Удвоение нитей днк. Генетическая информация

Каким образом в митотическом цикле происходит удвоение ДНК? Объясните, в чём заключается биологический смысл этого процесса

Ответы:

Удвоение ДНК происходит в синтетической фазе интерфазы. Каждая молекула ДНК превращается в две одинаковые дочерние молекулы ДНК. Это нужно для того, чтобы во время деления клетки каждая дочерняя клетка получила свою копию ДНК. Фермент ДНК-хеликаза разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, двойная цепочка ДНК расплетается на две одинарных. Затем фермент ДНК-полимераза достраивает каждую одинарную цепочку до двойной по принципу комплементарности. Каждая дочерняя ДНК содержит одну цепочку из материнской ДНК и одну новосинтезированную – это принцип полуконсервативности. Согласно принципу антипараллельности цепочки ДНК лежат друг к другу противоположными концами. ДНК может удлиняться только 3-концом, поэтому в каждой репликационной вилке только одна из двух цепочек синтезируется непрерывно. Вторая цепочка (отстающая) растет в 5-направлении с помощью коротких (100-200 нуклеотидов) фрагментов Оказаки, каждый из которых растет в 3-направлении, а затем с помощью фермента ДНК-лигазы присоединяется к предыдущей цепочке. Скорость репликации у эукариот – 50-100 нуклеотидов в секунду. В каждой хромосоме имеется множество точек начала репликации, от каждой из которых расходятся 2 репликационные вилки; за счет этого вся репликация занимает около часа. Удвоением ДНК называется сложный процесс её самовоспроизведения. Благодаря свойству молекул ДНК самоудваиваться возможно размножение, а также передача наследственности организмом своему потомству, ведь полные данные о строении и функционировании находятся в закодированном виде в генной информации организмов. ДНК – является основой наследственных материалов большинства микро- и макроорганизмов. Правильное название процесса удвоения ДНК - репликация (редупликация).

Удвоение с образованием двух идентичных копий - явление вполне нормальное в Часто такое удвоение называют репликацией. Последняя может происходить на разных уровнях организации материи - от непосредственно ДНК до хромосом и целых клеток. При этом, если процесс прошел без сбоев, получаются две идентичные единицы. Репликация - это ювелирно точное удвоение.

Как нигде точно

Самым интересным и базовым для всех других видов считается ДНК-репликация. Это процесс, происходящий в течение нескольких стадий, на каждой из которых точность критична, ведь неточность спровоцирует синтез абсолютно неправильного белка, непригодного для использования в клетке и в организме в целом.

Начало начал

Репликация клетки начинается с которое имеет последствием удвоение хромосом. Но репликация - это краеугольный камень всего процесса. Он состоит из трех стадий: во-первых, инициация, во-вторых, элонгация, в-третьих, терминация. Работа ферментов начинается с особых точек - репликаторов и только с них. Начало в неправильном месте исказило бы весь процесс. Фермент-катализатор активирует особые белки, формирующие пререпликационный комплекс, необходимый для удвоения ДНК. Перед размножением ДНК разрезается на две части специальными ферментами.

Дополняющая цепочка

При элонгации на матрице строится комплементарная материнской цепь. То есть такая, которая потом может сформировать целостную молекулу. Процесс заканчивается терминацией, которая тоже происходит в определенной точке. Существует особая единица - репликон. Это тот фрагмент ДНК, который отстраивается за раз. Репликация ДНК - основа, без нее невозможна репликация хромосом. Последняя происходит тогда, когда клетка готовится к делению.

Белок как признак

Начинается удвоение хромосомы буквально через несколько часов после того, как произошло удвоение ДНК. Чтобы отстроилась хромосома, нужны не только новые комплекты но еще и белки, входящие в состав хромосомного аппарата, а их синтез требует времени. Ускоренная репликация - это признак онкологических заболеваний. Если обнаруживается слишком много белка, характерного для интенсивного врач начинает бить тревогу.

