Вопрос. ДНК, ее химический состав, структура и функция. Репликация ДНК, ее типы.

Нуклеиновые кислоты – это линейные неразветвленные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды, связанные фосфодиэфирными связями.

Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) (рис.2).

Нуклеотиды – это органические вещества, молекулы которых состоят из остатка пентозы (рибозы или дезоксирибозы), к которому ковалентно присоединены остаток фосфорной кислоты и азотистое основание.

Рис.2. Строение нуклеиновых кислот

 

Азотистые основания в составе нуклеотидов делятся на две группы: пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (цитозин, тимин и урацил).

Дезоксирибонуклеотиды включают в свой состав дезоксирибозу и одно из азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц).

Рибонуклеотиды включают в свой состав рибозу и одно из азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), урацил (У), цитозин (Ц).

ДНК – самая большая молекула в клетке. Она намного больше белков и РНК.

Каждая хромосома - это одна молекула ДНК.

ДНК – это биополимер с молекулярной массой 10 -100 млн., мономерами которого являются 4 типа нуклеотидов. В последовательности ее нуклеотидов записана вся наследственная программа организма

Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации.

В основе построения молекулы ДНК лежит правила Чаргаффа:

1. Сумма пуриновых нуклеотидов (Пур) равна сумме пиримидиновых нуклеотидов (Пир) (Пур = Пир, или Пур/Пир=1).

2. Молярное содержание аденина равно молярному содержанию тимина (А = Т, или А/Т= 1).

3. Молярное содержание гуанина равно молярному содержанию цитозина (Г = Ц, или Г/Ц=1).

4. Количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина (А + Ц=Г + Т, или А + Ц/Г + Т=1).

5. В ДНК из различных источников неодинаково соотношение нуклеотидов: у одних преобладает содержание аденина над гуанином, тимина над цитозином (А + Т>Г + Ц) — это так называемый АТ-тип ДНК, у других преобладают гуанин и цитозин над аденином и тимином (Г + Ц>А + Т), это — ГЦ-тип ДНК. Таким образом, ДНК из различных источников отличается по нуклеотидному составу, что выражается различной величиной отношения Г + Ц/А + Т. В связи с этим Э. Чаргафф выдвинул положение о видовой специфичности ДНК по нуклеотидному составу.

Объяснение правилам Чаргаффа дали Уотсон и Крик.

ДНК – это 2 цепочки, соединенные по принципу комплементарности.

Существует несколько типов ДНК: А, В, С, Z – формы.

Таблица 2. Формы ДНК

Параметры	B-форма	А-форма	С-форма	Z-форма
спираль	правозакручена	правозакручена	правозакручена	левозакручена
ед. повтора	1 пн	1пн	1пн	2пн
пн в обороте	10,4	10,7	9.3
диаметр	23,7А	25,5А		18,4А
вращение/пн	35,9	33,6	38,7	60/2
наклон пн к оси	-1,2	+19		-9
раст. м-у пн вдоль оси	0.332 nm	0.23 nm		0.38 nm
длина оборота	34А	28А	31А	34,4А

 

Репликация ДНК — процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК.

Ø Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов.

Ø Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот.

Ø Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду).

Ø Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК.

Ø Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон.

Ø Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.

Принципы репликации

1. Комплементарность – в соответствии с правилами Чаргаффа

2. Антипараллельность цепей ДНК – противоположная направленность двух нитей двойной спирали ДНК; одна нить имеет направление от 5' к 3', другая - от 3' к 5'.

3. Полуконсервативность - в результате репликации образуются две двойные дочерние спирали, каждая из которых сохраняет (консервирует) в неизменном виде одну из половин материнской ДНК. Вторые цепи дочерних молекул синтезируются из нуклеотидов заново по принципу комплементарности к нитям материнской ДНК.

4. Униполярность – ферменты, синтезирующие новые нити ДНК, называемые ДНК-полимеразами, могут передвигаться вдоль матричных цепей лишь в одном направлении - от их 3'-концов к 5'-концам. При этом синтез комплементарных нитей всегда ведется в 5'→ 3' направлении, то есть униполярно. Поэтому в процессе репликации одновременный синтез новых цепей идет антипараллельно.

5. Прерывистость – для того, чтобы новые нити ДНК были построены по принципу комплементарности, двойная спираль должна быть раскручена и родительские цепи вытянуты. Но раскручивание спиралей, состоящих из многих миллионов пар нуклеотидов, сопряжено со столь значительным количеством вращений и такими энергетическими затратами, которые невозможны в условиях клетки. Поэтому репликация начинается одновременно в нескольких местах молекулы ДНК. Участок между двумя точками, в которых начинается синтез дочерних цепей, называется репликоном. Он является единицей репликации. В каждой молекуле ДНК эукариотической клетки имеется много репликонов. В каждом репликоне можно видеть репликативную вилку - ту часть молекулы ДНК, которая под действием специальных ферментов уже расплелась. Каждая нить в вилке служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепи. В ходе репликации вилка перемещается вдоль материнской молекулы, при этом расплетаются новые участки ДНК. Так как ДНК-полимеразы могут двигаться лишь в одном направлении вдоль матричных нитей, а нити ориентированы антипараллельно, то в каждой вилке несколько ферментов одновременно ведут синтез ДНК в виде фрагментов по 1000 нуклеотидов. Эти фрагменты имеют противоположную направленность. Когда вилка перемещается, синтезированные фрагменты, комплементарные одной цепи, сшиваются друг с другом, образуя растущие дочерние цепи. Такой механизм синтеза новых цепей ДНК фрагментами называется прерывистым.

6. Потребность в затравке – ДНК-полимераза не способна начать синтез. Она может лишь наращивать уже имеющуюся полинуклеотидную нить. Откуда же берётся начальный 5'-концевой участок растущей цепи? Его синтезирует особая РНК-полимераза, называемая праймазой (от англ. primer - затравка). Размер рибонуклеотидной затравки невелик (< 20 нуклеотидов). Выполнившая свою функцию РНК-затравка удаляется специальным ферментом.