Маълумот

S2018_Лексия20_Хондан - Биология

S2018_Лексия20_Хондан - Биология


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Спирали дугонаи ДНК ва такрори он

Миқёси мушкилот

Дар ин модул мо такрори ДНК - яке аз талаботҳои асосии системаи зинда барои барқарорсозӣ ва эҷоди насли ояндаро баррасӣ мекунем. Нахуст ба таври мухтасар доираи масъаларо бо рохи ташбехи адабй дида мебароем.

Геноми инсон аз тақрибан 6.5 миллиард ҷуфтҳои асосии ДНК иборат аст, агар касе геномаи диплоидии пурраро ба назар гирад (яъне, агар шумо ДНК -ро, ки аз ҳарду волидон мерос гирифтаед). Шаш нуқтаи панҷ миллиард чунин ба назар мерасад: 6,500,000,000. Ин рақами калон аст. Барои беҳтар фаҳмидани он, ки ин рақам чӣ маъно дорад, тасаввур кунед, ки ДНК-и мо маҷмӯи дастурҳои хаттӣ барои сохтани яке аз мост. Бо қиёси мо метавонем онро бо як ҳуҷҷати дигари хаттӣ муқоиса кунем. Барои ин мисол мо бо баррасии мисоли Толстой оғоз мекунем Ҷанг ва сулҳ, як романе, ки бисёриҳо бо табиати ҳаҷман калонаш шиносанд. Маълумот аз Википедиа тахмин мезанад Ҷанг ва сулҳ тақрибан 560,000 калима дорад. Асари дуюми хаттӣ, ки ба бисёриҳо шинос аст, ҳафт ҷилди Ҷ. Роулинг Ҳаррӣ Поттер. Ин кор ~ 1,080,000 калимаро тафтиш мекунад (Омори истинодшуда дар Википедия). Агар фарз кунем, ки дарозии калимаи миёнаи инглисӣ панҷ аломат аст, ду асари адабӣ мутаносибан 2,8 миллион ва 5,4 миллион аломатро ташкил медиҳанд. Аз ин рӯ, ҳатто ҳамаи ҳафт ҷилди "Гарри Поттер" нисбат ба геномҳои худи мо аломатҳои беш аз 1000 маротиба камтар доранд. Шумораи аломатҳои ин романҳо бо вуҷуди ин, ба шумораи нуклеотидҳо дар як геноми маъмулии бактерияҳо наздиктар аст.

Ҳоло як лаҳза тасаввур кунед, ки мошин ё раванди механикӣ (на раванди электронӣ) таҳия мешавад, ки барои хондан ва нусхабардории ин китобҳо масъул аст. Ё худ тасаввур кунед, ки ин матнҳоро нусхабардорӣ мекунед. Шумо ин корро чӣ қадар тез карда метавонистед? Эҳтимол дорад, ки шумо чанд хато кунед? Оё шумо интизоред, ки байни суръате, ки шумо метавонед нусхабардорӣ кунед ва саҳеҳӣ, мубодилае вуҷуд дорад? Ин раванд ба кадом намуди захираҳо ниёз дорад? Чӣ қадар энергия лозим аст? Акнун тасаввур кунед, ки чизи 1000х калонтарро нусхабардорӣ кунед! Оҳ, ва танҳо барои андозагирии хуб, дастгоҳи механикии хаёлии шумо бояд кори худро дар матне, ки паҳнои ~ 25Å (яъне, 0,0000000025 метр) дорад, иҷро кунад. Барои муқоиса, як шрифти маъмулии даҳ нуқта ~ 0,00025 метр васеъ аст, тақрибан 100,000x калонтар аз паҳнои як ҷуфти пойгоҳи ДНК.

