Vodilna veriga pri replikaciji DNK. Procesi replikacije in transkripcije

Replikacija DNK je proces njegovega podvojitve pred delitvijo celice. Včasih se imenuje "podvajanje DNK". Podvojitev se pojavi v S-fazi medfaze celičnega cikla.

Očitno je samokopiranje genskega materiala v prostoživečih živalih nujno. Le tako lahko hčerinske celice, ki nastanejo med celično delitvijo, vsebujejo toliko DNK, kot je bilo prvotno v prvotni. Zahvaljujoč replikaciji se vse genetsko programirane značilnosti strukture in presnove prenašajo v več generacijah.

V procesu celične delitve gre vsaka molekula DNK iz para enakih v svojo hčerinsko celico. To zagotavlja natančen prenos dednih informacij.

Med sintezo DNK se energija porablja, to je proces, ki porabi energijo.

Mehanizem replikacije DNK

Sama molekula DNK (brez podvajanja) je dvojna vijačnica. V procesu reduplikacije se vodikove vezi med dvema komplementarnima verigama pretrgajo. In na vsaki posamezni verigi, ki sedaj služi kot šablona-matrika, se zgradi nova komplementarna veriga. Tako nastaneta dve molekuli DNK. Za vsako dobi eno verigo iz materine DNK, druga je na novo sintetizirana. Zato je mehanizem replikacije DNK polkonzervativen(ena veriga stara, ena nova). Ta mehanizem replikacije je bil dokazan leta 1958.

V molekuli DNK so verige antiparalelne. To pomeni, da gre en pramen v smeri od konca 5" do 3", komplementarni pa obratno. Številki 5 in 3 označujeta število ogljikovih atomov v deoksiribozi, ki je del vsakega nukleotida. Nukleotidi so preko teh atomov povezani s fosfodiestrovskimi vezmi. In kjer ima ena veriga 3 "veze, druga 5", saj je obrnjena, torej gre v drugo smer. Zaradi jasnosti si lahko predstavljate, da si položite roko na roko, kot prvošolec, ki sedi za mizo.

Glavni encim, ki izvaja razširitev nove verige DNK, je sposoben to storiti samo v eni smeri. Namreč: pritrditi nov nukleotid le na 3" konec. Tako lahko gre sinteza le v smeri od 5" do 3".

Verige so antiparalelne, kar pomeni, da mora iti sinteza do njih v različnih smereh. Če bi se verige DNK najprej popolnoma razšle, nato pa bi na njih zgradili novo komplementarno, potem to ne bi bil problem. V resnici se verige v določenem delu razlikujejo začetne točke replikacije, in na teh mestih na matrikah se takoj začne sinteza.

Tako imenovani replikacijske vilice. Hkrati na eni nadrejeni verigi poteka sinteza v smeri razhajanja vilic in ta sinteza poteka neprekinjeno, brez prekinitev. Na drugi predlogi poteka sinteza v nasprotni smeri od smeri razhajanja verig prvotne DNK. Zato lahko taka povratna sinteza poteka le v delih, ki se imenujejo drobci Okazakija. Kasneje se takšni fragmenti "šijejo" skupaj.

Imenuje se podrejena veriga, ki se nenehno ponavlja vodi ali vodi. Tisti, ki je sintetiziran skozi Okazakijeve fragmente - zaostajanje ali zaostajanje ker je razdrobljena replikacija počasnejša.

Na diagramu se verige matične DNK postopoma razhajajo v smeri, v kateri se sintetizira vodilna hčerinska veriga. Sinteza zaostajajoče verige poteka v nasprotni smeri kot divergenca, zato jo je treba izvajati po delih.

Druga značilnost glavnega encima za sintezo DNK (polimeraze) je, da ne more začeti same sinteze, ampak se samo nadaljuje. Potrebuje temeljni premaz ali temeljni premaz. Zato se na starševski verigi najprej sintetizira majhna komplementarna regija RNA, nato se veriga podaljša s polimerazo. Kasneje se temeljni premazi odstranijo in luknje zazidajo.

Na diagramu so semena prikazana samo na zaostajajoči verigi. Pravzaprav so na vodilnem mestu. Vendar je tukaj potreben le en temeljni premaz na vilice.

Ker se verige materine DNK ne razlikujejo vedno od koncev, ampak na točkah inicializacije se pravzaprav ne tvorijo toliko vilic kot oči ali mehurčki.

Vsak mehurček ima lahko dve vilici, kar pomeni, da se verige razhajajo v dveh smereh. Vendar pa lahko naredijo samo eno. Če je kljub temu neskladje dvosmerno, potem bo od točke inicializacije na eni verigi DNK sinteza potekala v dveh smereh - naprej in nazaj. V tem primeru se bo kontinuirana sinteza izvajala v eni smeri, Okazakijevi fragmenti pa v drugi smeri.

Prokariontska DNK ni linearna, ampak ima krožno strukturo in samo en izvor replikacije.

Na diagramu sta dve verigi matične molekule DNK prikazani v rdeči in modri barvi. Novi filamenti, ki se sintetizirajo, so prikazani s pikčastimi črtami.

