Ф КГМУ 4/3-04/02

ИП №6 от 14 июня 2007 г.
Карагандинский Государственный Медицинский Университет

Кафедра молекулярной биологии и медицинской генетики

Лекция
Тема 7: «Биосинтез нуклеиновых кислот Репликация ДНК, Нуклеиновые кислоты. Проблемы концепции Мир РНК».

Дисциплина: Молекулярная биология и медицинская генетика

Специальность: 5В130200 «Стоматология»

Курс: 1

Время: 50 мин.


Караганда 2013

Утверждена на заседании кафедры.

Протокол № _1_ от «_02_» __09__2013

Заведующий кафедрой ____________________ Б.Ж. Култанов

Структура лекции
Тема 7: «Биосинтез нуклеиновых кислот Репликация ДНК, Нуклеиновые кислоты. Проблемы концепции Мир РНК».

Цель: изучение механизмов репликации ДНК, ферментов, принимающих участие в процессе репликации.
План лекции:

1.Механизм репликации.

2.Понятие репликон, репликационная вилка.

3.Компоненты ферментного комплекса.

4.Синтез лидирующей цепи и фрагментов Оказаки.

5.Теломеры и функции теломер.

6.Понятие репарации.

Тезисы лекции

Репликация - это важнейший внутриядерный процесс. Это способность к самокопированию, приводит к удвоению количества ДНК. Репликация происходит благодаря особенностям химической организации молекулы ДНК, состоящей из двух комплементарных цепей.

В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь.

В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ удвоения, при котом каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь называется полуконсервативным.

Механизм репликации.

Для осуществления репликации цепи материнской ДНК отделяются друг от друга и становятся матрицами, на которых будут синтезироваться комплементарные цепи дочерних молекул.

Расплетание спирали ДНК в отдельных зонах происходит с помощью фермента геликазы. Образующиеся одноцепочечные участки связываются специальными дестабилизирующими белками. Молекулы этих белков способствуют связыванию азотистых оснований с комплементарными нуклеотидами, находящимися в нуклеоплазме.

Области расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называют репликационными вилками.

В процессе синтеза репликационная вилка движется вдоль материнской спирали, захватывая все новые зоны.

Конечным результатом процесса репликации является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых идентична материнской двойной спирали.

Последовательность событий репликации сходна у прокариот и эукариот, но скорость синтеза ДНК у прокариот выше (1000 нуклеотидов/сек), у эукариот ниже (100 нуклеотидов /сек).

Высокая скорость репликации становится возможной из-за участия системы ферментов: геликазы, топоизомеразы, дестабилизирующих белков, ДНК-полимеразы, РНК-праймазы, ДНК-лигазы и др.

Фрагмент ДНК от точки начала репликации до точки ее окончания – называется – репликон.

Кольцевые ДНК прокариот представляют отдельный репликон.

Эукариотические хромосомы содержат много репликонов. Поэтому удвоение молекулы ДНК у эукариот начинается в нескольких точках. В разных репликонах удвоение может идти в разное время или одновременно.

Удлинение цепи ДНК (или ее отдельного фрагмента) всегда происходит в направлении от 5'- конца к 3'- концу, т.е. нуклеотиды присоединяются к 3' концу растущей цепи.

Так как в молекуле ДНК комплементарные цепи антипараллельны, то растущая цепь также антипараллельна матричной, которая считается от 3' → к 5'- концу.

Ферментные комплексы функционирую так, что одна из двух синтезируемых цепей растет с опережением, по сравнению с другой, поэтому первая цепь называется лидирующей, а вторая- запаздывающей или отстающей.

Лидирующая цепь образуется в виде длинного непрерывного фрагмента, (для сперматогоний это 1 млн. 600 тыс. нуклеотидов).

Запаздывающая цепь образуется в виде коротких фрагментов. Это фрагменты Оказаки, их синтез так же идет в направлении от 5' → 3' концу (по типу шитья «назад иголкой»).

У прокариот фрагменты Оказаки содержат 1000-2000 нуклеотидов, у эукариот 100-200 нуклеотидов.

Синтез каждого такого фрагмента предшествует образование РНК-затравки длиной около 10 нуклеотидов. Вновь образованный фрагмент с помощью фермента ДНК-лигазы соединяется с предшествующим после удаления его РНК-затравки. (РНК-затравка необходима для работы основного фермента ДНК- полимеразы, синтезирующей ДНК).

Компоненты ферментного комплекса.

