Всі живі організми здатні до обміну речовин з навколишнім середовищем, поглинаючи з неї елементи, необхідні для живлення, і виділяючи продукти життєдіяльності. В круговороті органічних речовин найсуттєвішими стали процеси синтезу і розпаду.
Асиміляція або пластичний обмін - сукупність реакцій синтезу, які йдуть з витратою енергії АТФ. У процесі асиміляції синтезуються органічні речовини, необхідні клітці. забезпечує зростання, розвиток, оновлення організму і накопичення запасів, які використовуються в якості джерела енергії. Організми з точки зору термодинаміки є відкриті системи, т. Е. Можуть існувати тільки при безперервному припливі енергії ззовні. Асиміляція врівноважується сумою процесів дисиміляції (розпаду). Прикладом таких реакцій є фотосинтез, біосинтез білка і реплікація ДНК.
Амінокислоти -> Білки
Глюкоза -> Полісахариди
Гліцерин + Жирні кислоти -> Жири
Нуклеотиди -> Нуклеїнові кислоти
Інша сторона обміну речовин - процеси дисиміляції, в результаті яких складні органічні сполуки розпадаються на прості сполуки, при цьому втрачається їх схожість з речовинами організму і виділяється енергія, що запасається у вигляді АТФ, необхідна для реакцій біосинтезу. Тому дисиміляцію називають ще енергетичним обміном. Найбільш важливими процесами енергетичного обміну є дихання і бродіння.
Білки -> Амінокислоти
Полісахариди -> Глюкоза
Жири -> Гліцерин + Жирні кислоти
Нуклеїнові кислоти -> Нуклеотиди
Обмін речовин забезпечує сталість хімічного складу і будови всіх частин організму і як наслідок - сталість функціонування в безупинно мінливих умовах навколишнього середовища.
Дезоксирибонуклеїнової кислоти, її будова і властивості. Мономери ДНК. Способи з'єднання нуклеотидів. Комплементарність нуклеотидів. Антипаралельні полінуклеотидні ланцюга. Реплікація і репарація.
Структура молекули ДНК була розшифрована в 1953р Уотсоном, Криком, Вілкінсом. Це дві спірально закручені антипаралельні (навпроти кінця 3 / одного ланцюга розташовується 5 / кінець інший) полінуклеотидні ланцюга. Мономерами ДНК є нуклеотиди. до складу кожного з них входять: 1) дезоксирибоза; 2) залишок фосфорної кислоти; 3) одна з чотирьох азотистих основ (аденін, тимін, гуанін, цитозин). ). У клітинах прокаріотів (бактерій і архей) кільцева або лінійна молекула ДНК, так званий нуклеоїд. прикріплена зсередини до клітинної мембрани. ДНК - це довга полімерна молекула, що складається з послідовності блоків - нуклеотидів. Нуклеотиди з'єднуються в ланцюжок завдяки фосфорно-діефірним зв'язків між дезоксирибозою одного залишку і залишком фосфорної кислоти іншого нуклеотиду. Азотисті основи приєднуються до дезоксирибози і утворюють бічні радикали. Між азотистими підставами ланцюжків ДНК встановлюються водневі зв'язку (2 між А і Т, 3 між Г і Ц). Суворе відповідність нуклеотидів один одному в парних ланцюжках ДНК називається комплементарностью.
Репарації ДНК особлива функція клітин, яка полягає в здатності виправляти хімічні пошкодження і розриви в молекулах ДНК, пошкодженої при нормальному біосинтезі ДНК в клітині або в результаті впливу фізичних або хімічних агентів. Здійснюється спеціальними ферментними системами клітини. Ряд спадкових хвороб (напр. Пігментна ксеродерма) пов'язаний з порушеннями систем репарації. Кожна з систем репарації включає наступні компоненти:
ДНК-ХЕЛІКАЗИ - фермент, «що довідався» хімічно змінені ділянки в ланцюзі і здійснює розрив ланцюга поблизу від пошкодження; фермент, що видаляє пошкоджену ділянку;
ДНК-полімераза - фермент, що синтезує відповідну ділянку ланцюга ДНК замість вилученого;
ДНК-лігаза - фермент, який замикає останню зв'язок в полімерного ланцюга і тим самим відновлює її безперервність.