Pri prokariotih je samokopiranje DNK hitrejše kot pri evkariontih. Če je stopnja reduplikacije pri evkariontih na stotine nukleotidov na sekundo, potem pri prokariotih doseže tisoč ali več.

Encimi za replikacijo

Replikacijo DNK izvaja kompleks encimov, ki se imenujejo replisome. Skupno je več kot 15 encimov in proteinov replikacije, najpomembnejši pa so navedeni spodaj.

Glavni encim replikacije je že omenjeni DNK polimeraza(pravzaprav obstaja več različnih), ki neposredno izvaja rast verige. To ni edina funkcija encima. Polimeraza je sposobna "preveriti", kateri nukleotid se poskuša pridružiti koncu. Če ni primeren, ga izbriše. Z drugimi besedami, delno popravilo DNK, to je njeno popravljanje replikacijskih napak, se pojavi že v fazi sinteze.

Nukleotidi, ki jih najdemo v nukleoplazmi (ali citoplazmi pri bakterijah), obstajajo v obliki trifosfatov, torej niso nukleotidi, ampak deoksinukleozid trifosfati (dATP, dTTP, dGTP, dCTP). Podobni so ATP, ki ima tri fosfatne ostanke, od katerih sta dva povezana z makroergičnimi vezmi. Ko se te vezi pretrgajo, se sprosti veliko energije. Tudi v deoksinukleozidnih trifosfatih sta dve vezi makroergični. Polimeraza loči zadnja dva fosfata in uporabi sproščeno energijo za reakcijo polimerizacije DNK.

encim helikaza loči verige matrične DNK tako, da prekine vodikove vezi med njimi.

Ker je molekula DNK dvojna vijačnica, prekinitev vezi izzove še več zvijanja. Predstavljajte si vrv dveh vrvi, zasukanih ena proti drugi, in na eni strani potegnete en konec v desno, drugega v levo. Tkani del bo postal še bolj zvit, bolj tesen.

Da bi odpravili takšno napetost, je potrebno, da se dvojna vijačnica, ki se še ni razbila, hitro vrti okoli svoje osi in "ponastavi" nastalo superzvitje. Vendar je to preveč energijsko potratno. Zato se v celicah izvaja drugačen mehanizem. encim topoizomeraza prelomi eno od niti, drugo prestavi skozi vrzel in ponovno zašije prvo. To odpravlja nastajajoče supertuljave.

Niti matrične DNK, ki so se razpršili zaradi delovanja helikaze, se poskušajo ponovno povezati s svojimi vodikovimi vezmi. Da se to ne bi zgodilo, DNA vezavni proteini. Niso encimi v smislu, da ne katalizirajo reakcij. Takšni proteini so pritrjeni na verigo DNK po vsej njeni dolžini in ne dovolijo, da bi se komplementarne verige vzorčne DNK zaprle.

Primerji so sintetizirani RNA primaza. In so odstranjeni eksonukleaza. Ko je temeljni premaz odstranjen, druga vrsta polimeraze ustvari "luknjo". Vendar v tem primeru posamezni deli DNK niso spojeni.

Ločene dele sintetizirane verige zamreži encim za replikacijo, kot je DNK ligaza.

Nukleinske kisline igrajo pomembno vlogo pri zagotavljanju vitalne aktivnosti celic živih organizmov. Pomemben predstavnik te skupine organskih spojin je DNK, ki nosi vse genetske informacije in je odgovorna za manifestacijo potrebnih lastnosti.

Kaj je replikacija?

V procesu delitve celice je treba povečati količino nukleinskih kislin v jedru, da pri tem ne pride do izgube genetskih informacij. V biologiji je replikacija podvajanje DNK s sintezo novih verig.

Glavni cilj tega procesa je prenos genetske informacije v hčerinske celice v nespremenjeni obliki brez kakršnih koli mutacij.

Encimi in proteini replikacije

Podvajanje molekule DNK lahko primerjamo s katerim koli presnovnim procesom v celici, ki zahteva ustrezne beljakovine. Ker je replikacija pomembna komponenta celične delitve v biologiji, je zato tukaj vključenih veliko pomožnih peptidov.

• DNA polimeraza je najpomembnejši reduplikacijski encim, ki je odgovoren za sintezo hčerinske verige.V citoplazmi celice je v procesu replikacije obvezna prisotnost nukleinskih trifosfatov, ki prinašajo vse nukleinske baze.

Te baze so monomeri nukleinskih kislin, zato je iz njih zgrajena celotna veriga molekule. DNK polimeraza je odgovorna za postopek sestavljanja v pravilnem vrstnem redu, sicer je pojav vseh vrst mutacij neizogiben.

• Primaza je protein, ki je odgovoren za tvorbo primera na verigi DNK predloge. Temu primeru pravimo tudi primer; vsebuje začetne monomere, iz katerih je možna nadaljnja sinteza celotne polinukleotidne verige za encim DNA polimerazo. To funkcijo opravlja temeljni premaz in njegov ustrezen encim.
• Helikaza (helikaza) tvori replikacijsko vilico, ki je razhajanje matričnih verig s pretrganjem vodikovih vezi. Tako se polimeraze lažje približajo molekuli in začnejo sintezo.
• Topoizomeraza. Če si molekulo DNK predstavljate kot zvito vrv, se bo ob gibanju polimeraze po verigi zaradi močnega zvijanja oblikovala pozitivna napetost. Ta problem rešuje topoizomeraza, encim, ki za kratek čas prekine verigo in razgrne celotno molekulo. Po tem se poškodovano območje ponovno zašije in DNK ne doživi stresa.
• Proteini Ssb se kot grozdi pritrdijo na verige DNK na replikacijskih vilicah, da preprečijo ponovno tvorbo vodikovih vezi pred koncem procesa reduplikacije.
• Ligaz. sestoji iz šivanja Okazakijevih fragmentov na zaostajajoči verigi molekule DNK. To se zgodi z izrezovanjem temeljnih premazov in vstavljanjem naravnih monomerov deoksiribonukleinske kisline na njihovo mesto.

V biologiji je replikacija kompleksen večstopenjski proces, ki je izjemno pomemben pri delitvi celic. Zato je za učinkovito in pravilno sintezo potrebna uporaba različnih beljakovin in encimov.

mehanizem reduplikacije

Obstajajo 3 teorije, ki pojasnjujejo proces podvajanja DNK:

1. Konzervativna trdi, da ima ena hčerinska molekula nukleinske kisline matrično naravo, druga pa je popolnoma sintetizirana iz nič.
2. Polkonservativno, ki sta ga predlagala Watson in Crick in potrjena leta 1957 v poskusih na E. Coli. Ta teorija pravi, da imata obe hčerinski molekuli DNK eno staro verigo in eno na novo sintetizirano.
3. Mehanizem disperzije temelji na teoriji, da imajo hčerinske molekule izmenično po celotni dolžini, sestavljene iz starih in novih monomerov.

Sedaj je znanstveno dokazan polkonzervativni model. Kaj je replikacija na molekularni ravni? Na začetku helikaza prekine vodikove vezi molekule DNK in s tem odpre obe verigi za encim polimerazo. Slednji po nastanku semen začnejo s sintezo novih verig v smeri 5'-3'.

Lastnost antiparalelnosti DNK je glavni razlog za nastanek vodilnih in zaostajajočih pramenov. Na vodilni verigi se DNK polimeraza neprekinjeno premika, na zaostajajoči pa tvori Okazakijeve fragmente, ki bodo v prihodnosti povezani s pomočjo ligaze.

Značilnosti replikacije

Koliko molekul DNK je v jedru po replikaciji? Sam proces pomeni podvojitev genetskega nabora celice, zato ima v sintetičnem obdobju mitoze diploidni niz dvakrat več molekul DNK. Tak vnos je običajno označen kot 2n 4c.

Poleg biološkega pomena replikacije so znanstveniki našli aplikacije za proces na različnih področjih medicine in znanosti. Če je v biologiji replikacija podvajanje DNK, se v laboratoriju uporablja reprodukcija molekul nukleinske kisline za ustvarjanje več tisoč kopij.

Ta metoda se imenuje polimerazna verižna reakcija (PCR). Mehanizem tega procesa je podoben replikaciji in vivo, zato se za njegov potek uporabljajo podobni encimi in puferski sistemi.

ugotovitve

Replikacija je velikega biološkega pomena za žive organizme. Prenos med celično delitvijo ni popoln brez podvajanja molekul DNK, zato je usklajeno delo encimov pomembno v vseh fazah.

1. Kdaj pride do replikacije?- V sintetični fazi interfaze, veliko pred celično delitvijo. Obdobje med replikacijo in profazo mitoze se imenuje postsintetična faza interfaze, v kateri celica še naprej raste in preverja, ali je do podvojitve prišlo pravilno.

2. Če je bilo pred podvojitvijo 46 kromosomov, koliko jih bo po podvojitvi?- Število kromosomov se ne spremeni, ko se DNK podvoji. Pred podvojitvijo ima oseba 46 enojnih kromosomov (sestavljenih iz ene dvojne verige DNK), po podvojitvi pa 46 dvojnih kromosomov (sestavljenih iz dveh enakih dvojnih verig DNK, med seboj povezanih na centromeri).

3. Zakaj potrebujemo replikacijo?- Tako, da lahko med mitozo vsaka hčerinska celica prejme svojo kopijo DNK. Med mitozo se vsak od 46 dvojnih kromosomov razdeli na dva enojna; dobimo dva niza po 46 posameznih kromosomov; ta dva niza se razideta v dve hčerinski celici.

Trije principi strukture DNK

polkonzervativen- vsaka hčerinska DNK vsebuje eno verigo iz matične DNK in eno na novo sintetizirano.

komplementarnost- AT/CH. Nasproti adenina ene verige DNK je vedno timin druge verige DNK, nasproti citozina je vedno gvanin.

antiparalelizem Niti DNK so si nasproti. Teh koncev se v šoli ne študira, zato še malo (in dalje - v divjino).

Monomer DNK je nukleotid, osrednji del nukleotida je deoksiriboza. Ima 5 atomov ogljika (na najbližji sliki so spodnji levi atomi deoksiriboze oštevilčeni). Gledamo: na prvi atom ogljika je pritrjena dušikova baza, na peti je pritrjena fosforna kislina danega nukleotida, tretji atom je pripravljen, da pritrdi fosforno kislino naslednjega nukleotida. Tako ima vsaka veriga DNK dva konca:

• 5"-konca, na njem se nahaja fosforna kislina;
• 3"-konec, na njem se nahaja riboza.

