Удвоение днк оказалось основано на случайных процессах. Удвоение днк Удвоение молекул днк в клетке происходит

Размножение – это основное свойство, которое отличает живые организмы от неживых. Абсолютно все виды живых организмов способны к воспроизведению себе подобных, в противном случае вид исчез бы очень быстро. Способы размножения различных существ очень отличаются друг от друга, но в основе всех этих процессов лежит деление клетки, а в его основе лежит механизм редупликации ДНК.

Деление клеток вовсе не обязательно сопровождает процесс размножения организма. Рост и регенерация тоже зависят клеток. Но у одноклеточных существ, к которым относятся бактерии и простейшие, деление клетки – основной репродуктивный процесс.

Многоклеточные организмы живут значительно дольше, чем одноклеточные, и время их жизни превышает период жизни клеток, из которых они состоят, порой в огромное количество раз.

Как происходит редупликация ДНК

Удвоение спирали ДНК – самый важный процесс при делении клетки. Спираль делится на две аналогичные, и каждая цепочка хромосом абсолютно идентична родительской. Именно поэтому процесс называется редупликация. Две одинаковые «половинки» спирали называются хроматидами.

Между основаниями спирали ДНК (это аденин–тимин и гуанин–цитозин) существуют комплементарные водородные связи, и во время редупликации специальные ферменты разрывают их. Комплементарными называют такие связи, когда пара может соединяться только друг с другом. Если речь об основаниях спирали ДНК, то гуанин и цитозин, например, образуют комплементарную пару. Нить ДНК расходится на две части, после чего к каждому нуклеотиду пристраивается другой комплементарный нуклеатид. Таким образом получается, что образуются две новые спирали, совершенно одинаковые.

Митоз – процесс деления клетки

Как правило, клетки делятся посредством митоза. В этот процесс входит несколько фаз, и деление ядра является самой первой из них. Уже после того, как ядро разделилось, делится и цитоплазма. С этим процессом связано понятие, как жизненный цикл клетки: это время, которое прошло с момента отделения клетки от родительской, до того, как она сама разделилась.

Митоз начинается с редупликации. После этого процесса оболочка ядра разрушается, и какое-то время ядра в клетке вообще не существует. Хромосомы в это время максимально скручены, их хорошо видно в микроскоп. Затем две новые спирали разделяются и перемещаются к полюсам клетки. Когда спирали достигают своей цели – каждая приближается к своему клеточному полюсу – то раскручиваются. В это же время вокруг них начинают формироваться оболочки ядра. Пока этот процесс завершается, уже начинается деление цитоплазмы. Последняя фаза митоза происходит, когда две абсолютно идентичные клетки отделяются одна от другой.

ДНК является надежным хранилищем генетической информации. Но ее нужно не только держать в сохранности, но и передавать потомству. От этого зависит выживаемость вида. Ведь родители должны передать детям все то, чего они достигли в ходе эволюции. В ней записано все: начиная от количества конечностей и заканчивая цветом глаз. Конечно, у микроорганизмов этой информации гораздо меньше, но и ее нужно передать. Для этого клетка делится. Чтобы генетическая информация досталась обеим дочерним клеткам, ее нужно удвоить, этот процесс называется "репликация ДНК". Она происходит перед делением клетки, неважно, какой именно. Это может быть бактерия, которая решила размножиться. Или это может быть рост новой кожи на месте пореза. Процесс удвоения дезоксирибонуклеиновой кислоты должен четко отрегулироваться и завершиться до начала деления клетки.

Где происходит удвоение

Репликация ДНК происходит непосредственно в ядре (у эукариот) или в цитоплазме (у прокариот). Нуклеиновая кислота состоит из нуклеотидов - аденина, тимина, цитозина и гуанина. Обе цепочки молекулы построены по принципу комплиментарности: аденину в одной цепи соответствует тимин, а гуанину - цитозин. Удвоение молекулы должно пройти таким образом, чтобы и у дочерних спиралей сохранился принцип комплиментарности.

