Matricea sintezei ADN
Abilitatea celulelor de a menține o ordine înaltă a organizării lor depinde de informațiile genetice, care sunt stocate sub formă de acid deoxiribonucleic (ADN). ADN-ul este o substanță din care sunt compuse genele. Reproducerea organismelor vii, transferul proprietăților ereditare de la o generație la alta și dezvoltarea unui organism multiceluros dintr-un ovul fertilizat sunt posibile, deoarece ADN-ul este capabil de auto-reproducere. Însuși procesul de auto-reproducere a ADN-ului se numește replicare. Uneori se folosește și numele-sinonim - reduplicarea.
Deoarece cele două lanțuri au direcția opusă, ele sunt numite antiparalel. Este ușor de imaginat că dublarea ADN se datorează faptului că lanțurile se diferențiază și apoi fiecare lanț servește ca o matrice pe care se asamblează noua componentă ADN complementară. Ca rezultat, se formează două fiice, dublu-helix, care nu se disting în structură de molecula ADN parentală. Fiecare dintre ele constă dintr-un lanț al moleculei originale de ADN parentală și dintr-un lanț nou sintetizat. O astfel replicarea ADN-ului, în care se transmite o generație la alta, una dintre cele două componente care alcătuiesc molecula de ADN parental, numit semiconservatively și a fost demonstrată experimental în 1958 M. Meselson și F. Steel.
În plus, sinteza ADN-ului este caracterizată de proprietăți precum antiparalelismul și unipolaritatea. Fiecare șir de ADN are o anumită orientare. Un capăt poartă gruparea hidroxil (OH) atașată la carbonul 3 'în deoxiriboză de zahăr, la celălalt capăt al lanțului este restul acidului fosforic la poziția 5' a zahărului. Două fire complementare din molecula ADN sunt orientate în direcții opuse - antiparalerale (pentru o orientare paralelă, capătul 3 'al unui lanț ar fi capătul 3' al celeilalte). Enzimele care sintetizează noi fire de ADN, numite ADN polimeraze, se pot deplasa de-a lungul lanțurilor de matrice într-o singură direcție - de la capetele lor 3 'la capetele 5'. În acest caz, sinteza toroanelor complementare se efectuează întotdeauna în direcția 5 '3', adică unipolară. Prin urmare, în procesul de replicare, sinteza simultană a lanțurilor noi devine antiparallelă.
ADN-polimerazele pot da o "inversă", adică se deplasează în direcția 3 '5'. În cazul în care ultima unitate de nucleotide adăugată în timpul sintezei sa dovedit a fi o nucleotidă necomplementară a lanțului de șablon, aceasta va fi înlocuită cu o nucleotidă complementară. Prin desprinderea nucleotidei "greșite", ADN-polimeraza continuă să sintetizeze în direcția 5 '3'. Această abilitate de a corecta erorile a fost numită funcția corector a enzimei.
În 1957, A. Kornberg a descoperit o enzimă în E. coli, care catalizează procesul de polimerizare a ADN-ului de la nucleotide; a fost denumită ADN polimerază. Apoi, ADN polimeraza a fost detectată în alte organisme. Sa demonstrat că substraturile tuturor acestor enzime sunt trifosfații deoxiribonucleozidici (dNTPs) polimerizați pe un șablon de ADN monocatenar. ADN-polimerazele construiesc în mod consecvent un lanț de ADN monocatenar, pas cu pas, adăugând la el următoarele legături în direcția de la capătul 5 'la capătul 3', unde alegerea următorului dNTP este dictată de matrice. Montarea fiecare nou resturi de nucleotide la capătul 3 'al lanțului de creștere este însoțită de hidroliza unei legături bogate în energie între resturile prima și a doua fosfat în scindarea dNTP și pirofosfatul, ceea ce face ca reacția generală este avantajoasă energetic.
În celule, există de obicei mai multe tipuri de polimeraze ADN care au diferite funcții și au structuri diferite. Acestea pot fi construite dintr-un număr diferit de lanțuri de proteine (subunități), de la unul la zeci, dar toate lucrează pe orice secvență de nucleotide a matricei. Sarcina acestor enzime este de a face o copie exactă a fiecărei matrice.
