лекция 12 общая биохимия

1.

Лекция 12
Синтез ДНК
Репликация

2.

Репликация
Реплика́ция (от лат. replicatio — возобновление) — процесс синтеза дочерней молекулы ДНК на
матрице родительской молекулы ДНК.
Получается две одинаковые молекулы ДНК (две хроматиды в одной хромосоме).
Происходит перед делением клетки. После деления каждая клетка получает одну из молекул
ДНК (одну из хроматид).
Репликация обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в
поколение.
Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15-20 различных
белков, называемый реплисомой
Матричный процесс
Существует еще репликация РНК у РНКовых вирусов

3.

Хромосома до
репликации
Геном половой клетки
Репликация
Репликация
Геном соматической клетки
Хромосома из
двух сестринских
хроматид после
репликации
2n 2c
2n 4c
Гомологичные хромосомы
2n 2c
2n 4c
Митоз
2n 2c
1n 1c
Мейоз

4.

Принципы репликации
Матричность
Комплементарность
Антипараллельность
Полуконсервативность

5.

Принцип полуконсервативности в репликации
полуконсервативный
консервативный
мозаичный
работает только этот
механизм
Адекватность полуконсервативной модели репликации доказали в 1958 году М. Мезельсон и Ф. Сталь

6.

Репликация у прокариот и эукариот
Репликация у прокариот (удвоение кольцевой ДНК)
В молекуле образуется 1-2 вилки репликации в одном месте хромосомы - монорепликон
Репликация у эукариот (удвоение линейной ДНК)
В молекуле образуется множество вилок репликации - полирепликон

7.

Ферменты репликации у прокариот
Топоизомеразы I и II (в том числе гираза - КФ 5.99.1.3; раскручивают двойную спираль)
Хеликаза (КФ 3.6.4.12; раздвигает нити ДНК, т.е. разрывает водородные связи между основаниями)
ДНК-полимераза III (КФ 2.7.7.7; основной фермент, синтезирует дочерние нити ДНК, соединяет нуклеотиды
фосфодиэфирными связями)
ДНК-полимераза I (КФ 2.7.7.7 ; убирает праймеры и достраивает фрагменты Оказаки отстающей цепи)
Субстраты ДНК-полимераз: дАТФ, дГТФ, дЦТФ, ТТФ
(дНМФ)n +
ДНК
дНТФ
(дНМФ)n+1 +
2Фн
Удлиненная
ДНК
Праймаза (КФ 2.7.7.101; синтезирует праймер, РНК-затравку для ДНК-полимеразы III) Субстраты: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ
ДНК-лигаза (КФ 6.5.1.1; сшивает фрагменты Оказаки, создает фосфодиэфирные связи между соседними фрагментами
Оказаки)

8.

Вспомогательные белки
Инициаторные:
Dna A (в активной форме связан с АТФ, АТФаза) – распознает место начала репликации
(origin)
HU (гистоноподобный) – помогает Dna A
Dna C – погрузчик фермента хеликазы на разведенные цепи ДНК, он связывает ее и
перемещает в комплекс с праймазой и ДНК
SSB-белки (single stranded binding) – удерживают цепи ДНК от “слипания” по
комплементарным основаниям
Другие (в том числе регуляторные)

9.

Этапы репликации
Инициация
Элонгация
Терминация

10.

Инициация репликации
Узнавание места начала репликции – ориджина/OriC (белок DnaA)
Раскручивание спирали (топоизомеразы)
Разрыв водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями
(хеликаза)
Формирование репликативной вилки
Синтез праймера (праймаза)
Соединение первых дезоксинуклеотидов лидирующей дочерней цепи ДНК
(ДНК-полимераза III)

11.

Инициация репликации
Структура участка начала репликации (точка OriC, ориджин) E. coli
Длинна ориджина 245 пар оснований
5’
3’
5’
3’
3’
5’
Сайт начала расплетения ДНК
Ориджин узнается белком Dna A ,
обеспечивает посадку хеликазы I
bp – base pair = пара оснований
N – любой из четырех нуклеотидов

12.

Инициация репликации
Кольцевую спиральную ДНК нужно раскрутить в
определенном месте – в точке OriC
Водородные связи
между азотистыми
основаниями
Ферменты топоизомеразы
Разрывают фосфодиэфирные связи
между нуклеотидами и потом их
восстанавливают.
Раскручивают кольцевую
двухспиральную нить для
формирования вилки репликации.

13.

Топоизомеразы
проблема устранения суперспирализации
Топоизомераза I
Делает
одноцепочечный
разрыв около точки
Ori (ориджина),
убирает
спирализацию
Топоизомераза II
Делает двуцепочечный
разрыв на далеком
расстоянии от ориджина,
убирает суперспирализацию
и разъединяет две новых
молекулы кольцевой ДНК

14.

