Параграф 78. репликация днк, теломеры

Автор текста – Анисимова Елена Сергеевна.
Авторские права защищены. Продавать текст нельзя.
Курсив НЕ НУЖНО зубрить.

Замечания можно присылать по почте: exam_bch@mail.ru
https://vk.com/bch_5

См. сначала 70, 73 и 74, 77, затем 79.

ПАРАГРАФ 78:
«Репликация ДНК, теломеры.»

Содержание параграфа:

78. 1. Определение ре(ду)пликации.
Способ репликации ДНК: …
78. 2. Репликация ДНК, ее особенности.
Этапы репликации:
1-й этап репликации: …
2-й этап репликации: …
Пояснения перед описанием третьего этапа репликации.
Использование цепей ДНК в качестве матриц:
Порядок присоединения нового нуклеотида
Отличия в синтезе двух дочерних цепей.
Направление «чтения» матричных цепей.
3-й этап репликации. Начало синтеза дочерних цепей ДНК.
4-й этап репликации…
Сравнение ДНК-полимеразы и ДНК-лигазы.
Субстраты при синтезе ДНК-овых цепочек: …
Таблица «Э т а п ы  с и н т е з а  Д Н К»
78. 3. ТЕЛОМЕРЫ.
Фермент теломераза
78. 4. Связь репликации с клеточным циклом.

Напоминания:
ДНК – это цепь (дезокси)нуклеотидов.
Точнее – это полимер из нуклеотидных остатков в качестве мономеров.

Цепь ДНК обычно соединена с другой цепью ДНК
водородными связями между азотистыми основаниями одной цепи
и комплементарными им азотистыми основаниями другой цепи
(с аденином соединён тимин двумя связями,
а с гуанином соединён цитозинтремя связями).

Эти две соединённых цепи ДНК образуют двойную спираль двух цепочек ДНК,
которая называется ДУПЛЕКСОМ и считается молекулой ДНК.
Молекулы ДНК обычно соединены с гистонами и другими белками,
образуя нуклеопротеиды (хроматин).
Хроматин определённой структуры называется хромосомой.
ДНК, хроматин и хромосома – не синонимы.

После деления соматической клетки на две дочерние клетки
в дочерних клетках должно оказаться столько же ДНК,
сколько было в материнской клетке.
(В половых клетках есть нюансы – см. мейоз).

Чтобы это обеспечить – молекулы ДНК перед делением клетки нужно УДВОИТЬ
за счёт синтеза ДНК
(в фазе синтеза – S-фазе клеточного цикла).
А затем разделить ДНК между дочерними клетками при делении клетки
(в фазе М – фазе митоза).

Вот это удвоение ДНК и называется репликацией ДНК.

Не путайте с репарацией ДНК (п.79) и репликацией РНК (п.77 и 86).

В клетках человека перед митозом удваивается количество ДНК всех 46 хромосом.
Вместо 46 дуплексов появляется 92 дуплекса,
но после их образования и до разделения дуплексы связаны друг с другом
и не считаются разными хромосомами, а называются хроматидами.

78. 1. Определение ре(ду)пликации.

Репликация ДНК – это удвоение ДНК.

Это кратко, но не точно. Точнее:
Репликация – процесс синтеза ДНК,
в результате которого ДНК удваивается –
то есть вместо одного дуплекса появляется два дуплекса.

Эти два дуплекса после репликации остаются связанными (в области так называемой центромеры)
и называются ХРОМАТИДАМИ до тех пор,
пока при делении клетки они не разделятся
и не разойдутся по разным частям клетки («расхождение хроматид»),
став хромосомами будущих дочерних клеток.

Способ репликации ДНК:

В каждом новом дуплексе
одна цепь ДНК – из исходного дуплекса,
 а вторая цепь ДНК – синтезированная при репликации.

Поэтому говорят, что репликация протекает полуконсервативным способом.
При репликации цепи исходного дуплекса выполняют функцию матрицы
для синтеза новых цепей, которые называют ДОЧЕРНИМИ;
цепи исходного дуплекса называют МАТРИЧНЫМИ.

Неверно говорить, что при репликации синтезируются два дуплекса. –
Один дуплекс уже был и до репликации,
и его цепи включаются в состав обоих новых дуплексов.
Два новых дуплекса только ОБРАЗУЮТСЯ в результате синтеза дочерних цепей.