7.2 Inițierea lanțurilor ADN
ADN-polimerazele nu pot începe sinteza ADN-ului pe matrice, ci pot adăuga noi unități de dezoxiribonucleotide la capătul 3 'al unui lanț polinucleotidic deja existent. Un astfel de lanț preformat, la care se adaugă nucleotide, se numește primare. Un primer ARN scurt sintetizează din trifosfații de ribonucleozidă enzimatică o enzimă care nu are activitate corectivă și se numește primar ADN (de la primerul-grund englez). Activitatea primazică poate să aparțin fie unei singure enzime, fie unei subunități ADN polimerazice. Primerul sintetizat de această enzimă inexactă, incapabil să corecteze erorile, diferă de restul benzii de ADN nou sintetizat, deoarece constă din ribonucleotide și poate fi îndepărtat în continuare.
Dimensiunea primerului ribonucleotidic este mică (mai mică de 20 de nucleotide) în comparație cu dimensiunea lanțului ADN format de ADN polimeraza. Primerul ARN, care își îndeplinește funcția, este îndepărtat de o enzimă specială, iar spațiul format prin aceasta este încorporat în ADN polimeraza, care utilizează drept primer un capăt 3'-OH al fragmentului adiacent. Removal primeri ARN extreme complementare la capetele 3“ale ambelor catene ale moleculelor de ADN părinte liniar conduce la faptul că lanțurile de copii sunt mai scurte de 10-20 nucleotide (in diferite specii de primeri ARN de diferite dimensiuni). Aceasta este așa numita "problemă de subreplicare a capetelor moleculelor liniare". În cazul bacterian inelar replicarea ADN-ului această problemă nu există, ca și prima dată a formării de primer ARN este îndepărtată de enzima, care umple și golul format prin creșterea capătul 3'-OH a lanțului de ADN în creștere, care vizează „coada“ este îndepărtată primer. Problema subreplicării capetelor 3 'ale moleculelor de ADN liniar este rezolvată prin celule eucariote folosind o enzimă specială numită telomerază. În 1985, a fost găsită în infuzoria echimetală a Tetrahymena thermophila și ulterior în drojdii, plante și animale, inclusiv ovarele umane.
Telomeraza este o ADN polimerază care completează capetele 3 'ale moleculelor ADN cromozomiale liniare cu secvențe scurte (6-8 nucleotide) repetate (la vertebrate, TTAGGG). Conform nomenclaturii, această enzimă se numește ADN-nucleotidă-exotransferază sau transferază terminală telomerică. În plus față de partea proteică, telomeraza conține ARN, care acționează ca un șablon pentru replicarea ADN. Lungimea ARN-ului telomerazei variază de la 150 nucleotide în protozoare până la 1400 nucleotide în drojdie, la om - 450 nucleotide. Simplul fapt de a avea în moleculă o secvență de ARN la care sinteza ADN este o bucată de matrice poate fi atribuită telomerazei deosebit revers transcriptaza, o enzimă care este capabilă să conducă sinteza ADN-ului pe șablon ARN.
Datorită faptului că, după replicarea ADN fiecare copil al lanț părinte sunt mai scurte ca dimensiune a primilor primeri ARN (10-20 nucleotide), sunt formate proeminente irecuperabile 3 „unice ale lanțului părinte. De asemenea, au recunoscut de telomeraza, care crește secvențial lanțul părinte (de sute umane ori) folosind 3'-OH capetele lor ca primeri și ARN care este o parte a enzimei, ca matriță. Capetele lungi cu un singur capăt, la rândul lor, servesc drept matrice pentru sinteza lanțurilor fiice prin mecanismul tradițional de replicare.
Reducerea treptată a ADN-ului cromozom în timpul replicării este una dintre teoriile "îmbătrânirii" coloniilor celulare. În 1971, omul de știință rus A.M. În teoria marginalotomiei (de la limita marginală latină, secțiunea Tome), Olovnikov a sugerat că acest fenomen stă la baza potențialului de dublare limitat observat în celulele somatice normale. om de știință american Leonard Hayflick la începutul anilor '60 au arătat că în cazul în care cultura ia celulele nou-născuților, atunci ei pot merge 80-90 diviziune, în timp ce celulele somatice ale tinerilor in varsta de 70 de ani sunt împărțite în doar 20 până la 30 de ori. Restricția privind numărul de diviziuni celulare se numește limita Hayflick.