Начало репликации - инициация

Дезоксирибонуклеиновая кислота представляет собой двуцепочечную спираль. Репликация ДНК происходит путем достраивания дочерних цепей по каждой родительской цепочке. Чтобы этот синтез стал возможен, спирали нужно «распутать», а цепочки отделить друг от друга. Эту роль выполняет геликаза - она раскручивает спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты, вращаясь с большой скоростью. Начало удвоения ДНК не может начаться с любого места, такой сложный процесс требует определенного участка молекулы - сайта инициации репликации. После того как была определена начальная точка удвоения, а геликаза начала свою работу по распутыванию спирали, цепочки ДНК расходятся в стороны, образуя репликативную вилку. На них садятся ДНК-полимеразы. Именно они и будут синтезировать дочерние цепочки.

Элонгация

В одной молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты может образоваться от 5 до 50 репликативных вилок. Синтез дочерних цепочек происходит одновременно в нескольких участках молекулы. Но это непросто достраивание комплиментарных нуклеотидов. Цепочки нуклеиновой кислоты антипараллельны друг другу. Разная направленность родительских цепей сказывается при удвоении, это обусловило сложный механизм репликации ДНК. Одна из цепей достраивается дочерней непрерывно и называется лидирующей. Оно и правильно, ведь полимеразе очень удобно присоединять свободный нуклеотид к 3’-ОН концу предыдущего. Такой синтез идет непрерывно, в отличие от процесса на второй цепи.

Запаздывающая цепь, фрагменты О’Казаки

С другой цепочкой возникают сложности, ведь там свободным оказывается 5’-конец, к которому невозможно прикрепить свободный нуклеотид. Тогда ДНК полимераза действует с другой стороны. Для того чтобы достроить дочернюю цепочку, создается праймер, комплиментарный родительской цепи. Он образуется у самой репликативной вилки. С него и начинается синтез маленького кусочка, но уже по «верному» пути - присоединение нуклеотидов происходит к 3’-концу. Таким образом, достраивание цепочки у второй дочерней спирали происходит прерывисто и имеет направление, противоположное движению репликативной вилки. Эти фрагменты были названы фрагментами О’Казаки, они имеют длину около 100 нуклеотидов. После того как фрагмент достроился до предыдущего готового кусочка, праймеры вырезаются специальным ферментом, место выреза заполняется недостающими нуклеотидами.

Терминация

Удвоение завершается, когда обе цепочки достроили себе дочерние, а все фрагменты О’Казаки сшиты между собой. У эукариотов репликация ДНК заканчивается, когда репликативные вилки встречаются друг с другом. А у прокариот эта молекула кольцевая, а процесс ее удвоения происходит без предварительного разрыва цепи. Получается, что вся дезоксирибонуклеиновая кислота является одним большим репликоном. И удвоение заканчивается тогда, когда репликативные вилки встречаются на противоположной стороне кольца. После окончания репликации обе цепочки родительской дезоксирибонуклеиновой кислоты должны быть сцеплены обратно, после чего обе молекулы закручиваются до образования суперспиралей. Далее происходит метилирование обеих молекул ДНК по аденину в участке -ГАТЦ-. Это не разъединяет цепи и не мешает их комплиментарности. Это необходимо для складывания молекул в хромосомы, а также для регуляции чтения генов.

Скорость и точность репликации

Вторая стадия удваивания ДНК (элонгация) проходит со скоростью около 700 нуклеотидов в секунду. Если вспомнить, что на один виток нуклеиновой кислоты приходится 10 пар мономеров, то выходит, что во время «расплетания» молекула вращается с частотой 70 оборотов в секунду. Для сравнения: скорость вращения кулера в системном блоке компьютера составляет примерно 500 оборотов в секунду. Но несмотря на высокие темпы, ДНК полимераза практически никогда не ошибается. Ведь она просто подбирает комплиментарные нуклеотиды. Но даже если она совершает ошибку, ДНК-полимераза ее распознает, делает шаг назад, отрывает неправильный мономер и заменяет его верным. Механизм репликации ДНК очень сложен, но основные моменты мы смогли разобрать. Важно понимать его значение как для микроорганизмов, так и для многоклеточных существ.

