Биосинтез нуклеиновых кислот (анаболизм). Репликация

1. Суть, значение
2. Исходный материал, матричная схема. Фермент (ферменты).
3. Механизм. Направление синтеза дочерней цепи.
4. Этапы. Рассказ о механизме постадийно.
5. Особенности процесса у эукариот.
План характеристики процессов репликации и транскрипции

Репликация ДНК.
РЕПЛИКАЦИЯ (от позднелат. replicatio - повторение) (редупликация), самовоспроизведение ДНК обеспечивающее точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению.
Синтез ДНК на ДНК-матрице в S-период (синтетический период) интерфазы митоза

Гипотеза о механизме репликации сформулирована в 1953 Дж. Уотсоном и Ф. Криком, которые предположили, что две комплементарные цепи ДНК после их разделения могут выполнять функции матриц для образования на них новых цепей ДНК.
В 1958 М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально подтвердили такой механизм репликации.
Исходным материалом для синтеза нуклеиновых кислот являются нуклеозидтрифосфаты, поэтому в клетках всегда должен быть их полный набор.

Почему исходными веществами являются дНТФ??
При отщеплении дифосфата при построении новой цепи каждый раз выделяется энергия, необходимая для синтеза второй цепи ДНК.Следовательно,исходным материалом и источником энергии для синтеза дочерней цепи ДНК являются дАТФ,дГТФ, дЦТФ,дТТФ,
Для смещения процесса вправо дифосфат (пирофосфат) гидролизуется. Полученный фосфат тут же расходуется и реакция смещается вправо.

В процессе репликации двойная спираль ДНК, состоящая из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, раскручивается на отдельные цепи и одновременно начинается синтез новых полинуклеотидных цепей; при этом исходные цепи ДНК играют роль матриц.
Когда процесс завершается, образуются две идентичные двойные спирали, каждая из которых состоит из одной материнской(исходной) и одной новой цепи.
Таким образом, одна из материнских цепей входит в каждую дочернюю ДНК – это так называемый полуконсервативный механизм репликации.

Репликация, как и любой процесс матричного синтеза, состоит из 3 этапов::
Инициация (зарождение цепи)
2. Элонгация (рост цепи)
Терминация (обрыв цепи)
Все эти этапы репликации, протекающие с высокой скоростью и исключительной точностью, обеспечивает комплекс, состоящий более чем из 20 ферментов и белков - так называемая ДНК-репликазная система, или реплисома.

Рассмотрим процесс репликации в прокариотической клетке, состоящий из нескольких стадий.
Инициация – создание репликативной вилки.
На ДНК прокариот есть одна точка начала репликации – orijin. . Ориджин репликации имеют определённую нуклеотидную последовательность В ходе инициации происходит расплетение двойной спирали ДНК матрицы и образование репликативной вилки в месте точки начала репликации. Участвуют в этом процессе ферменты ДНК-топоизомераза 1, ДНК-хеликаза и белки, связывающиеся с одноцепочечными участками ДНК (SSВ-белки). ДНК-топоизомераза 1 присоединяется к участку ориджина, расщепляет одну из цепей ДНК и связывается с фосфатным остатком в точке разрыва, происходит сброс супервитков и раскручивание двуцепочечной нити ДНК. В область разрыва присоединяются молекула ДНК-хеликазы, которая, используя энергию АТФ, разрывает водородные связи между комплементарными основаниями и разделяют цепи ДНК.
На развод 1 пары комплементарных азотистых оснований расходуется 2 молекулы АТФ.
ДНК-связывающие белки имеют сродство с одноцепочечной ДНК и временно эти цепи раздвинуты благодаря им. Нити ДНК находятся в растянутом виде, таким образом создаются условия для синтеза ДНК дочерних цепей.