При репликации ДНК происходит синтез ДНК на матрице ДНК.
Но синтез ДНК бывает и на матрице РНК –
он называется обратной транскрипцией – см. п.80.
Поэтому неверно говорить, что синтез ДНК – это репликация.
Бывает репликация не ДНК, а РНК – см. п.77.
Поэтому неверно говорить, что репликация – это синтез ДНК.
Репликация – это синтез НК на матрице такой же НК.
Но в этом параграфе вместо «репликация ДНК» говорится просто «репликация».

78. 2. Репликация ДНК, ее особенности.

Для репликации ДНК
цепи дуплекса нужно отделить друг от друга,
чтобы они смогли стать матрицами для синтеза на них дочерних цепей.

А так как дуплекс обычно намотан на гистоновые октамеры,
образует фибриллы, петлевые домены и т.д.
(другими словами – так как ДНК имеет третичную структуру, суперспирализацию – п.73),
то перед разделением цепей дуплекса сначала нужно «размотать» сам дуплекс – «снять суперспирализацию».

Этапы репликации:
1-й этап репликации:
«Размотку» хроматина до состояния дуплекса,
снятие суперспирализации осуществляют ферменты, которые называются ТОПОИЗОМЕРАЗАМИ.

Топоизомеразы же помогают разделять цепи дуплекса:
чтобы при разделении цепей неразделённые участки не скручивались слишком «туго»,
топоизомеразы разрезают ФДЭ связь одной из двух цепей,
а затем снова образуют эту же связь
после того как разрезанная цепь «перемотается» вокруг второй цепи
для устранения «тугого скручивания».
Чтобы понять, что происходит, представьте две скрученные спиралями вокруг друг друга верёвки,
которые Вы пытаетесь отделить друг от друга в середине:
соседние с участком разделения участки двойной спирали верёвки
скрутятся слишком сильно.
Чтобы продолжить разделение цепей, придётся одну верёвку разрезать (в зоне «тугого скручивания»), размотать вокруг второй верёвки, а затем зашить разрез.

2-й этап репликации:

Цели дуплекса отделяются друг от друга
за счёт разрыва водородных связей между цепями
(между азотистыми основаниями одной цепи
и комплементарными им азотистыми основания другой цепи)
благодаря ферменту, который называется ХЕЛИКАЗОЙ.

При отделении цепей дуплекса друг от друга
образуется так называемая РЕПЛИКАТИВНАЯ ВИЛКА –
зона дуплекса, в которой цепи дуплекса разделены.

Благодаря работе хеликазы
происходит разделение цепей и далее –
поэтому говорят, что репликативная вилка движется.
После разделения цепей дуплекса хеликазой
они фиксируются в разделённом состоянии
с помощью специальных белков, благодаря которым цепи не воссоединяются.

Разделение цепей дуплекса начинается не в одной точке ДНК,
а одновременно во множестве точек дуплекса,
которые называются точками начала репликации (origin по-английски)
или точками ori.
Таких точек примерно сто. Репликация занимается примерно 9 часов.

Пояснения перед описанием третьего этапа репликации.
После разделения цепей дуплекса
его цепи могут использоваться в качестве МАТРИЦ
для синтеза на них дочерних цепей.
Поэтому репликация относится к матричным синтезам (п.77).

Использование цепей ДНК в качестве матриц:
заключается в том, что
к нуклеотидам матричных цепей
присоединяются комплементарные им нуклеотиды будущей дочерней цепи
водородными связями.

Например, к нуклеотиду матричной цепи с основанием аденин
присоединится нуклеотид дочерней цепи с комплементарным аденину основанием тимин –
двумя водородным связями между аденином и тимином.

К тимину матричной цепи присоединится аденин нуклеотида дочерней цепи,
к гуанину матричной цепи присоединится цитозин нуклеотида дочерней цепи,
к цитозину матричной цепи присоединится гуанин нуклеотида дочерней цепи.

Между аденином и тимином образуется по две водородные связи,
а между гуанином и цитозином образуется по три водородные связи.
Именно поэтому аденин комплементарен тимину,
а тимин комплементарен аденину,
гуанин комплементарен цитозину,
а цитозин коплементарен гуанину.