Реплікація молекул ДНК відбувається в синтетичний період інтерфази. Кожна з двох ланцюгів "материнської" молекули служить матрицею для "дочірньої". Після реплікації знову синтезована молекула ДНК містить одну "материнську" ланцюжок, а другу - "дочірню", знову синтезовану (напівконсервативний спосіб). Для матричного синтезу нової молекули ДНК необхідно, щоб стара молекула була деспіралізованние і витягнута. Реплікація починається в декількох місцях молекули ДНК. Ділянка молекули ДНК від точки початку однієї реплікації до точки початку інший називаетсярепліконом. Прокаріотична клітина містить один реплікон, а еукаріотична - містить багато репліконов. Початок реплікації активується праймерами (затравки), що складаються з 100-200 пар нуклеотидів. Фермент ДНК-геліказа розкручує і розділяє материнську спіраль ДНК на 2 нитки, на яких за принципом комплементарності за участю ферменту ДНК-полімерази збираються «дочірні» ланцюга ДНК. Фермент ДНК-топоізомераза скручує «дочірні» молекули ДНК. У кожному РЕПЛІКОН ДНК-полімераза може рухатися вздовж «материнської» нитки тільки в одному напрямку (3 / ⇒ 5 /). Таким чином, приєднання комплементарних нуклеотидів дочірніх ниток йде в протилежних напрямках (антипараллельно). Реплікація в усіх РЕПЛІКОН йде одночасно. Фрагменти Окадзакі і частини «дочірніх» ниток, синтезовані в різних РЕПЛІКОН, зшиваються в єдину нитку ферментом лігази. Реплікація характеризується напівконсервативним, антипаралельними і переривчастістю (фрагменти Окадзакі).
Механізм репарації заснований на наявності в молекулі ДНК двох комплементарних ланцюгів. Спотворення послідовності нуклеотидів в одній з них виявляється специфічними ферментами. Потім відповідну ділянку видаляється і заміщується новим, синтезованим на другий комплементарного ланцюжка ДНК. Таку репарацію називають ексцизійної, тобто з «вирізанням». Вона здійснюється до чергового циклу реплікації, тому її називають також дореплікатівной.
У тому випадку, коли система ексцизійної репарації не виправляє зміни, що виник в одного ланцюга ДНК, в ході реплікації відбувається фіксація цієї зміни і воно стає надбанням обох ланцюгів ДНК. Це призводить до заміни однієї пари комплементарних нуклеотидів на іншу або до появи розривів (проломів) у знову синтезованої ланцюга проти змінених ділянок. Постреплікатівной репарація здійснюється шляхом рекомбінації (обміну фрагментами) між двома новоствореними подвійними спіралями ДНК. Приклад-відновлення нормальної структури ДНК при виникненні тимінових димарів (Т-Т) Ковалентні зв'язку, що виникають між рядом стоять залишками тиміну, роблять їх нездатними до зв'язування з комплементарними нуклеотидами. В результаті у знову синтезованої ланцюга ДНК з'являються розриви (проломи), впізнавані ферментами репарації. Відновлення цілісності нової полінуклеотидних ланцюга однієї з дочірніх ДНК здійснюється завдяки рекомбінації з відповідною їй нормальної материнської ланцюгом іншої дочірньої ДНК. Утворився в материнській ланцюга пробіл заповнюється потім шляхом синтезу на комплементарної їй полінуклеотидних ланцюга. Проявом такої постреплікатівной репарації, здійснюваної шляхом рекомбінації між ланцюгами двох дочірніх молекул ДНК, можна вважати нерідко спостерігається обмін матеріалом між сестринськими хроматидами.
18. Реплікація молекули ДНК. Реплікон. Праймер. Принципи реплікації ДНК: напівконсервативним, антипаралельність, уривчастість (фрагменти Окадзакі). Фази реплікації: ініціації, елонгації, термінації. Особливості реплікації ДНК про- і еукаріот.
Здатність до самокопірованію- реплікація. Це властивість забезпечується двухцепочечной структурі. У процесі реплікації на кожній полінуклеотидних ланцюга материнської молекули ДНК синтезується комплементарна їй ланцюг. Такий спосіб подвоєння молекул, при якому кожна дочірня молекула містить одну материнську і одну знову синтезовану ланцюг, називають напівконсервативним.
Для здійснення реплікації ланцюга материнської ДНК повинні бути відокремлені один від одного, щоб стати матрицями, на яких будуть синтезуватися комплементарні ланцюга дочірніх молекул. C допомогою ферменту гелікази. розриває водневі зв'язки, подвійна спіраль ДНК розплітається в точках початку реплікації. Утворені одинарні ланцюга ДНК зв'язуються спеціальними дестабілізуючими білками, які розтягують остови ланцюгів, роблячи їх азотисті основи доступними для зв'язування з комплементарними нуклеотидами, що знаходяться в нуклеоплазмі. На кожній з ланцюгів, що утворюються в області вилки реплікації, за участю ферменту ДНК-полімерази здійснюється синтез комплементарних ланцюгів.