7.3 Țesutul ADN-ului dublu helix
Deoarece sinteza ADN are loc pe un șablon monocatenar, trebuie precedată de separarea obligatorie (cel puțin în timp) a celor două fire ADN. Studiile efectuate la începutul anilor '60 la cromozomi de replicare a relevat un domeniu specific, bine definit de replicare, se deplasează de-a lungul părinte helix ADN-ului și având o divergență locală a două dintre lanțurile. Din cauza formei sale Y, această regiune activă a fost numită furculiță de replicare. În ea, ADN-polimerazele sintetizează moleculele ADN-ului fiică.
Cu ajutorul microscopiei electronice a replicării ADN, a fost posibil să se stabilească faptul că o zonă care este deja replicată are forma unui ochi în interiorul ADN-ului nereplicat. Este important de observat că ochiul de replicare se formează numai în acele locuri ale moleculei în care există secvențe specifice de nucleotide. Aceste secvențe, numite originea replicării. constă din aproximativ 300 de nucleotide. În funcție de existența unei replicări în una sau două direcții (și depinde de natura organismului), ochiul conține una sau două furci de replicare. Mișcarea succesivă a furculiței de replicare duce la o extindere a oțelului.
ADN-ul dublu helix este foarte stabil; pentru ca acesta să se deschidă, aveți nevoie de proteine speciale. Enzimele speciale ale helicazei ADN se mișcă rapid de-a lungul unei singure fire de ADN folosind energia de hidroliză ATP pentru transport. Întâlnindu-se pe drumul unui șantier dublu, le rupe legăturile hidrogen între baze, separă lanțurile și avansează furculița de replicare. După aceasta, proteinele speciale de destabilizare a spiralei sunt asociate cu fire simple de ADN, care nu permit închiderea unei singure fire de ADN. În același timp, ele nu acoperă bazele ADN-ului, lăsându-le disponibile pentru împerechere.
Nu trebuie să uităm că firele complementare ale ADN-ului sunt răsucite unul după celălalt într-o spirală. Prin urmare, pentru ca furculița de replicare să avanseze, întreaga parte necorespunzătoare a ADN-ului ar trebui să se rotească foarte rapid. Această problemă topologică este rezolvată prin formarea în spirală a unui fel de "balamale" care permit lanțurilor ADN să se relaxeze. Proteinele care aparțin unei anumite clase, denumite topoizomeraze ADN, introduc discontinuități cu una sau două lanțuri în lanțul ADN, permițând lanțurilor ADN să separe și apoi să repare aceste rupturi. Topoizomerazele sunt, de asemenea, implicate în dezangajarea inelelor intercalate cu dublu catenar formate în timpul replicării ADN-ului dublu catenar inelar. Cu ajutorul acestor enzime importante, dublul helix al ADN-ului din celulă poate lua o formă "sub-răsucite" cu mai puține rotații; într-un astfel de ADN, separarea celor două lanțuri ADN în furculița de replicare este mai ușoară.
7.4 Sinteza ADN pe termen scurt
Este ușor să ne imaginăm că replicarea are loc prin creșterea continuă a nucleotidei din spatele nucleotidei ambelor lanțuri noi, pe măsură ce furculița de replicare se mișcă; în acest moment, deoarece cele două catene ale ADN-ului helix antiparalel, unul dintre circuitele subsidiare ar trebui să crească în „direcția și cealaltă în 3'-5“ 5'-3. În realitate, cu toate acestea, sa dovedit că lanțurile copil să crească numai în direcția 5 „la 3“, care este întotdeauna alungește capătul 3“al primerului și matricea este citită de către o ADN polimerază în 3 'direcția Declarația 5'.Eto la prima vedere incompatibile cu mișcarea furcii de replicare într-o singură direcție, însoțite de citirea simultană a două fire antiparalene.