Элонгация
Дочерние нити ДНК образуются на обеих нитях материнской ДНК. Этот процесс катализирует несколько ДНК-полимераз, которые синтезируют полинуклеотидные цепи из дНТФ в направлении от 5'- к 3'- концу на антипараллельной матрице, имеющей направление от 3'- к 5'- концу. Новые цепи синтезируются неодинаково. На матрице ДНК с направлением от 3'→5' концу цепь растет непрерывно по ходу движения репликативной вилки и называется лидирующей (образуется лишь 1 праймер).
Другие специфические белки помогают праймазе получить доступ к матрице отстающей цепи. В результате праймаза связывается с ДНК и синтезирует РНК-затравки для фрагментов отстающей цепи. На матрице с направлением 5'-→3'- концу вторая цепь синтезируется против движения репликативной вилки в виде коротких отрезков — фрагментов Оказаки (по имени ученого, впервые обнаружившего их образование).

Итак, репликационная вилка асимметрична. Из двух синтезируемых дочерних цепей ДНК одна строится непрерывно, а другая - с перерывами.
Первая цепь - ведущая, или лидирующая.
Вторая цепь - отстающая.
Синтез второй цепи идет медленнее.
В качестве затравок для синтеза фрагментов отстающей цепи служат короткие отрезки РНК, комплементарные матричной цепи ДНК. Эти РНК-затравки (праймеры), состоящие примерно из 10 нуклеотидов, с определенными интервалами синтезируются на матрице отстающей цепи из рибонуклеозидтрифосфатов в направлении 5' ---: 3' с помощью фермента РНК-праймазы.

РНК-праймеры затем наращиваются дезоксину-клеотидами с 3'-конца ДНК-полимеразой -III, которая про-должает наращивание до тех пор, пока строящаяся цепь не достигает РНК-затравки, присоединенной к 5'-концу предыдущего фрагмента. Образующиеся таким образом фрагменты (так же называемые фрагменты Оказаки) отстающей цепи насчитывают у бактерий 1000-2000 дез-оксирибонуклеотидных остатков; в животных клетках их длина не превышает 200 нуклеотидов.
У прокариот и, в частности, у бактерий E. coli, описаны три ДНК-полимеразы - Pol I , Pol II и Pol III , первая из которых ответственна главным образом за репарацию ДНК, третья - за репликацию ДНК, а функция второй - в замене Pol III в крайних ситуациях, таких, например, как мутагенная репарация ДНК

Элонгация
А - ведущая цепь;
Б - отстающая цепь;
В - фрагмент Оказаки.

Для образования непрерывной цепи ДНК из многих таких фрагментов, в действие вступает особая система репа-рации ДНК, удаляющая РНК-затравку и заменяющая ее на ДНК. У бактерий РНК-затравка удаляется с помощью РНК-азы, специфически расщепляющей РНК в РНК-ДНК гибридах.Одновременно с удалением праймеров происходит .застройка образовавшейся бреши ДНК-полимеразой-I. При этом каждый отщепленный рибонуклеотидный мономер замещается соответствующим дезоксирибонуклеотидом.
Завершает весь процесс фермент ДНК-лигаза, катализирующий образование фосфодиэфирной связи между группой З'-ОН нового фрагмента ДНК и 5'-фосфатной группой предыдущего фрагмента. Образование этой связи требует затраты энергии, которая поставляется в ходе сопряженного гидролиза пирофосфатной связи кофермента-никотинамид-адениндинуклеотида (в бактериальных клетках) или АТФ (в животных клетках и у бактериофагов).

Терминации нет фактически, так как она происходит при окончании молекулы матричной ДНК. Скорость построения цепи у прокариот :1000 нуклеотидов в секунду. В среднем вся ДНК прокариот реплицируется за 40-60 секунд.
Благодаря сложному системному процессу, ошибка составляет 10 в 10 степени.
О репликации эукариот известно меньше:
. Используется 5 ДНК- полимераз;
. Фрагменты Оказаки в 100 раз меньше;
. Репликативные вилки двигаются медленнее(50 нуклеотидов в секунду);
. В целом репликация хромосом эукариот в 10 раз быстрее чем у прокариот за счет большого числа репликативных вилок и точек начала синтеза.