Pravilo antiparalelizma je, da ima na enem koncu dvojne verige DNK (na primer na zgornjem koncu najbližje figure) ena veriga 5" konec, druga pa 3" konec. Za proces replikacije je pomembno, da lahko DNK polimeraza podaljša le 3" konec. Veriga DNK lahko raste samo na svojem 3" koncu.

Na tej sliki proces podvajanja DNK poteka od spodaj navzgor. Vidi se, da leva veriga raste v isti smeri, desna pa v nasprotni smeri.

Naslednja slika top nova veriga("vodilni pramen") se podaljša v isti smeri, ko pride do podvojitve. Spodnja nova veriga("zaostala veriga") se ne more podaljšati v isto smer, ker ima tam 5" konec, ki, kot se spomnimo, ne raste. Zato spodnja veriga raste s kratkimi (100-200 nukleotidov) Okazakijevimi fragmenti, vsak od tega raste v 3" smeri. Vsak Okazakijev fragment zraste iz 3'-konca temeljnega premaza ("RNA primerji" na sliki, primeri so rdeče barve).

Encimi za replikacijo

splošna smer replikacije smer, v kateri se DNK podvoji.
Starševski DNK- stara (materina) DNK.
Zeleni oblak poleg "starševske DNK"- encim helikaza, ki prekine vodikove vezi med dušikovimi bazami stare (materinske) verige DNK.
Sivi ovali na verigah DNK, ki so bile pravkar raztrgane- destabilizirajoči proteini, ki preprečujejo povezovanje verig DNK.
DNK pol III- DNK polimeraza, ki doda nove nukleotide na 3" konec zgornje (vodilne, nenehno sintetizirane) verige DNK (vodilni sklop).
Primase- encim primaza, ki naredi temelj (rdeči kos iz Lego). Zdaj preštejte temeljne premaze od leve proti desni:

• prvi primer je še nedokončan, šele zdaj ga izdeluje primasa;
• iz drugega primera gradi DNK polimeraza DNK – v smeri nasprotni smeri podvojitve DNK, a v smeri 3' konca;
• iz tretjega primera je veriga DNK že zgrajena (Zaostajajoči pramen), se je približala četrtemu začetniku;
• četrti primer je najkrajši, ker DNA polimeraza (DNK pol I) odstrani ga (aka RNA, nima nič opraviti z DNK, potrebovali smo le desni konec od nje) in ga nadomesti z DNK;
• peti temeljni premaz ni več na sliki, je popolnoma izrezan in na svojem mestu ostane vrzel. DNK ligaza (DNK ligaza) zašije to vrzel tako, da je spodnja (zaostala) veriga DNK nedotaknjena.

Encima topoizomeraze na supersliki ni označeno, se pa bo pojavil kasneje v testih, zato povejmo nekaj besed o njem. Tukaj je vrv, sestavljena iz treh velikih pramenov. Če trije tovariši primejo te tri pramene in jih začnejo vleči v tri različne smeri, se bo vrv zelo kmalu nehala odvijati in se zvila v tesne zanke. Z DNK, ki je dvoverižna vrv, bi se lahko zgodilo enako, če ne bi bilo topoizomeraze.

Topoizomereza prereže eno od dveh verig DNK, nakar (druga slika, rdeča puščica) se DNK ovije okoli ene od njenih verig, tako da ne nastanejo tesne zanke (topološki stres se zmanjša).

Podvajanje terminala

Iz superslike z replikacijskimi encimi je razvidno, da na mestu, ki ostane po odstranitvi temeljnega premaza, DNK polimeraza dokonča konstrukcijo naslednjega Okazakijevega fragmenta. (Ali je res jasno? Če sploh kaj, so Okazakijevi fragmenti na supersliki označeni s številkami v krogih.) Ko replikacija na supersliki doseže svoj logični (levi) konec, potem zadnji (skrajni levi) Okazakijev fragment ne bo imel »naslednji «, tako da ne bo nikogar, ki bi dokončal DNK na praznem mestu, ki je posledica odstranitve temeljnega premaza.

Tukaj je še ena risba za vas. Črna DNK veriga je stara, materinska. Podvojitev DNK se za razliko od superslike zgodi od leve proti desni. Ker ima nova (zelena) DNK 5" konec na desni, zaostaja in se razteza v ločenih fragmentih (Okazaki). Vsak Okazakijev fragment raste iz 3" konca svojega temeljnega premaza (modri pravokotnik). Primerje, kot se spomnimo, odstrani DNK polimeraza, ki na tem mestu dokonča naslednji fragment Okazaki (ta postopek je označen z rdečo piko). Na koncu kromosoma ni nikogar, ki bi zaprl ta odsek, ker ni naslednjega Okazakijevega fragmenta, je že prazen prostor (vrzel). Tako se po vsaki replikaciji skrajšata oba 5" konca hčerinskih kromosomov. (podvojitev terminala).