Soluția secretului constă în faptul că sinteza ADN are loc continuu numai pe unul dintre circuitele de matrice. În a doua catenă matriță de ADN este sintetizat fragmente relativ scurte (100do lungime de 1000 de nucleotide, în funcție de specie), numit pentru omul de știință care le-au descoperit fragmente Okazaki. Lanțul nou format, care este sintetizat în mod continuu, este numit cel care conduce, iar celălalt, colectat din fragmente de Okaucas, rămase în urmă. Sinteza fiecăruia dintre aceste fragmente începe cu un primer ARN. După un timp, primerii ARN sunt îndepărtați, gap-urile sunt create de ADN polimerază și fragmentele sunt reticulate într-un lanț ADN continuu cu o enzimă specială.
7.5 Acțiunea de cooperare a proteinelor de furculiță de replicare
Până acum, am vorbit despre participarea proteinelor individuale în replicare ca și cum ar fi lucrat independent una de cealaltă. Între timp, în realitate, majoritatea acestor proteine sunt combinate într-un complex mare care se deplasează rapid de-a lungul ADN-ului și pune în aplicare în mod consecvent procesul de replicare cu o precizie ridicată. Acest complex este comparat cu o mică mașină de cusut: proteinele individuale servesc ca "detalii", iar sursa de energie este reacția hidrolizei trifosfatilor nucleozidici. Helixul este nelegat de helicază ADN; Acest proces este asistat de topoizomeraza ADN-ului, care dezvăluie firele ADN și o serie de molecule de proteine destabilizatoare care se leagă la ambele catene ADN unice.
În regiunea furculiței, două polimeraze ADN acționează asupra lanțului principal și întârziat. Pe lanțul de conducere, ADN-polimeraza funcționează continuu, iar enzima îndelungată întrerupe și își reia activitatea utilizând primeri de ARN scurți sintetizați de primaza ADN. Moleculele de primază ADN sunt direct legate de helicază ADN, formând o structură numită primimozom. Primosomul se mișcă în direcția deschiderii furcii de replicare și sintetizează primerul ARN pe parcursul mișcării fragmentelor lui Okazaki. ADN polimeraza lanțului gazdă se mișcă în aceeași direcție și, deși la prima vedere este dificil de imaginat, ADN polimeraza din lanțul de întârziere. Pentru a face acest lucru, se crede că acesta din urmă impune un lanț de ADN, care servește ca o matrice pentru el însuși, ceea ce asigură o întoarcere de 180 de grade a ADN polimerazei din lanțul întârziat. Mișcarea coordonată a celor două polimeraze ADN asigură replicarea coordonată a ambelor toroane. Astfel, aproximativ douăzeci de proteine diferite (dintre care am numit doar o parte) lucrează simultan în furculița de replicare, realizând un proces complex, foarte ordonat și intensiv.
Aproape o jumătate de secol în urmă a fost descoperit principiul organizării structurale (moleculare) a unei substanțe genetice - acidul deoxiribonucleic (ADN). Structura ADN-ului a dat cheia mecanismului de reproducere exactă a unei substanțe genetice. Deci a existat o nouă știință - biologie moleculară. A fost formulată așa-numita dogmă centrală a biologiei moleculare: proteina ADN-ARN. Sensul său este că informația genetică înregistrată în ADN-ul este realizat sub formă de proteine, dar nu direct, ci prin inrudit polimer - acid ribonucleic (ARN), și în acest fel de acizi nucleici la proteine este ireversibil. Astfel, ADN-ul este sintetizat pe ADN, oferind propria sa reproducere a materialului genetic original din generații. Deci, este ADN care determină ereditatea organismelor, adică un set de proteine reproduse în generații și caracteristicile asociate. Proteina biosinteza este sarcina centrală a materiei vii, și acizi nucleici îi furnizează o mână, programul determină specificitatea și întregul set de proteine sintetizate, iar celălalt - mecanismul exact al redării programului în generații. În consecință, originea vieții în forma ei celulară modernă este redusă la apariția unui mecanism de biosinteză a proteinelor moștenite.
Internet: www.bankreferatov.ru; www.referatov.net; www.5ballov.ru
ZA Shabarova și A.A. Bogdanov - Chimia acizilor nucleici și a polimerilor acestora.
A. Mikelson - Chimia nucleozidelor și nucleotidelor.
Hauptman, Yu. Gref, H. Remane - Chimie organică.
BA Pavlov, AP Terentev "Curs de chimie organică".
OO Favorova. Conservarea ADN-ului într-un număr de populații: replicarea ADN-ului.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: