Матричный синтез информационных макромолекул. Типы переноса генетической информации. Репликация ДНК

ин-формации в процессе размножения и функциони-рования клетки.
В процессе реализации генетической инфор-мации осуществляется синтез молекул ДНК, РНК и белков.
Этот синтез носит матричный характер
- матрицами являются сами молекулы ДНК и РНК.
Перенос генетической информации осущест-вляется, согласно представлению, которое Ф.Крик назвал центральной догмой молекуляр-ной биологии.

собой исходный генетический текст, состоящий из четырех букв: A, T, G и C. Этот текст транскрибируется. Процесс называется транскрипцией.
Синтезируется РНК, которая идентична этому тексту -РНКовый текст является слепком с соответствующего ДНКового текста.
Эта РНК - мРНК, транслируется с помощью генетического кода в белок. Происходит перевод текста нуклеиновых кислот ДНК и РНК из 4-буквенного текста в 20-буквенный текст аминокислот белка.
Центральная догма — это постулат, что в живой клетке проис-ходит направленный поток информации: ДНК к белку. Крик подче-кивал, что главное содержание центральной догмы состоит в том, что не происходит обратного потока информации, белок не может изменить генетическую информацию; не в состоянии из-менить информацию в РНК или в ДНК, -поток идет в одну сторону.

белка к нуклеи-новым кислотам, а внутри нуклеиновых кислот любые процессы возможны: может быть синтез ДНК на ДНК, ДНК на РНК, РНК на ДНК и РНК на РНК.

Позже был открыт фермент, который синтезирует ДНК на РНК. Он был открыт в тех вирусах, в которых генетической информци-ей является не в ДНК, а в РНК. Такие вирусы получили назва-ние ретровирусов (вирус иммунодефицита человека, ВИЧ, ответственный, за СПИД).
Ретровирус, несет в своей вирусной капсуле, где у него запрятана генетическая РНК, специальный фермент, который называется обратной транскриптазой, который при попада-нии вируса в клетку, синтезирует ДНК на этой вирусной РНК, и с неё снимается генетическая информация для дальнейшего развития вируса внутри клетки. Таким образом, возможна передача информации с РНК на ДНК.

Специализированный перенос
Запрещенный перенос
Общий перенос
ДНК ДНК
ДНК РНК
РНК белок
репликация ДНК
транскрипция ДНК
трансляция РНК

процессы:

(РНК→РНК);

ДНК → белок

РНК→ДНК

Происходит в клетках зараженных
вирусами, генетический материал в которых представлен РНК
вирусы растений, бактериофагов,
вирусы кори и бешенства

Происходит в клетках
животных

обратная транскрипция

репликация РНК

ретровирусы, вирусы иммуно-дефицита человека (ВИЧ), онковирусы и ДНК-содержищие вирусы (гепатит-В).

трансляция ДНК

Наблюдается только
в лабораториях in vitro.

на последовательность нуклеотидов
белок→ДНК белок→РНК
белок→белок
Все три вида переноса не наблюдались в эксперименте и пока не известны в природе.

особый класс инфекционных агентов, представленных белками с аномальной третичной структурой и не содержащих нуклеиновых кислот. Это положение лежит в основе прионной гипотезы.
Прионы способны увеличивать свою численность, ис-пользуя функции живых клеток (в этом отношении прионы схожи с вирусами).
Прион — это белок, способный катализировать кон-формационное  превращение  гомологичного  ему нормального клеточного белка в себе подобный (прион). Как правило, при переходе белка в прионное состояние его α-спирали превращаются в β-слои. Появившиеся в результате такого перехода прионы могут в свою очередь перестраивать новые молекулы белка; таким образом, запускается цепная реакция, в ходе которой образуется огромное количество неправильно свёрнутых молекул. ым[4].

Стенли Прузинер (р. 1942) — первооткрыватель прионов

нормальной третичной струк-турой называется PrPC (от англ. common — обычный или cellular — клеточный), а ин-фекционная, аномальная форма называется PrPSc (от англ. scrapie — почесуха овец (скрейпи), одно из первых заболеваний с установленной прионной
природой)[или PrPTSE (от англ. Transmissible Spongiform Encephalopathies)[

Прионы — единственные известные инфекционные агенты, размножение кото-рых происходит без участия нуклеиновых кислот. Вопрос о том, считать ли прионы формой жизни, в настоящий момент является открытым.

факторов.

информации от родительских молекул ДНК к дочерним в процессе их синтеза.

репликация.

Модели репликации ДНК

друга и каждая из них делает свою копию. После первого этапа репликации, две дочерние молекулы содержат одну старую и одну новую прядь.
В консервативной модели исходная молекула направляет синтез совершенно новой двухцепочечной молекулы, так что после одного цикла репликации одна молекула сохран-ется в виде двух старых нитей. Это повторяется во втором этапе.
В дисперсионной модели материал в этих двух родитель-ских нитях распределяется более или менее случайно меж-ду двумя дочерними молекулами. В такой модели старый материал распределен симметрично между двумя дочерни-ми молекулами.

одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм реплика-ции называется полукон-сервативным.
В настоящее время этот механизм считается доказанным благодаря
опытам Мэтью Мезель-сона и Франклина Ста-ля (1958 г.)

Метью Мезелсон (род. 24 мая 1930 г.), Франклин Сталь (род. 8 октября 1929 г.)

ДНК син тези-руются дочерние нити.
В результате образу-ется молекула ДНК, в которой одна нить но вая, другая старая -материнская.

определённого, называемого  точка начала репликации или точки ori (ориджин). Синтез новых одноцепочечных молекул ДНК будет происходить только при расхождении родительских цепей. В точке ori начинается локальная денатурация ДНК, цепи расходятся и образуются репликативный глазок - две репликативные вилки, движущиеся в противоположных направлениях. Репликон — это участок ДНК, который содержит сайт инициации репликации и реплицируется после начала синтеза ДНК с этого сайта. Репликационный глазок  — участок хромосомы, где ДНК уже реплицирована, ...

вилки ,
элонгация - синтез новых це-пей
терминация - исключение праймеров, завершение синтеза двух дочерних цепей ДНК .

в молекулах РНК, используя энергию гидролиза АТФ или ГТФ.
Хеликаза представляет собой кольцо из нескольких повторяющихся фрагментов. Она скользит по одной из цепей ДНК, используя энергию АТФ разрывает водо-одные связи между цепями.

одно- или двуцепочеч-ных разрывов с последующим восстановлением (лигированием).
Топоизомеразы, облегчая рас-плетание цепей ДНК в двойной спирали, играют важную роль в процессах репликации и транск-рипции.

од-ноцепочечные фрагменты ДНК, и предотвращают ком-плементарное спаривание и образование дуплекса и поз-воляют компонентам репли-кационной вилки осущест-влять репликацию ДНК.
SSB-белки, не закрывая азотистых оснований, связы-ваются с одноцепочечной ДНК по всей длине разделив-шихся цепей и таким обра-зом предотвращают их комп-лментарное скручивание и образование "шпилек". 

синтеза продукта служат 4 макроэргических соединения – дезоксирибонук-леозидтрифосфаты дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ, для активации которых необходимы ионы магния.
Ферменты проявляют каталитическую активность только в присутствии предварительно раскрученной матричной двухцепочечной ДНК.
Синтез цепей ДНК происходит в направлении 5'→3' растущей цепи, т.е. очередной нуклеотид присоединяется к свободному 3'-ОН-концу предшествующего нуклеотидного остатка.
Синтезируемая цепь всегда антипараллельна матричной цепи.
В ходе репликации образуются 2 дочерние цепи, представляющие собой копии матричных цепей.

дезоксирибонуклеотидов вдоль цепочки нуклеотидов ДНК, которую фермент «чита-ет» и использует в качестве шаблона.

 ДНК-зависимая ДНК-полимераза, использую-щая в качестве матрицы одну из цепей ДНК

РНК-зависимая ДНК
полимераза (другое название обратная транскриптаза, способ-
ную считывать информации с РНК (обратная транскрипция).

I; pol II; pol III.

ДНК-полимераза I состоит из одной субъединицы и обладает тремя активностями: 5′→3′-экзонуклеазной, 3′→5′-экзонуклеазной и ДНК-полимеразной.
3′→5′-экзонуклеазная активность ДНК рol-I обеспечивает удаление нуклеотидов с 5′-конца;
5′→3′-экзонуклеазная активность - разрушение праймера при синтезе фрагментов Оказаки

Субъединицы α, ε и θ образуют полимеразный кор, в котором α-субъединица обеспечивает полимераз-
ную активность, присоединяя нуклео- тиды к растущей дочерней цепи;

β-цепь выполняет роль «прищепки», которая крепит комплекс полимераз к цепи ДНК и уменьшает вероятность отделения фермента от матрицы до окончания репликации.

Фермент ДНК pol III, состоит из 10 субъ - единиц: ά,β,γ,δ,δ′,ε,θ,τ,χ,ψ. Все 10 субъединиц образуют полную форму фермента, проводя- щего репликацию - холофермента.

Ферменты элонгации репликации у прокариот

γ-, δ-, δ′-, χ-,τ-, и ψ-субъединицы связывают РНК–затравку с матрицей и активизируют ДНК-полимеразу III, ре -гулируя и усиливая действие полиме -разного кора.

входят: ДНК-полимеразы α, β, δ, ε, γ, ξ; белок RFC (replication factor С), белок PCNA (proliferating cell nuclear antigen), белок FЕN (флэп-эндонуклеаза), ДНК-лигазы, ДНК-праймазы.