Matične celice (v koži, rdečem kostnem mozgu, modih) se morajo deliti veliko več kot 60-krat. Zato v njih deluje encim telomeraza, ki po vsaki replikaciji podaljša telomere. Telomeraza podaljša štrleči 3' konec DNK, tako da zraste do velikosti Okazakijevega fragmenta. Nato primaza na njem sintetizira začetnico, DNK polimeraza pa podaljša premalo repliciran 5' konec DNK.

testiki

1. Replikacija je proces, v katerem:
A) sintetizira se prenosna RNA;
B) pride do sinteze (kopiranja) DNK;
C) ribosomi prepoznajo antikodone;
D) nastanejo peptidne vezi.

2. Poveži funkcije encimov, ki sodelujejo pri replikaciji prokariontov, z njihovimi imeni.

3. Med replikacijo v evkariontskih celicah delecija začetnikov
A) izvaja encim z aktivnostjo samo DNaze
B) tvori drobce Okazaki
B) se pojavlja samo v zaostajajočih verigah
D) se pojavlja samo v jedru

4. Če ekstrahirate DNK bakteriofaga fX174, boste ugotovili, da je 25 % A, 33 % T, 24 % G in 18 % C. Kako bi razložili te rezultate?
A) Rezultati poskusa so napačni; nekje je prišlo do napake.
B) Lahko bi domnevali, da je odstotek A približno enak deležu T, kar velja tudi za C in G. Zato Chargaffovo pravilo ni kršeno, DNK je dvoverižna in se replicira polkonservativno.
C) Ker sta odstotka A in T ter s tem C in G različna, je DNK ena veriga; replicira se s posebnim encimom po posebnem replikacijskem mehanizmu z eno verigo kot predlogo.
D) Ker niti A ni enak T, niti G ni enak C, mora biti DNK enoverižna, se replicira tako, da sintetizira komplementarno verigo in uporabi to dvoverižno obliko kot predlogo.

5. Diagram se nanaša na replikacijo dvoverižne DNK. Za vsak kvadratek I, II, III izberite en encim, ki deluje na tem področju.

A) telomeraza
B) DNK topoizomeraza
B) DNK polimeraza
D) DNK helikaza
D) DNK ligaza

6. Kulturo bakterij iz medija z lahkim izotopom dušika (N-14) smo za čas, ki ustreza eni delitvi, prenesli v medij, ki vsebuje težki izotop (N-15), in nato vrnili v medij z lahki izotop dušika. Analiza sestave DNK bakterij po obdobju, ki ustreza dvema ponovitvama, je pokazala:

7. Za eno redko genetsko motnjo so značilna imunska pomanjkljivost, duševna in telesna zaostalost ter mikrocefalija. Recimo, da v izvlečku DNK bolnika s tem sindromom najdete skoraj enake količine dolgih in zelo kratkih segmentov DNK. Kateri encim najverjetneje manjka/pokvarjen pri tem bolniku?
A) DNK ligaza
B) Topoizomeraza
B) DNK polimeraza
D) Helikaza

8. Molekula DNK je dvojna vijačnica, ki vsebuje štiri različne vrste dušikovih baz. Katera od naslednjih trditev glede replikacije in kemije DNK je pravilna?
A) Bazni zaporedji obeh verig so enaki.
B) V dvojni verigi DNK je vsebnost purinov enaka vsebnosti pirimidinov.
C) Obe verigi se neprekinjeno sintetizirata v smeri 5'→3'.
D) Dodatek prve baze novo sintetizirane nukleinske kisline katalizira DNK polimeraza.
E) Dejavnost DNK polimeraze za odpravljanje napak je v smeri 5'→3'.

9. Večina DNK polimeraz ima tudi aktivnost:
A) ligaza;
B) endonukleaza;
C) 5"-eksonukleaza;
D) 3"-eksonukleaza.

10. DNK helikaza je ključni encim za replikacijo DNK, ki odvije dvoverižno DNK v enoverižno. Spodaj je opisan poskus za razjasnitev lastnosti tega encima.

Katera od naslednjih trditev o tem poskusu je pravilna?
A) Pas, ki se pojavlja na vrhu gela, je samo ssDNA, velik 6,3 kb.
B) Trak, ki se pojavi na dnu gela, je 300 bp označen z DNK.
C) Če se hibridizirana DNK obdela samo z DNK helikazo in se reakcija konča, je razporeditev pasov videti taka, kot je prikazana v pasu 3 na sliki b.
D) Če hibridizirano DNK obdelamo samo s vrenjem brez obdelave s helikazo, je razporeditev pasov videti, kot je prikazano v stezi 2 na sliki b.
E) Če je hibridizirana DNK obdelana samo s kuhano helikazo, je razporeditev pasov videti, kot je prikazano v stezi 1 na sliki b.

Okrožna olimpijada 2001
- Vseruska olimpijada 2001
- Mednarodna olimpijada 2001
- Mednarodna olimpijada 1991
- Mednarodna olimpijada 2008
- Okrajna olimpijada 2008
- Mednarodna olimpijada 2010
Celotna besedila teh olimpijad najdete tukaj.

replikacijo- prenos informacij iz DNK v DNK, samopodvajanje DNK (biosinteza DNK).