Благодаря этому, порядок нуклеотидов дочерних цепей не случайный,
а строго определённый – он определён порядком нуклеотидов матричной цепи.

Чтобы синтезировать дочернюю цепь –
нужно соединить нуклеотиды дочерней цепи между собой
фосфодиэфирными связями,
которые образуются
между атомом кислорода 3’ положения предыдущего нуклеотида
и атомом фосфора в 5’ положении следующего нуклеотида.
Атом фосфора присоединяется «вместо» атома водорода
ОН группы при 3-м атоме углерода рибозы или дезоксирибозы.

Порядок присоединения нового нуклеотида
к предыдущему при синтезе нуклеиновых кислот такой:

1 – к нуклеотиду матричной цепи
присоединяется комплементарный ему новый нуклеотид
(водородными связями между основанием нуклеотида матричной цепи
и основанием нуклеотида будущей дочерней цепи),
содержащий ТРИ фосфата.
В итоге новый нуклеотид присоединён водородными связями
к нуклеотиду матричной цепи,
но не присоединен к предыдущему нуклеотиду синтезируемой цепи
фосфодиэфирной связью – нужно присоединить:

2 – два фосфата из трёх фосфатов присоединяемого нуклеотида отщепляются –
это даёт ЭНЕРГИЮ для образования связи
между присоединяемым нуклеотидом синтезируемой цепи
и предыдущим нуклеотидом синтезируемой цепи.

Связь образуется между атомом кислорода предыдущего нуклеотида
в 3’ положении
и атомом фосфора в 5’ положении присоединяемого нуклеотида
(у которого теперь не три, а один фосфат).

Из-за этого в начале синтезируемой цепи ДНК находится нуклеотид,
5’ положение которого не образовало фосфодиэфирной связи с другим нуклеотидом,
то есть является свободным.
Этот конец ДНК называют 5’-концом ДНК.

А на другом конце ДНК свободно 3’ положение. –
Этот конец ДНК  называют 3’ концом ДНК.
В дуплексе напротив 5’ конца одной цепи находится 3’ конец другой цепи –
из-за этого говорят, что цепи дуплекса, двойной спирали антипараллельны друг другу.

Направление синтеза цепи ДНК – от 5’ конца к 3’ концу.
(А направление считывания матрицы: от 3 конца матрицы к 5 концу матрицы).

Отличия в синтезе двух дочерних цепей.

Матричные цепи ДНК антипараллельны.
И синтезируемые на них (после разделения матричных цепей) дочерние цепи
ориентированы так, чтобы быть антипараллельными своим матричным цепям.

Из-за этого дочерние цепи синтезируются в противоположных направлениях
(по отношению друг к другу).

При движении репликативной вилки
(то есть при продолжении разделения цепей дуплекса)
направление синтеза одной дочерней цепи такое же,
как направление движения репликативной вилки,
а направление синтеза другой дочерней цепи – противоположное направлению движения репликативной вилки.

Первая цепь называется ведущей или ЛИДИРУЮЩЕЙ
(та, направление синтеза которой такое же,
как направление движения реплитикативной вилки).
А вторая цепь называется ОТСТАЮЩЕЙ
(та, направление синтеза которой не совпадает
с направлением движения репликативной вилки).

Из-за несовпадения направления синтеза отстающей цепи
с направлением движения репликативной вилки
отстающая цепь синтезируется более мелкими участками, чем ведущая –
это участки отстающей цепи называются фрагментами Оказаки – см. далее.

Ведущая цепь синтезируется непрерывно
от одной точки репликации до другой (точки ori),
то есть в рамках репликона,
синтез ведущей дочерней цепи катализируется ДНК-полимеразой дельта (;), которая присоединяет по 100 нуклеотидов в секунду.

Таблица «Дочерние цепи при репликации ДНК»
(сначала прочтите про 3-й и 4-й этап репликации)
Ведущая цепь Отстающая цепь
1. Совпадает ли направление синтеза дочерней цепи с направлением движения репликативной вилки совпадает Не совпадает
2. Синтезируется ли цепь непрерывно в рамках репликона непрерывно Фрагментами
(Оказаки)
3. Какими ферментами синтезируется ДНК-полимераза ; Праймаза = ДНК-ПМ ;,
ДНК-ПМ ;, ДНК-ПМ ;, ДНК-лигаза (сшивает)

Направление «чтения» матричных цепей.

Из-за антипараллельности матричной цепи и дочерней цепи
получается, что при синтезе дочерней цепи в направлении от 5’ конца к 3’ концу
матричная цепь считывается в противоположной направлении,
то есть от 3’ конца – к 5’ концу.

3-й этап репликации. Начало синтеза дочерних цепей ДНК.

Дочерние цепи ДНК должны состоять и синтезироваться из дезоксинуклеотидов.
Но в самом начале синтеза дочерних цепей используются не дезоксинуклеотиды,
а рибонуклеотиды, которые впоследствии заменяются дезоксинуклеотидами.
Такова особенность репликации ДНК.

Из рибонуклеотидов образуется короткая цепочка длиной от 10 до 200 рибонуклеотидов,
которая является олигорибонуклеотидом и называется ПРАЙМЕРОМ
(от английского слова prime – первый).
Праймер является короткой РНК.
Фермент, который синтезирует праймер, называется ПРАЙМАЗОЙ
или ДНК-полимеразой ;.
Хотя и синтезирует он не ДНК, а РНК, хоть даже это и является этапом при синтезе ДНК.

Праймер, как и РНК, синтезируется из АТФ, ГТФ, УТФ и ЦТФ.

При присоединении этих нуклеотидов два фосфата отщепляются,
чтобы дать энергию для присоединения нового нуклеотида
к предыдущему нуклеотиду растущей цепочки нуклеотидов (фосфодиэфирной связью).
В итоге состоит праймер из АМФ, ГМФ, УМФ и ЦМФ.

Так как синтез ДНК начинается с синтеза праймера,
то праймер называют ЗАТРАВКОЙ при репликации.

4-й этап репликации.

К последнему (рибо)нуклеотиду праймера
присоединяется ДЕЗОКСИнуклеотид,
к этому первому дезоксинуклеотиду
присоединяется второй дезоксинуклеотид и т.д. –
пока на пути не встретятся нуклеотиды другого праймера.

Таким образом происходит наращивание последовательности (цепочки) уже дезоксинуклеотидов, то есть ДНК-овой цепочки.
Фермент, который катализирует этот процесс, называется ДНК-полимеразой (;, то есть эпсилон – это можно не запоминать).

После этого происходит удаление (рибо)нуклеотидов праймера
и их замена дезоксинуклеотидами
за счёт их присоединения к дезоксинуклеотидам синтезируемой цепочки ДНК.

В итоге образуется участок ДНК, который называется фрагментом Оказаки
(от первого дезоксинуклеотида, присоединявшегося к праймеру,
по последний дезоксинуклеотид из числа присоединённых
вместо нуклеотидов праймера).

После удаления праймера
и его замены на цепочку из дезоксинуклеотидов
остаётся соединить последний нуклеотид данного участка ДНК
с первым дезоксинуклеотидом соседнего участка ДНК
за счёт образования фосфодиэфирной связи между этими нуклеотидами.

То есть соединить нужно последний нуклеотид одного фрагмента Оказаки и первый нуклеотид соседнего фрагмента Оказаки.

Соединение двух соседних нуклеотидов
за счёт образования фосфодиэфирной связи
катализируется ферментом ДНК-лигаза,
который образует связь за счёт энергии расщепления АТФ.
Так как оба соединяемых нуклеотида содержат по одному фосфату.

Сравнение ДНК-полимеразы и ДНК-лигазы.

ДНК-полимераза ПРИСОЕДИНЯЕТ новые нуклеотиды
и этим удлиняет синтезируемую цепь нуклеотидов,

а ДНК-лигаза НЕ присоединяет нуклеотиды и не удлиняет цепь, не наращивает –
она только соединяет уже «установленные» нуклеотиды между собой.

ДНК-полимераза образует ФДЭ связь за счёт энергии,
выделяющейся при отщеплении двух из трёх фосфатов присоединяемого нуклеотида,
а ДНК-лигаза образует ФДЭ связь за счёт энергии, выделяющейся при расщеплении АТФ.

