящих из определенной последовательности нуклеотидов (около 300 штук). Такие места распознаются специальными белками, после чего образуется так называемый репликационный глаз, в котором расходятся две цепи ДНК. Из точки начала репликация может идти как в одном, так и в двух направлениях по длине хромосомы. В последнем случае цепи ДНК расходятся вперед и назад, и из одного репликационного глазка образуются две репликационные вилки. Репликон – единица репликации ДНК, от точки ее начала и до точки ее окончания. Фермент топоизомераза разрывает одну из цепей ДНК. Отсоединенный участок проворачивается на 360 °С вокруг второй целой цепи и снова соединяется со своей цепью. Этим снимается напряжение, т. е. устраняются супервитки. Каждая отдельная цепь ДНК старой молекулы используется в качестве матрицы для синтеза новой комплементарной себе цепи. Добавление нуклеотидов к растущей дочерней цепи обеспечивает фермент ДНК-полимераза. Существует несколько разновидностей полимераз. В репликационной вилке к освободившимся водородным связям цепей согласно принципу комплиментарности присоединяются свободные нуклеотиды, находящиеся в нуклеоплазме. Присоединяющиеся нуклеотиды представляют собой дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дНТФ), а конкретно дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ.После образования водородных связей фермент ДНК-полимераза связывает нуклеотид фосфоэфирной связью с последним нуклеотидом синтезируемой дочерней цепи. При этом отделяется пирофосфат, включающий два остатка фосфорной кислоты, который потом расщепляется на отдельные фосфаты. Реакция отщепления пирофосфата в результате гидролиза энергетически выгодна, так как связь между первым, который уходит в цепь, и вторым фосфатными остатками богата энергией. Эта энергия используется полимеразой. Полимераза не только удлиняет растущую цепь, но и способна отсоединять ошибочные нуклеотиды, т. е. обладает корректирующей способностью. Если последний нуклеотид, который должен быть присоединен к новой цепи, не комплементарен матричному, то полимераза его удалит. ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к -OH группе, находящейся при 3-м атоме углерода дезоксирибозы. Таким образом цепь синтезируется только со стороны своего 3´-конца. То есть синтез новой цепи ДНК идет в направлении от 5´- к 3´-концу. Поскольку в двуцепочечной молекуле ДНК цепи антипараллельны, то процесс синтеза по материнской, или матричной, цепи идет в обратном направлении – от 3´- к 5´-концу. Поскольку цепи ДНК антипараллельны, а синтез новой цепи возможен только в направлении 5´→3´, то в репликационной вилке дочерние цепи будут синтезироваться в разных направлениях. На матрице 3´→5´ сборка новой полинуклеотидной последовательности происходит по большей части непрерывно, так как эта цепь синтезируется в направлении 5´→3´. Антипараллельная матрица характеризуется 5´→3´ направлением, поэтому синтез дочерней цепи по ходу движения вилки здесь не возможен. Здесь он был бы 3´→5´, но ДНК-полимера не может присоединять к 5´-концу. Поэтому синтез на матрице 5´→3´ выполняется небольшими участками – фрагментами Оказаки. Каждый фрагмент синтезируется в обратном ходу образования вилки направлении, что обеспечивает соблюдение правила сборки от 5´- к 3´-концу. Другим «недостатком» полимеразы является то, что она не может сама начать синтез участка дочерней цепи. Причина этого кроется в том, что ей необходим -OH-конец нуклеотида, уже соединенного с цепью. Поэтому необходима затравка, или праймер. Им выступает короткая молекула РНК, синтезируемые ферментом РНК-праймазой и спаренная с матричной цепью ДНК. Синтез каждого участка Оказаки начинается со своей РНК-затравки. Та цепь, которая синтезируется непрерывно, обычно имеет один праймер. После удаления праймеров и застраивания брешей ДНК-полимеразой отдельные участки дочерней цепи ДНК сшиваются между собой ферментом ДНК-лигазой. Непрерывная сборка идет быстрее, чем фрагментарная. Поэтому одна из дочерних цепей ДНК называется лидирующей, или ведущей, вторая – запаздывающей, или отстающей. У прокариот репликация протекает быстрее: примерно 1000 нуклеотидов в секунду. В то время как у эукариот только около 100 нуклеотидов. Количество нуклеотидов в каждом фрагменте Оказаки у эукариот составляет примерно до 200, у прокариот – до 2000. У прокариот кольцевые молекулы ДНК представляют собой один репликон. У эукариот каждая хромосома может содержать множество репликонов. Поэтому синтез начинается в нескольких точках, одновременно или нет. Ферменты и другие белки репликации действуют совместно, образуя комплекс и двигаясь по ДНК. Всего в процессе участвует около 20 разных белков.