Molekula DNK je sestavljena iz dveh verig dvojice med delitvijo celic. podvojitev DNK temelji na dejstvu, da je pri razpletu niti vsaka nit lahko dokončana komplementarna kopija, s čimer dobimo dve verigi molekule DNK, ki kopirata prvotno.

Pogoji, potrebni za replikacijo: 1.) Matrika- verige DNK. Razcepitev niti se imenuje replikacijske vilice. Lahko nastane znotraj molekule DNK. Premikajo se v različnih smereh in se oblikujejo replikativno oko. V molekuli DNK evkariontov je več takšnih oči, vsaka ima dve vilici. 2.) substrat. Plastični material je deoksinukleotid trifosfati: dATP, dGTP, dCTP, dTTP. Nato se razpadejo na deoksinukleotidni monofosfati, dve molekuli anorganskega fosfata s sproščanjem energije, t.j. sta oba vir in energija, in plastični material. 3.) Ioni magnezija. 4.) Replikacijski encimski kompleks. a) DNK sprosti beljakovine: - DNK-A(povzroča razhajanje niti); - helikaze(razcepite verigo DNK) - topoizomeraze 1 in 2 (odvijte spiralo). raztrgala (3",5")-fosfodiesterske vezi. Topoizomeraza 2 v prokariotih se imenuje giraza. b) Beljakovine, ki preprečujejo povezavo verig DNK ( SSB proteini). v) DNK polimeraza(katalizira tvorbo fosfodiesterskih vezi). DNK polimeraza samo podaljša že obstoječo verigo, ne more pa povezati dveh prostih nukleotidov. G) Primaza(katalizira nastanek "semena" za sintezo). V svoji strukturi je RNA polimeraza, ki povezuje posamezne nukleotide. e) DNK ligaza. 5.) Primerji- "seme" za replikacijo. To je kratek izrezek ribonukleotidni trifosfati(2 - 10). Nastajanje temeljnega premaza je katalizirano primaza.

Koraki replikacije: 1.) Iniciacija(tvorba replikacijskih vilic); 2.) Raztezek(sinteza novih niti); 3.) Izključitev temeljnega premaza; 4.) Prekinitev(dokončanje sinteze dveh otroških verig).

Začetek replikacije:- uravnava signalne beljakovinske molekule - rastni dejavniki;- zagotovi encimi in posebne beljakovine.

Zahtevani encimi: DNK topoizomeraze Encimi, ki odvijajo superkolage DNK. DNK helikaza- prekine vodikove vezi v dvoverižni molekuli DNK. Kot rezultat, a replikacijske vilice (replikativno oko).

Proteini, ki se vežejo na enoverižne verige DNK, se vežejo na enoverižno DNK in preprečujejo njihovo komplementarno spajanje.

raztezanje replikacije. Substrati za sintezo so deoksinukleozid trifosfati, ki deluje kot gradbeni material in vir energije.

Zahtevani encimi: DNK primaza, ki katalizira sintezo kratkih molekul RNA primerjev za DNA polimerazo. DNK polimeraza zagotavlja vključitev v rastočo "novo" verigo nukleotidov, komplementarnih "stari", torej šablonski verigi.

Sinteza novih verig DNK lahko poteka le v smeri od konca 5' do konca 3'. Na eni verigi se DNK nenehno sintetizira "vodilna" veriga, na drugi pa nastanejo kratki fragmenti - "retardirana" veriga (drobci Okazakija).

Po odstranitvi temeljnih premazov DNK ligazašiva kratke Okazakijeve fragmente skupaj ( prekinitev).

Informacije se prenašajo matrični način. polkonzervativen Mehanizem replikacije DNK.

V procesu podvajanja se dvojna vijačnica DNK, sestavljena iz dveh komplementarnih polinukleotidnih verig, odvije v ločene verige in hkrati se začne sinteza novih polinukleotidnih verig; v tem primeru imajo začetne verige DNK vlogo predlog. Nova veriga, sintetizirana na vsakem od prvotnih pramenov, je enaka drugemu izvirnemu nizu. Ko je proces končan, nastaneta dve enaki dvojni vijačnici, od katerih je vsaka sestavljena iz ene stare (izvirne) in ene nove verige (slika 1). Tako se iz ene generacije v drugo prenaša le ena od dveh verig, ki sestavljata prvotno molekulo DNK – tako imenovani polkonzervativni mehanizem replikacije.