Инициация репликации
Хеликаза раздвигает цепи ДНК,
удаляя водородные связи
между комплементарными
азотистыми основаниями.
Формируется
репликативная вилка
На цепи садятся белки SSВ.

15.

Инициация репликации
Направление движения
репликативной вилки

16.

Элонгация репликации
Лидирующая и отстающая цепи
дочерней ДНК строятся
по-разному и в разных
направлениях по отношению к
движению репликативной вилки
Направление движения
репликативной вилки

17.

Вопрос
Проблема одновременного считывания
антипараллельных цепей
Решение
Фрагменты Оказаки
Рейдзи Оказаки
1930—1975
60е г. XX в.

18.

Элонгация репликации
Направление
движения
репликативной вилки
Фрагменты
Оказаки
https://www.youtube.com/watch?v=6bLAhKvrkhM
Отстающая цепь синтезируется в
направлении противоположном
движению репликативной вилки.
Поэтому строится прерывисто – из
фрагментов Оказаки

19.

Элонгация репликации
модель «Тромбона»
СОВРЕМЕННАЯ МОДЕЛЬ
СИСТЕМЫ РЕПЛИКАЦИИ
https://www.youtube.com/watch?v=7Hk9jct2ozY

20.

Терминация репликации
В распускании двух кольцевых молекул
принимают участие топоизомеразы II

21.

Особенности репликации у эукариот
1. В S-фазе клеточного цикла
2. Медленнее (примерно в 10 раз)
3. Полирепликонным способом (ARS - autonomously replicating sequences с постоянно связанными с
ними белками ORC - origin recognition complex) + регуляторные белки, инициирующие репликацию
4. ДРУГИЕ белки-ферменты (другие ДНК-полимеразы, структура, количество), а также
дополнительные, например теломераза
5. Проблема нуклеосомной укладки
6. Из-за линейности ДНК решается проблема потери генетической информации из-за
необходимости РНК-праймера на концах молекул (“лимит Хейфлика”, работа А.М. Оловникова,
теломераза)

22.

ДНК-полимеразы эукариот
Различные ДНК-полимеразы для ядра, митохондрий, пластид.
Некоторые - для репликации, другие - для исправления повреждений ДНК (репарации).
В ядре:
1. α (альфа): ядро, репликация ДНК, нет корректирующей активности
2. β (бета): ядро, репарация ДНК, нет корректирующей активности (по роли похожа на ДНК-полимеразу I)
3. γ (гамма)
4. δ (дельта): ядро, репликация ДНК, корректирующая активность
5. ε (эпсилон): ядро, репарация ДНК, корректирующая активность
6. ζ (дзета) – репарация
7. η (эта) – репарация
ЕЩЕ - ... , в том числе –
в геноме митохондрий . γ (гамма): репликация их ДНК, корректирующая активность
и у хлоропластов

23.

Проблема нуклеосомной укладки
При репликации нуклеосомный кор распадается
на 2 одинаковые половинки, каждая из нитей
ДНК остается связанной со своей половинкой.
После прохождения реплисомы половинки кора
достраиваются до целого, для этого
синтезируются дополнительные молекулы
гистонов Н2А, H2B, H3 и H4.

24.

Проблема потери генетической информации из-за необходимости
РНК-праймера на концах молекул
Эффект Хейфлика. Теломераза
В 1971 году Хейфлик выдвинул теорию
маргинотомии — отсчёта клеточных делений и
старения в результате недорепликации
последовательностей ДНК на концах хромосом
(теломерных участков).
Алексей Матвеевич
Оловников
«Нестарение» бактерий объяснял кольцевой формой ДНК, а в стволовых и раковых клетках
эукариот теломеры, видимо, защищены с помощью удлинения при каждом делении особым
ферментом — тандем-ДНК-полимеразой (современное название — теломераза).

25.

Что бы происходило при отсутствии теломеров?
Укорочение цепей ДНК при делении клетки

26.

Теломераза
Фермент теломераза – это обратная транскриптаза
(Транскрипция – синтез РНК по матрице ДНК.
Обратная транскрипция – синтез ДНК по матрице РНК.)
элонгация
транслокация
Достраиваемая теломера на 3’ конце,
богатая G
теломеразная РНК – матрица
для теломер

27.

Эффект Хейфлика
Соматические клетки эукариот имеют ограниченное количество делений из-за укорочения длинны
теломер вследствие потери активности теломеразы
В половых и стволовых клетках теломераза активна

28.

Вопросы для подготовки к опросу:
1. Инициация репликации у прокариот
2. Элонгация и терминация репликации у прокариот. Фрагменты Оказаки, модель
тромбона
3. Особенности репликации у эукариот. Теломеры и теломеразы