ДНК-полимераза α начи- нает синтез дочерней це-пи, наращивая РНК-праймер до 30-40 нуклеотидов, а затем как нормальная полимераза, присоединяя к этому прай-меру нуклеотиды. После тог-о, как длина цепочки достиг-нет около 20 нуклеотидов, к синтезу ДНК приступают полимеразы δ и ε;

С 3′-концом праймера связывается белок RFC (репликационный фактор), состоящий из 5 субъединиц. Самая крупная из них RFC I, соединившись с 3′-концом праймера, блокирует его синтез и способствует связыванию ДНК с белком РCNA

Дальнейший синтез продолжает δ-полимераза, состоящая из 4 субъединиц, в направлении 5′→3′ растущей цепи. Она же осуществляет коррекцию ошибок синтеза (то есть, обладает кроме 5′→3′-активности еще и 3′→5′-экзонук -леазной активностью).

ДНК-полимеразы ε и β принимают участие в репарации ДНК, ДНК-полимераза γ участ- вует в репликации митохондриальной ДНК. β-полимераза застраивает бреши, образовавшиеся после удаления РНК-участка праймера, обладая ДНК-полимеразной активностью.

Ферменты элонгации репликации у эукариот

ДНК-полимеразы η, ι, κ, и Rev1 из семейства Y, а также ζ из семейства B. Эти полимеразы задействованы в пропуске поврежденных участков ДНК[3].
Существуют также другие эукариотические ДНК-полимеразы, которые пока недостаточно изучены: θ, λ, φ, σ и μ.

обладает 5’-3’-экзонуклеазным действием. Эту функцию выполняют другие ферменты. Только полимеразы, осуществляющие элонгацию (γ, δ и ε) обладают 3'-5'-экзонуклеазными свойствами.

и 5'-3', и 3'-5'-экзонуклеазным действием; дейст-вует на запаздывающей цепи для удаления РНК- праймеров и дорепликации очищенных мест ДНК
ДНК-полимераза II участвует в репликации (репарация)поврежденной ДНК. Обладает способностью 5'-3'-удлинения цепочки и 3'-5'-экзонуклеазным действием;
ДНК-полимераза III — основная полимераза бактерий, обладающая также 3'-5'-экзонуклеазным действием;
ДНК-полимераза IV, ДНК-полимераза семейства Y;
ДНК-полимераза V, ДНК-полимераза семейства Y, принимающая участие в пропуске поврежденных участков ДНК.

5 ′ 3′ активностью и способны удлинять цепь ДНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды.
Три полимеразы (pol I, pol II и pol III) имеют обратную 3′ 5′ экзонуклеазную актив-ность, т.е. способны за собой устранять неправильно вставленные нуклеотиды и рабо-тать в обратную сторону.
- ДНК pol I – единственная ДНК-полимера-
за, которая имеет дополнительно 5 ′ 3′- экзонук-леазную активность для удаления РНК-прайме-ра, т.е. продвигаясь вперед,«съедать» нуклеотиды.

ферментов при репликации
 ДНК.
Белки скользящего зажима являются важным компонентом
ДНК-полимеразы III и предотвращают диссоциацию фермента от матрицы ДНК. Одним из таких белков является белок PCNA

одноцепочечной матрице ДНК. Праймаза играет ключевую роль в репликации ДНК, так как неизвестно ни одной ДНК-полимеразы, способной начать синтез ДНК без затравки (праймера).

на участках теломер, которые располагаются на концах
 хромосом  в эукариотических клетках.
Теломеры содержат уплотнённую ДНК и стабилизируют хро-мосомы. При каждом делении клетки теломерные участки укора-чиваются. Существование механизма, компенсирующего укороче-ние теломер (теломеразы), было предсказано в 1973 году
А.М.Оловниковым. Теломераза состоит из обратной транскрип-тазы , особой молекулы РНК, которая используется в качестве матрицы для обратной транскрипции во время удлинения теломер.

потеря концевых последовательностей ДНК вследс-твие их недорепликации ведет к старению клетки.
Иными словами, предполагалось, что процесс укоро-чения теломер и есть тот часовой механизм, который оп-ределяет репликативный потенциал "смертной" клетки, и когда длина теломер становится угрожающе короткой, этот механизм предотвращает дальнейшее деление клетки.
А.М. Оловников предположил также, что в нестаре-ющих клетках (а к ним кроме раковых относятся зароды-шевые, стволовые и другие генеративные клетки) должна существовать специализированная ферментативная сис-тема, которая контролирует и поддерживает длину тело-мерной ДНК.

от ее 3конца → к 5'-концу. Соответственно, дочерняя цепь синте-зируется в направлении 5'→ 3'. В противоположном направлении синтез цепи ДНК фермент катализировать не может .
Кроме того, ДНК-полимераза начинает синтез только со специального РНК-праймера - короткой РНК-затравки, комплементарной ДНК. После окончания синтеза ДНК РНК-праймеры удаляются, а пропуски в одной из дочерних цепей ДНК заполняются ДНК-полимеразой.
Однако на 3'-конце ДНК такой пропуск заполнен быть не может, и поэтому 3'-концевые участки ДНК остаются однотяжевыми, а их 5'-концевые участки – недореплициро-ванными. Отсюда ясно, что каждый раунд репликации хромосом будет приводить к их укорочению. Понятно, что прежде всего должна сокращаться длина теломерной ДНК.