Replikacija je sestavljena iz velikega števila zaporednih stopenj, ki vključujejo prepoznavanje začetne točke replikacije, odvijanje prvotnega dupleksa (vijačnice), ohranjanje verige ločeno druga od druge, začetek sinteze novih hčerinskih verig na njih, njihovo rast (raztezanje ), zvijanje verig v spiralo in zaključek (konec) sinteze. Vse te stopnje replikacije, ki potekajo z veliko hitrostjo in izjemno natančnostjo, zagotavlja kompleks, ki ga sestavlja več kot 20 encimov in beljakovin, tako imenovani DNK replikazni sistem ali replizom. Funkcionalna enota replikacije je replikon, ki je segment (odsek) kromosomske ali ekstrakromosomske DNK, omejen z začetno točko, na kateri se replikacija začne, in končno točko, na kateri se podvajanje ustavi. Hitrost replikacije je nadzorovana v začetni fazi. Ko se enkrat začne, se podvajanje nadaljuje, dokler se celoten replikon ne podvoji (podvoji). Pogostost iniciacije je določena z interakcijo posebnih regulatornih proteinov z izvorom replikacije. Bakterijski kromosomi vsebujejo en sam replikon: začetek na enem samem izvoru replikacije vodi do podvajanja celotnega genoma. V vsakem celičnem ciklu se replikacija začne samo enkrat. Plazmidi in virusi, ki so avtonomni genetski elementi, so ločeni replikoni, ki so sposobni večkratne iniciacije v gostiteljski celici. Evkariontski kromosomi (kromosomi vseh organizmov razen bakterij in modro-zelenih alg) vsebujejo veliko število replikonov, od katerih se vsak sproži tudi enkrat na celični cikel.

Začenši od točke začetka, se replikacija pojavi v omejenem območju, ki se premika vzdolž prvotne vijačnice DNK. To območje aktivnega podvajanja (tako imenovane replikacijske vilice) se lahko premika v obe smeri. Pri enosmerni replikaciji se ena replikacijska vilica premika vzdolž DNK. Pri dvosmerni replikaciji se dve replikacijski vilici razhajata od točke iniciacije v nasprotnih smereh; njihove hitrosti se lahko razlikujejo. Med replikacijo DNK pri bakterijah in sesalcih je hitrost rasti hčerinske verige oz. 500 in 50 nukleotidov v 1 s; pri rastlinah ta vrednost ne presega 20 nukleotidov na sekundo. Gibanje dveh vilic v nasprotnih smereh ustvari zanko, ki je videti kot "mehurček" ali "oko". Nadaljnja replikacija razširi "oko", dokler ne vključuje celotnega replikona.

Med replikacijo poteka rast verige zaradi interakcije deoksiribonukleozid trifosfata s 3"-OH končnim nukleotidom že zgrajenega dela DNK; v tem primeru se odcepi pirofosfat in nastane fosfodiesterska vez. Rast polinukleotidne verige poteka samo z njenega 3" konca, torej v smeri 5" :3". Encim, ki katalizira to reakcijo, je DNK polimeraza.

Energija, porabljena za tvorbo vsake nove fosfodiesterske vezi v verigi DNK, je zagotovljena s cepitvijo fosfatne vezi med a- in b-fosfatno skupino nukleozid trifosfata.

DNA polimeraza ima eno vezavno mesto nukleozid trifosfata, skupno vsem štirim nukleotidom. Izbira nukleotida iz okolja, katerega baza je komplementarna naslednji bazi predloge, poteka brez napak zaradi odločilnega vpliva DNK predloge (izvirne DNK verige). Pri nekaterih mutacijskih poškodbah strukture DNK polimeraze v nekaterih primerih pride do vključitve nekomplementarnih nukleotidov.

V procesu replikacije formalne DNK se za kratek čas z verjetnostjo 10-4-10-5 pojavijo redke tavtomerne oblike vseh 4 dušikovih baz nukleotidov, ki tvorijo nepravilne pare. Visoka natančnost replikacije (verjetnost napak ne presega 10-9) je posledica prisotnosti mehanizmov, ki izvajajo popravek (popravilo).

Replikacijske vilice so asimetrične. Od dveh sintetiziranih hčerinskih verig DNK se ena gradi neprekinjeno, druga pa občasno. Prva se imenuje vodilna ali vodilna veriga, druga pa zaostajajoča. Sinteza druge verige je počasnejša; čeprav je ta veriga v celoti zgrajena v smeri 3" : 5", vsak njen delček posamezno raste v smeri 5" : 3". Zaradi tega diskontinuiranega mehanizma sinteze poteka replikacija obeh antiparalelnih verig s sodelovanjem enega encima, DNA polimeraze, ki katalizira podaljševanje nukleotidne verige le v smeri 5" : 3".

Kratki segmenti RNA, komplementarni verigi DNK predloge, služijo kot semena za sintezo fragmentov zaostajajoče verige. Ti RNA primerji (primerji), sestavljeni iz približno 10 nukleotidov, se sintetizirajo v določenih intervalih na šabloni zaostajajoče verige iz ribonukleozid trifosfatov v smeri 5" : 3" z uporabo encima RNA primaze. RNA-primerje se nato razširijo z deoksinukleotidi od 3' konca z DNK polimerazo, ki se še naprej razteza, dokler veriga, ki se gradi, ne doseže temeljne RNA, pritrjene na 5' konec prejšnjega fragmenta. Tako nastali fragmenti (t. i. Okazakijevi fragmenti) zaostajajoče verige imajo v bakterijah 1000-2000 deoksiribonukleotidnih ostankov; v živalskih celicah njihova dolžina ne presega 200 nukleotidov.