В процессе репликации участвуют от 15-20 белков. Все эти белки делятся на 3 группы:

I.Белки, подготавливающие родительскую ДНК к репликации. Специальные узнающие белки связываются со специфической последовательностью оснований (чаще А-Т) (Считают, что эти белки появляются в результате модификации). Это и будет точка начала репликации. Эти белки перемещаются по ДНК в составе ДНК - реплицирующего комплекса. Первый фермент этой группы – геликаза он обеспечивает расплетание двойной спирали ДНК в районе репликативной вилки.

Но расплетание спирали вызывает суперспирализацию перед этим участком, т.к. ДНК в некоторых местах зафиксирована на ядерном матриксе и не может свободно вращаться.

Поэтому на этих участках работает фермент топоизомераза, предупреждая образование супервитков.

II.Ферменты полимеризации.

1.Специальный белок выполняет функцию активатора праймазы, после чего праймаза синтезирует на участке ДНК короткую РНК – затравку или праймер.

2.ДНК – полимеразы осуществляет последовательное включение нуклеотидов в новую цепь ДНК, комплементарно нуклеотидам родительской цепи.

3.Ферменты, завершающие репликацию ДНК. В результате действия предыдущих ферментов каждая новая синтезированная цепь состоит из фрагментов, примыкающих друг к другу. Сшивание соседних фрагментов осуществляет лигаза, она способствует образованию между нуклеотидами фосфодиэфирной связи.

Т.о. репликация ДНК завершена, кроме репликации ее концов или теломерных участков. В репликации теломер принимает участие фермент теломераза.

Белки, участвующие в процессе репликации ДНК:

1.ДНК - геликаза- расплетает двойную спираль ДНК, разделяя полинуклеотидные цепи.

2.Дестабилизирующие белки – выпрямляют участок цепи ДНК.

3.ДНК – топоизомераза, разрывает фосфодиэфирную связь в одной из полинуклеотидных цепей ДНК, снимая напряжение из-за расплетения спирали.

4.РНК - праймаза синтезирует РНК-затравки или праймеры для дочерней цепи и фрагментов Оказаки.

5.ДНК-полимераза осуществляет непрерывный синтез лидирующей цепи и синтез фрагментов Оказаки отстающей цепи.

6.ДНК - лигаза сшивает фрагменты Оказаки после удаления ДНК-затравки.

ДНК-полимераза не может начать с «нуля» (она отвечает за синтез ДНК), а РНК-полимераза обладает такой особенностью, поэтому она и начинает образовывать фрагменты ДНК, на основании РНК последовательностей.

Иллюстративный материал: презентация

Литература:

Основная:

1. 
   Гинтер Е.К. Медицинская генетика. М., Медицина, 2003.
   
2. 
   Генетика. Учебник для медвузов/ Под ред. академика РАМН В.И. Иванова. – М..: ИКЦ «Академкнига», 2006.– 640с..
   
3. 
   Введение в молекулярную медицину./Под.ред. М.А.Пальцева, М.Медицина, 2004
   
4. 
   Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология: учеб.пособие для медвузов.-М.: Мед. информ. агентство, 2003 г.- 536 с.
   
5. 
   Фаллер, ЖДжеральд М. Молекулярная биология клетки: Руководство для врачей. Пер. с анг. – М.: Бином-Пресс, 2006 г. – 256 с.
   

Дополнительная:

1. 
   Казымбет П.К., Мироедова Э.П. Биология. Учебное пособие для студентов медицинских вузов. – Астана, 2006, 2007.
   
2. 
   Медицинская биология и генетика/ Под.редакцией Куандыкова Е.У., Алматы, 2004
   
3. 
   Пехов А.П. Биология: мед. Биология, генетика и паразитология: Учебник/ А.П. Пехов. М.: ГОЭТОР-Медиа, 2011. – 653 с.
   
4. 
   Стамбеков С.Ж., Короткевич О.С., Петухов В.Л. Генетика: Учебник для вузов РК/ - Новосибирск: 2006. – 616 с.
   

Контрольные вопросы:

1. Фермент, расплетающий спирали ДНК?

2. Какая цепь ДНК образуется в виде коротких фрагментов?

3. Какие ферменты осуществляют последовательное включение нуклеотидов в новую цепь ДНК?

4. Какие ферменты осуществляют сшивание соседних фрагментов?

5. Основные функции теломер.

6. Каким образом устраняют ошибки, обнаруженные в ходе репликации?