Субстраты при синтезе ДНК-овых цепочек:

При присоединении дезоксинуклеотидов используются 4 дезокси/нуклеотида:
дАТФ, дГТФ, дГТФ и дЦТФ, то есть дезокси/нуклеоЗид/ТРИфосфаты.

Из-за отщепления от каждого из них двух фосфатов
при образовании ФДЭ связей
ДНК состоит из дАМФ, дГМФ, дГТФ и дЦМФ,
то есть из дезокси/нуклеоЗид/МОНОфосфатов.

 Таблица «Э т а п ы  с и н т е з а  Д Н К»

Этапы 1-6 относятся к репликации,
этап 7 не относится к репликации, но относится к синтезу ДНК.
На этапах 1-6 матрицей является ДНК (её матричные цепи),
а на этапе 7 матрицей является РНК (см. далее о теломерах).

Репликация ДНК дуплекса («удвоение» ДНК)
приводит к образованию двух дуплексов
(до деления клетки эти дуплексы связаны между собой) –
это нужно для того, чтобы при делении клетки (путем митоза) каждая из двух новых клеток получила по дуплексу.

Образованные после репликации два новых дуплекса называются хроматидами
(эти хроматиды после разделения и образования новых клеток станут называться хромосомами).

(Приставка « олиго- »означает «несколько»)
Способ репликации ДНК называется полуконсервативным, потому что в каждом из двух новых дуплексов:
одна цепь – из прежнего дуплекса (служившая при репликации матричной цепью),
а вторая цепь – синтезирована при репликации (называлась при репликации дочерней цепью).

Соединение нуклеотидов синтезируемой дочерней цепи происходит так – к нуклеотиду матричной цепи водородными связями присоединяется комплементарный ей первый нуклеотид (НТФ) данного участка синтезируемой цепи.
Затем ко второму (в направлении 3; ; 5;) нуклеотиду матричной цепи водородными связями присоединяется комплементарный ему второй нуклеотид (НТФ) синтезируемой цепи
(при этом направление синтеза дочерней цепи получается противоположным направлению чтения матричной цепи –  5; ; 3;, то есть от 5; конца к 3; концу.).
После этого происходит образование фосфодиэфирной связи между двумя нуклеотидами (первым и вторым) синтезируемой цепи (при этом два фосфата второго нуклеотида отщепляются, и за счет энергии, которая выделяется при их отщеплении, образуется ФДС).
Затем к третьему нуклеотиду матричной цепи водородными связями присоединяется комплементарный ему 3-й нуклеотид синтезируемой цепи. После этого происходит образование фосфодиэфирной связи между вторым и третьим нуклеотидами синтезируемой цепи. И так далее.

78. 3. ТЕЛОМЕРЫ.

У ядерной ДНК человека и эукариот есть концы,
то есть она не замкнутая. На её концах есть особые участки.
Теломеры – это концы хромосом.
Теломераза – это фермент, который способен образовывать теломеры.

После удаления праймера
образующаяся на его месте «пустота» брешь заполняется нуклеотидами
за счёт их присоединения к участку ДНК соседнего участка репликации
(см. выше 5-й этап репликации).

Но НА КОНЦАХ ДНК таких участков нет (по определению),
удлинением которых можно было бы заполнить брешь.

Поэтому после удаления праймера на конце ДНК
остающаяся на его месте брешь остаётся незаполненной нуклеотидами,
то есть ДНК получается укороченной.

Из-за большого количества делений клеток
такое укорочение ДНК при каждой репликации привело бы к значительному укорочению ДНК,
а значит и к потере большого количества генов,
что привело бы к гибели и повреждению клеток, нарушению их функций.

Поэтому на концах хромосом человека есть специальные участки,
которым можно укорачиваться и терять при репликации ДНК и делении клеток.

Эти концевые участки ДНК называются теломерами.
Благодаря теломерам при делении клеток не теряются гены,
то есть дочерние клетки получают все гены, которые были в материнской клетке.

Но так как теломеры укорачиваются при каждом делении клетки, то после очередного делении клетки теломерные участки хромосом «заканчиваются», после чего при следующих делениях (если клетка будет делиться) при укорочениях ДНК будут теряться уже гены, что может привести к гибели клеток.

Фермент теломераза

Чтобы этого избежать – в некоторых клетках есть фермент, способный образовывать теломеры.
Этот фермент называется теломеразой.
Пока этот фермент может работать – теломерные участки не «закончатся», и клетка может делиться вечно.

Теломераза работает в часто делящихся клетках быстро пролиферирующих тканей
(иначе они не смогли бы часто делиться из-за укорочения ДНК и потери генов) –
в эмбриональных клетках, в предшественниках клеток крови, смерматозоидов и т.д.

В не делящихся или редко делящихся клетках
теломераза не нужна, поэтому в них она перестаёт работать.

В ходе онтогенеза во многих соматических клетках активность теломеразы снижается
(или снижается её синтез за счёт подавления (репрессии) транскрипции гена, кодирующего теломеразу, на ранних этапах эмбриогенеза),

поэтому при делениях этих клеток теломеры не образуются,
что приводит
к укорочению ДНК при каждом делении
и к ухудшению качества клеток в каждом новом поколении клеток.

Это считается одним из механизмов старения
(другие механизмы – это повреждение тканей активными формами кислорода,
особенно ДНК митохондрий п.27 и 76),
гликозилированием белков (п.37 и 103),
аутоиммунными процессами,
отложениями амилоидов п.83 и 79 и т.д.).

Предполагают, что
возобновление работы гена теломеразы в таких соматических клетках могло бы помочь замедлить старение.
Или внедрение гена теломеразы в клетки.

Для возобновления синтеза теломеразы в клетке нужно
или удалить факторы, подавляющие синтез теломеразы (репрессирующие) или ингибирующие её,
или привнести в клетку факторы, стимулирующие синтез теломеразы (индуцирующие факторы п.85) или активирующие.

Патологический аспект теломеразы.

При превращении клеток в опухолевые (п.87) происходит
возобновление работы гена теломеразы,
которое позволяет клетке делиться вечно –
иначе из-за укорочения ДНК опухолевые клетки не могли бы делиться бесконечно.

Но сама по себе работа теломеразы не превращает клетку в опухолевую (п.87). Работа теломеразы – необходимое,
но не единственное условие превращения клетки в опухолевую.
Предполагают, что прекращение работы теломеразы в опухолевых клетках
могло бы прекращать рост опухоли
и стать одним из методов лечения онкологических заболеваний.

Прекратить работу теломеразы, как и любого белка,
можно за счёт ингибирования её молекул
или за счёт подавления синтеза её молекул (то есть за счёт репрессии).

Это один из примеров того, что для успешного поиска и нахождения новых методов лечения полезно знать биохимию и изучать молекулярные основы здоровья и болезней.

78. 4. Репликация и клеточный цикл.

Репликация происходит перед делением клетки – перед митозом.
Чтобы после митоза в дочерних клетках оказалось столько же ДНК,
сколько было в материнской клетке.
В клеточном цикле выделяют 4 фазы.
Фаза, в которой происходит митоз, называется M-фазой.
Фаза клеточного цикла, в которую происходит репликация (синтез ДНК) называется фазой синтеза или S-фазой.
Фаза после S-фазы и перед M фазой называется постсинтетической (G2 фазой),
фаза после М-фазы фазы и перед S-фазой называется пресинтетической (G1).

После митоза клетка может не готовиться к новому делению
(например, нейроны почти не делятся в течение жизни) и находиться в G0-фазе.

Переход клетки от одной фазы клеточного цикла к другой
регулируется гормонами и внутриклеточными белками.

Некоторые из белков, регулирующих клеточный цикл, называют ЦИКЛИНАМИ.

Циклины выполняют функцию активаторов тех протеинкиназ,
которые участвуют в делении клетки.
Образование комплексов циклинов
с активируемыми ими протеинкиназами
(с циклин-зависимыми протеинкиназами) способствует делению клетки.

Циклины и активируемые ими протеинкиназы могут рассматриваться субъединицами единого комплекса (олигомера – см. п.59).

Точность регуляции клеточного цикла и репликации очень важна:
если деление клеток не происходит,
то это препятствует процессам заживления повреждений тканей,
а также процессам образования новых клеток эпителия или новых клеток крови и т.д. (см. п.35).

А если деление клеток происходит больше, чем нужно, то возникает риск разрастания ткани – см. п.87.