Перед каждым клеточным делением при абсолютно точном соблюдении нуклеотидной последовательности происходит самоудвоение (редупликация) молекулы ДНК. Редупликация начинается с того, что двойная спираль ДНК временно раскручивается. Это происходит под действием фермента ДНК-полимеразы в среде, в которой содержатся свободные нуклеотиды. Каждая одинарная цепь по принципу химического сродства (А - Т, Г - Ц) притягивает к своим нуклеотидным остаткам и закрепляет водородными связями свободные нуклеотиды, находящиеся в клетке. Таким образом, каждая полинуклеотидная цепь выполняет роль матрицы для новой комплиментарной цепи. В результате получаются две молекулы ДНК, у каждой из них одна половина происходит от родительской молекулы, а другая является вновь синтезированной, т.е. две новые молекулы ДНК представляют собой точную копию исходной молекулы.

Белки

Белки - обязательная составная часть всех клеток. В жизни всех организмов белки имеют первостепенное значение. В состав белка входят углерод, водород, азот, некоторые белки содержат еще и серу. Роль мономеров в белках играют аминокислоты. У каждой аминокислоты имеется карбоксильная группа (-СООН) и аминогруппа (-NH 2). Наличие в одной молекуле кислотной и основной групп обусловливает их высокую реактивность. Между соединившимися аминокислотами возникает связь называемая пептидной , а образовавшееся соединение нескольких аминокислот называют пептидом . Соединение из большого числа аминокислот называют полипептидом .

В белках встречаются 20 аминокислот, отличающихся друг от друга своим строением. Разные белки образуются в результате соединения аминокислот в разной последовательности. Огромное разнообразие живых существ в значительной степени определяется различиями в составе имеющихся у них белков.

В строении молекул белков различают четыре уровня организации:

Первичная структура - полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности ковалентными (прочными) пептидными связями.

Вторичная структура - полипептидная цепь, закрученная в виде спирали. В ней между соседними витками возникают мало прочные водородные связи. В комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру.

Третичная структура представляет собой причудливую, но для каждого белка специфическую конфигурацию - глобулу. Она удерживается мало прочными гидрофобными связями или силами сцепления между неполярными радикалами, которые встречаются у многих аминокислот. Благодаря их многочисленности они обеспечивают достаточную устойчивость белковой макромолекулы и ее подвижность. Третичная структура белков поддерживается также ковалентными S-S-связями возникающими между удаленными друг от друга радикалами серосодержащей аминокислоты - цистеина.

Благодаря соединению нескольких молекул белков между собой образуется четвертичная структура. Если пептидные цепи уложены в виде клубка, то такие белки называются глобулярными . Если полипептидные цепи уложены в пучки нитей, они носят название фибриллярных белков .

Нарушение природной структуры белка называют денатурацией . Она может возникать под действием высокой температуры, химических веществ, радиации и т.д. Денатурация может быть обратимой (частичное нарушение четвертичной структуры) и необратимой (разрушение всех структур).

ФУНКЦИИ:

Биологические функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Они в значительной мере обусловлены сложностью и разнообразием форм и состава самих белков.

1 Строительная функция - построены органоиды.

2 Каталитическая - белки ферменты.(амилаза,превращает крахмал в глюкозу)

Процесс удвоения ДНК кишечной палочки , который оказался намного более случайным, чем раньше думали биологи.

"Скорость этого процесса может резко меняться во время сборки молекулы. Оказалось, что работа белков в "сборочном конвейере" ДНК никак не синхронизируется: всё происходит случайно, и они действуют абсолютно автономно друг от друга", — заявил Стивен Ковальчуковски (Stephen Kowalczykowski) из университета Калифорнии в Дэвисе (США).

Одна из особенностей живых организмов, отличающих их от вирусов и неживой природы, — способность самостоятельно создавать копии генетического кода , "записывая" все компоненты и процессы, происходящие внутри клеток. Это репликация ДНК , одна из самых сложных химических реакций во Вселенной.

В этом процессе, как показывают опыты последних лет, участвует несколько десятков белков, каждый из которых выполняет собственную функцию. Сначала хромосомы "разматываются" при помощи белка FACT, затем спираль ДНК "распутывает" фермент геликаза, а потом к ним присоединяется белок-"якорь" примаза и особые белки, которые учёные называют ДНК-полимеразами, начинают процесс копирования, считывая спираль и собирая её аналог из отдельных молекулярных "букв"-нуклеотидов.