Da bi zagotovili tvorbo neprekinjene verige DNK iz mnogih od teh fragmentov, pride v poštev poseben sistem za popravilo DNK, ki odstrani RNA primer in ga nadomesti z DNK. Pri bakterijah se RNA primer odstrani nukleotid za nukleotidom zaradi 5':3' eksonukleazne aktivnosti DNA polimeraze. V tem primeru se vsak odcepljeni ribonukleotidni monomer nadomesti z ustreznim deoksiribonukleotidom (3"-konec fragmenta, sintetiziranega na stari verigi, se uporablja kot seme). Encim DNA ligaza zaključi celoten proces, ki katalizira tvorbo fosfodiestra vez med 3"-OH skupino novega fragmenta DNA in 5" fosfatno skupino prejšnjega fragmenta. Za tvorbo te vezi je potrebna energija, ki se oskrbuje med konjugirano hidrolizo pirofosfatne vezi koencim-nikotinamid-adenindinukleotida (v bakterijskih celicah) ali ATP (v živalskih celicah in bakteriofagih).

Odvijanje dvojne vijačnice in presledkov. ločitev verige se izvaja z uporabo več posebnih beljakovin. Helikaze odvijejo kratke dele DNK tik pred replikacijskimi vilicami. Ločitev vsakega baznega para porabi energijo hidrolize dveh molekul ATP v adenozin difosfat in fosfat. Na vsako od ločenih verig je pritrjenih več molekul proteinov, ki vežejo DNK, kar preprečuje nastanek komplementarnih parov in povratno združitev verig. Zaradi tega so za replikacijski sistem na voljo nukleotidna zaporedja verig DNK. Drugi specifični proteini pomagajo primazi dostopati do predloge zaostajajoče verige. Posledično se primaza veže na DNK in sintetizira RNA primerje za fragmente zaostajajoče verige. Nastajanje novih vijačnic ne zahteva nobene porabe energije ali sodelovanja komplementarnega "zvijajočega" encima.

V primeru krožnega replikona (npr. v plazmidu) se opisani proces imenuje q-podvajanje. Krožne molekule DNK so zvite same na sebi (superzvite), pri odvijanju dvojne vijačnice v procesu replikacije se morajo nenehno vrteti okoli lastne osi. V tem primeru nastane torzijska napetost, ki se odpravi s prelomom ene od verig. Oba konca se nato takoj ponovno povežeta drug z drugim. To funkcijo opravlja encim DNA topoizomeraza. Replikacija v tem primeru običajno poteka v dveh smereh, t.j. obstajata dve replikacijski vilici. Po končani replikaciji se pojavita dve dvoverižni molekuli, ki sta najprej povezani med seboj kot členi v isti verigi. Ko se ločita, je eden od obeh obročev začasno pokvarjen.

Alternativna različica replikacije krožnega replikona vključuje prekinitev ene od verig dvoverižne molekule DNK. Nastali prosti 3'-konec se kovalentno podaljša, ostane povezan s predlogo (druga, neprekinjena veriga), 5'-konec pa se postopoma nadomesti z novo polinukleotidno verigo. Na ta način se ena veriga odvija in nenehno podaljšuje, medtem ko replikacijske vilice drsijo okoli obročaste matrične verige (mehanizem kotalnih obročev). Ko nova veriga raste, zamaknjena veriga z osvobojenim 5" koncem postane linearna predloga za sintezo nove komplementarne verige. Ta sinteza na linearni predlogi se nadaljuje, dokler ne nastane hčerinska veriga DNK, ki je komplementarna enemu obratu. krožne predloge, torej v celoto. Na ta način se lahko iz krožne predloge spusti veliko število komplementarnih kopij.Ta mehanizem najdemo pri nekaterih virusih, pa tudi v številnih evkariontskih celicah.

Druga shema replikacije vključuje oblikovanje strukture, imenovane D-zanka. Po tem mehanizmu se najprej replicira samo ena od verig krožnega replikona, medtem ko se druga veriga, ki ostane nedotaknjena, premakne in tvori zanko. Replikacija drugega sklopa se začne z drugačne začetne točke in šele potem, ko je bil del prvega repliciranega. Takšen replikacijski mehanizem so našli na primer v mitohondrijski DNK.

Replikacija RNA (sinteza RNA na RNA predlogi) je manj raziskana. Izvaja se le pri nekaterih virusih (npr. pri virusih poliomielitisa in besa). Encim, ki katalizira ta proces, je od RNA odvisna RNA polimeraza (imenovana tudi RNA replikaza ali RNA sintetaza). Obstaja več vrst replikacije, RNA:

1. virusi, ki vsebujejo sporočilno RNA ali mRNA [tj. poklical (+)RNA] zaradi replikacije tvorijo komplementarno verigo [(-)RNA], ki ni mRNA, ki se uporablja kot šablona za sintezo (+)RNA;

2. virusi, ki vsebujejo (--) RNA, sintetizirajo (+) RNA kot rezultat replikacije;

3. Virusi, ki vsebujejo dvoverižno RNA [(+)RNA in (--)RNA], sintetizirajo (+)RNA kot rezultat asimetrične replikacije.

Hipotezo o mehanizmu replikacije sta leta 1953 oblikovala J. Watson in F. Crick, ki sta predlagala, da lahko dve komplementarni verigi DNK po ločitvi delujeta kot predloge za tvorbo novih verig DNK na njih. Leta 1958 sta M. Meselson in F. Stahl eksperimentalno potrdila ta mehanizem replikacije.