Синтез другий ланцюга ДНК здійснюється короткими фрагментами (фрагменти Окадзакі) також в напрямку від 5'до 3'-кінця. Синтезу кожного такого фрагмента передує утворення РНК-затравки довжиною близько 10 нуклеотидів. Новоутворена фрагмент за допомогою ферменту ДНК-лігази з'єднується з попереднім фрагментом після видалення його РНК-затравки. У зв'язку з зазначеними особливостями репликационная вилка є асиметричною. З двох синтезованих дочірніх ланцюгів одна будується безперервно, її синтез йде швидше і цей ланцюг називають лідируючої. Синтез інший ланцюга йде повільніше, так як вона збирається з окремих фрагментів, які потребують освіти, а потім видалення РНК-затравки. Тому такий ланцюг називають запізнілої (відстає). Хоча окремі фрагменти утворюються в напрямку 5 '→ 3', в цілому ця ланцюг росте в напрямку 3 '→ 5'. Реплікація ДНК у про- і еукаріот в основних рисах протікає схоже, однак, швидкість синтезу у еукаріот на порядок нижче, ніж у прокаріот. Причиною цього може бути освіту ДНК еукаріот досить міцних з'єднань з білками, що ускладнює її деспіралізаціі, необхідну для здійснення репликативного синтезу.
Праймер - це короткий фрагмент нуклеїнової кислоти, комплементарний ДНК або РНК-мішені, служить запалом для синтезу комплементарної ланцюга за допомогою ДНК-полімерази, а також при реплікації ДНК. Запал необхідна ДНК-полімеразам для ініціації синтезу нового ланцюга, з 3'-кінця праймера. ДНК-полімераза послідовно додає до 3'-кінця праймера нуклеотиди, комплементарні матричної ланцюга.
Реплікон- одиниця процесу реплікації ділянки геному, к-рий перебуває під контролем однієї точки ініціації (початку) реплікації. Від точки ініціації реплікація йде в обидві сторони, в деяких випадках з нерівній швидкістю. Реплікація ДНК - ключова подія в ході поділу клітини. Принципово, щоб до моменту розподілу ДНК була реплицирована повністю і при цьому тільки один раз. Це забезпечується певними механізмами регуляції реплікації ДНК. Реплікація проходить в три етапи:
Регуляція реплікації здійснюється в основному на етапі ініціації. Це досить легко можна здійснити, тому що реплікація може починатися не з будь-якої ділянки ДНК, а зі строго певного, званого сайтом ініціації реплікації. У геномі таких сайтів може бути як всього один, так і багато. З поняттям сайту ініціації реплікації тісно пов'язане поняття реплікон. Реплікон - це ділянка ДНК, який містить сайт ініціації реплікації і реплицируется після початку синтезу ДНК з цього сайту.
Реплікація починається в сайті ініціації реплікації з розплітання подвійної спіралі ДНК, при цьому формується репликационная вилка - місце безпосередній реплікації ДНК. В кожному сайті може формуватися одна або дві Реплікаційний вилки в залежності від того, чи є реплікація одно- або двобічної. Більш поширена двунаправленная реплікація. Через деякий час після початку реплікації в електронний мікроскоп можна спостерігати реплікаційний вічко - ділянка хромосоми, де ДНК вже реплицирована, оточений більш протяжними ділянками нерепліцірованной ДНК.
Напівконсервативним означає, що кожна дочірня ДНК складається з однієї матричної ланцюга і однією знову синтезованої.
Антипаралельність ланцюгів ДНК: протилежна спрямованість двох ниток подвійної спіралі ДНК; одна нитка має напрямок від 5 'до 3', інша - від 3 'до 5'.
Кожна ланцюг ДНК має певну орієнтацію. Один кінець несе гідроксильну групу (- ОН), приєднаної до 3'-вуглецю в цукрі дезоксирибози, на іншому кінці ланцюга знаходиться залишок фосфорної кислоти в 5'-положенні цукру. Дві комплементарні ланцюги в молекулі ДНК розташовані в протилежних напрямках - антипараллельно: одна нитка має напрямок від 5 'до 3', інша - від 3 'до 5'. При паралельній орієнтації напроти 3'-кінця одного ланцюга знаходився б З'-кінець інший.
У прокаріот одна з ниток ДНК розривається і один кінець її прикріплюється до клітинної мембрани, а на протилежному кінці відбувається синтез дочірніх ниток. Такий синтез дочірніх ниток ДНК отримав назву «котиться обруча». Реплікація ДНК протікає швидко.