Проблема, как рассказывает Ковальчуковски, заключается в том, что ДНК состоит из двух спиралей, которые полимеразы, как изначально предполагали учёные, копируют одновременно. Первые наблюдения за этим процессом показали, что на самом деле одна из них копируется быстрее, чем вторая. Вторая полимераза периодически "притормаживает", благодаря чему молекулы белков и их "прислуга" не мешают друг другу.

По этой причине многие исследователи считали, что работа полимераз каким-то образом синхронизирована друг с другом, однако сам механизм синхронизации оставался для них тайной.

Ковальчуковски и его коллеги попытались найти ответ на этот вопрос, проследив за копированием коротких нитей ДНК, которые учёные извлекли из кишечной палочки и "приклеили" при помощи модифицированной версии примазы к поверхности стеклянной пластинки.

Эти пластинки биологи поместили в раствор, где находились ДНК-полимеразы, клеточная "энерговалюта" АТФ и особый набор нуклеотидов, помеченных светящимися белковыми молекулами. Белки светились только тогда, когда присоединённый к ним нуклеотид был "прицеплен" к двойной нити ДНК, что позволило команде Ковальчуковского проследить за тем, как росли копии хромосом кишечной палочки.

Как оказалось, секрет работы полимераз заключался в том, что никакой синхронизации между ними нет: процесс репликации и той, и другой нити шёл абсолютно случайным образом. При появлении "коллизий" между сборщиками ДНК процесс удлинения нити просто по сути начинался заново.

Одна из самых замечательных особенностей жизни состоит в том, что все живые существа характеризуются общностью строения клеток и происходящих в них процессов. Однако они имеют и очень много различий.

Современная биология показала, что в своей основе сходство и различие организмов определяется, в конечном счете, набором белков.

Некоторые белки, выполняющие одинаковые функции, могут иметь сходное строение в клетках не только разных видов, но даже более далёких групп организмов.

Например, инсулин (гормон поджелудочной железы), регулирующий количество сахара в крови, близок по строению у собаки и человека.

Однако большинство белков, выполняя одну и ту же функцию, несколько отличаются по строению у разных представителей одного и того же вида. Например, белки групп крови у человека.

Известно, что в эритроцитах (красных кровяных клетках дисководной формы) содержится белок гемоглобин, который доставляет кислород ко всем клеткам тела. Это сложный белок. Каждая его молекула состоит из 4 полипептидных цепей. У людей страдающих тяжёлым наследственным заболеванием – серповидно клеточной анемией, эритроциты похожи не на диски, как обычно, а на серпы. Причина изменения формы клетки – в различии первичной структуры гемоглобина у больных и здоровых людей.

Различие в том, что в двух из четырёх цепей нормального гемоглобина на 6 месте стоит глутоминовая кислота. При серповидноклеточной анемии она заменена на аминокислоту валин. Из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, заменены только две (по одной в двух цепях). Но это приводит к существенному изменению третичной и четвертичной структуры белка и, как существа, к изменению формы и нарушению функции эритроцита. Серповидные эритроциты плохо справляются со своей задачей – переносом кислорода.

ДНК – матрица для синтеза белков

Каким же образом в эритроцитах здорового человека образуются миллионы идентичных молекул гемоглобина, как правило, без единой ошибки в расположении аминокислот?

Почему в эритроцитах больного больных серповидноклеточной анемией все молекулы гемоглобина имеют одну и ту же ошибку в одном и том же месте?

Для ответа на эти вопросы обратимся к примеру с книгопечатанием.

Например, книга, изданная тиражом n экземпляров, все n книги отпечатаны с одного шаблона – типографской матрицы, поэтому они совершенно одинаковы. Если бы в матрицу вкралась ошибка, то она была бы воспроизведена во всех экземплярах.

Роль матрицы в клетках живых организмов выполняют молекулы ДНК.

ДНК каждой клетки несёт информацию не только о структурных белках, определяющих форму клетки, но и о всех белках – ферментах, белках гормонах и др. белках.