Пространства достаточно

Есть в процессе репликации интересная особенность - в пространстве ядра точки синтеза новых ДНК расположены довольно равномерно, таким образом, не происходит искажений, которые могло бы спровоцировать взаимное влияние. Точек довольно много, как правило, полтора-два десятка.

Как именно будут организованы хромосомы, зависит от того, происходит в клетке митоз или мейоз. В первом случае в образовавшейся клетке будет обычный набор, во втором - половинчатый. Ведь оставшуюся половину принесет клетка второго партнера в Если же в мейозе вдруг получится полный набор, или будет нежизнеспособной, или произойдет зачатие больного ребенка. Впрочем, такие дети все равно чаще всего не рождаются, происходит выкидыш на ранней стадии беременности, которые мать может принять за месячные или овуляционное

Могу. Вопрос насколько простыми

ДНК состоит из двух цепей, соединенных между собой достаточно слабой связью (водородные мостики), скрученных в спираль. Каждая цепь это последовательность особых сложных веществ называемых нуклеотидами, основная часть которых - азотистое основание. В составе ДНК их четыре вида: А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин), Ц (цитозин). Нуклеотиды в противоположных цепях ДНК располагаются не как попало, а согласно определенному принципу (комплементарности): "А" соединяется с "Т", "Г" соединяется с "Ц". По сути, какую либо генетическую информацию несет лишь одна цепь, а вторая нужна, чтобы в случае чего починить первую (по принципу комплементарности)

Теперь про самоудвоение. Научное название этого процесса - репликация, в результате которой образуются две молекулы ДНК, но в каждой новой ДНК присутствует одна старая материнская цепь (полуконсервативный механизм).

Стоит заметить что у безъядерных организмов (прокариот) и имеющих ядро (эукариот) этот процесс протекает подобным образом, но при участии различных ферментов. На всякий скажу, что фермент - это белковая молекула, выполняющая определенную специфическую биохимическую функцию.

Итак, вначале необходимо раскрутить спираль, для этого есть специальный фермент (топоизомераза), она двигается вдоль цепей ДНК выпрямляя их за собой, но при этом сильнее закручивая перед собой, когда степень закручивания достигает определенного критического уровня, топоизомераза разрезает одну из цепей и за счет раскрутки снижает напряжение, после заново сшивает и едет дальше. В комплексе с ней действует второй фермент (хеликаза), который разрушает водородные связи между цепями выпрямленной ДНК, после чего они расходятся в разные стороны.

Далее процесс происходит с отличиями: есть лидирующая цепь и отстающая.
На лидирующей цепи в направлении расплетения происходит присоединение нуклеотидов ферментом ДНК-полимеразой 3 по принципу комплементарности - одна молекула ДНК готова.

На отстающей цепи все сложнее. У ДНК-полимераз есть две неприятных особенности: первая - они способны перемещаться вдоль цепей ДНК только в определенном направлении, и если на лидирующей цепи это движение было в сторону расплетения, то на отстающей оно обязательно в противоположную; вторая - для начала работы ей нужно куда то прицепиться (по научному к затравке). Роль затравки тут выполняют короткие молекулы РНК, синтезируемые РНК-полимеразой так же по принципу комплементарности к цепи ДНК (этому ферменту затравка не нужна), их синтезируется большое количество и они во многих местах цепляются к отстающей цепи. Далее к ним подходит ДНК-полимераза 3 и заполняет промежутки между ними. Такой участок РНК + ДНК называется фрагментом Оказаки. Следующий этап это удаление РНК последовательностей из отстающей цепи ДНК: с этим успешно справляется ДНК-полимераза 1, которая заменяет одни нуклеотиды на другие (у ДНК и РНК они отличаются по химической структуре). После этого разъедененные участки сшиваются ферментом лигазой - вторая молекула ДНК готова.

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.

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.