Углеводы и липиды образуются в клетке в результате сложных химических реакций, каждая из которых катализируется своим белком – ферментом. Владея информацией о ферментах, ДНК программирует структуру и др. органических соединений, а также управляет процессами их синтеза и расщепления. Поскольку молекулы ДНК являются матрицами для синтеза всех белков, то в ДНК заключена информация о структуре и деятельности клеток, о всех признаках каждой клетки и организма в целом. Каждый белок представлен одной или несколькими полимерными цепями. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одной полипептидной цепи, т.е. в большинстве случаев одного белка, называют геном . Каждая молекула ДНК содержит множество разных генов. Вся информация, заключённая в молекуле ДНК, называется генетической . Идея о том, что генетическая информация записана на молекулярном уровне и что синтез белков идёт по матричному принципу, впервые была сформулирована ещё в 20-х годах выдающимся отечественным биологом Н.К. Кольцевым.

Удвоение ДНК

Двойная спираль ДНК построена по принципу комплиментарности (комплементарность – взаимное дополнение):

А, Г, Ц, Т – азотные основания;

… – водородные связи.

Молекулы ДНК обладают свойством – способностью к удвоению.

Принцип комплементарности лежит и в основе удвоения молекул ДНК. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются, и к каждому нуклеотиду каждой из этих нитей последовательно пристраиваются комплиментарные нуклеотиды.

Разошедшиеся нити исходной (материнской) молекулы ДНК являются матричными. Они задают порядок расположения нуклеотидов во вновь синтезируемой цепи. В результате действия сложного набора ферментов происходит соединение нуклеотидов друг с другом. При этом образуются новые нити ДНК, комплиментарные каждой из разошедшихся цепей.

Таким образом, в результате удвоения создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из которых имеет одну нить, полученную от материнской молекулы, и одну нить, синтезированную вновь.

Рис. 21. Схема удвоения ДНК

Итак, этапы удвоения ДНК:

· Разрыв водородных связей, скрепляющих нити ДНК; расхождение нитей ДНК.

· Подбор к материнским нитям ДНК комплементарных нуклеотидов.

· Синтез дочерних ДНК.

· Процесс самоудвоения молекулы ДНК называют репликацией . При этом не расходуется энергия АТФ.

· Дочерние молекулы ДНК имеют одинаковые гены, какие были у материнской.

Каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений. Следовательно, все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Случайно возникшая ошибка в гене зародышевой клетки будет воспроизведена в генах миллионов её потомков.

Вот почему все эритроциты больного серповидноклеточной анемией имеют одинаково "испорченный" ген от родителей через их половые клетки.

Ген является единицей генетической (наследственной) информации.

Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомальных РНК.

Если учесть, что сходство и различие организмов определяется, в конечном счете, набором белков, и мы уже знаем, откуда берется информация о том, какие белки необходимы данному организму, то остается выяснить, как шифруется генетическая информация, как происходит синтез белков.

Образование информационной РНК по матрице ДНК

К рибосомам, местам синтеза белков, из ядра поступает несущей информацию посредник, способный пройти через поры ядерной оболочки. Таким посредником является информационная РНК (иРНК). Это одноцепочная молекула, комплиментарная одной нити молекулы ДНК.

Рис. 22. Схема образования иРНК

По матрице ДНК

Специальный фермент – полимераза, двигаясь по ДНК, подбирает по принципу комплиментарности нуклеотиды и соединяет их в единые цепочки. Этот процесс называется транскрипцией .

Если в нити ДНК стоит Тимин, то полимераза включает в цепь иРНК Аденин, если стоит Гуанин – включает Цитозин, если Аденин – Урацил (в состав РНК не входит Тимин).

иРНК – копия не всей молекулы ДНК, а только части её, одного гена или группы рядом стоящих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. У прокариот такая группа генов называется опероном . Вначале каждой группы генов находится своего рода посадочная площадка для полимеразы, называемая промотором . Это специфичная последовательность нуклеотидов ДНК, которую фермент “узнаёт” благодаря химическому сродству.

Только присоединившись к промотору, полимераза способна начать синтез иРНК. В конце группы генов фермент встречает сигнал (в виде определённой последовательности нуклеотидов), означающий конец переписывания.

Готовая иРНК отходит от ДНК, покидает ядро и направляется к месту синтеза белков – рибосоме, расположенной в цитоплазме клетки.

В клетке генетическая информация передаётся благодаря транскрипции от ДНК к белку: ДНК → иРНК→ белок.