Бо дарназардошти ин, бояд қайд кард, ки як ҳуҷайраи инсон метавонад тақрибан 24 соат тақсим шавад (аз ин рӯ такрори ДНК бояд каме тезтар бошад). Саломат E. coli Ҳуҷайра метавонад барои тақсимшавӣ ҳамагӣ 20 дақиқа вақт гирад (аз ҷумла такрори ~ 4,5 миллион геноми ҷуфтии он). Ҳам инсон ва ҳам бактерия ин корро мекунанд, дар ҳоле ки маъмулан чанд хатои кофӣ мекунанд, ки насли минбаъда қобили ҳаёт ва шинохта боқӣ мемонад. Ин бояд хеле аҷиб ба назар расад! Акнун фикр кунед, ки бадани инсон аз ~ 10 триллион ҳуҷайра (10 000 000 000 000) иборат аст ва он метавонад аз ду то даҳ маротиба аз шумораи сокинони микробҳо дошта бошад ва ин тақсимоти ҳуҷайраҳои зиёдеро ба назар гирифтан лозим аст.

Мушкилоти тарроҳӣ

Агар ҳуҷайра такрор шавад - ҳадафи ниҳоии он - нусхаи ДНК бояд офарида шавад. Ҳамин тариқ, як изҳорот/савол дар бораи мушкилот ин аст, ки "чӣ тавр ҳуҷайра ДНК -и худро ба таври муассир нусхабардорӣ карда метавонад?" Бо назардошти аналогияи дар боло овардашуда, дар ин ҷо якчанд зерсаволҳои дахлдор мавҷуданд: Хусусиятҳои кимиёвӣ ва физикие, ки ДНК-ро нусхабардорӣ мекунанд, кадомҳоянд? ДНК бо кадом садоқат бояд нусхабардорӣ карда шавад? Он бояд бо кадом суръат нусхабардорӣ карда шавад? Энергия барои ин вазифа аз куҷо меояд ва чӣ қадар лозим аст? "Ашёи хом" аз куҷо меояд? Мошинҳои молекулавӣ, ки дар ин раванд иштирок мекунанд, ҷамъоварии ашёи хом ва энергияеро, ки барои сохтани як молекулаи нави ДНК лозиманд, чӣ тавр ҷуфт мекунанд? Рӯйхат, албатта, метавонад идома ёбад.

Дар муҳокимаи минбаъда ва лексия мо мехоҳем ба омӯхтани он ки чӣ тавр раванди такрори ДНК анҷом дода мешавад ва ҳангоми дар хотир нигоҳ доштани баъзе саволҳои ронанда шавқманд хоҳем буд. Ҳангоми азназаргузаронии маводҳои хониш ва лексия, кӯшиш кунед, ки ҳамеша аз ин ва дигар саволҳои марбут ба ин раванд огоҳ бошед. Ин саволҳоро ҳамчун дастурамал барои ташкили фикрҳои худ истифода баред ва кӯшиш кунед, ки мувофиқат байни "далелҳо", ки шумо гумон мекунед, ки шумо бояд донед ва саволҳои ронандагӣ пайдо кунед.

Спирали дукаратаи ДНК

Барои сохтани баъзе контексти иловагӣ ба мо инчунин каме дониши аз ҷиҳати эмпирикӣ муайяншуда лозим аст. Шояд яке аз хусусиятҳои маъруф ва машҳуртарини шакли ирсии молекулаи ДНК дар он аст, ки он дорои сохтори дукарата спирали сеюм аст. Арзёбии ин ба солҳои 1950 -ум рост меояд. Ҳикояи ин бозёфт ба таври васеъ нақл карда шудааст ва тафсилот аз доираи ин матн берун аст. Хулоса, Фрэнсис Крик ва Ҷеймс Уотсон барои муайян кардани сохтори ДНК ҳисоб карда мешаванд. Ҳоло Розалинд Франклин инчунин бо тавлиди маълумоти муҳими дифраксияи рентгенӣ эътироф шудааст, ки ба Уотсон ва Крик имкон дод, ки муаммои молекулаи ДНК-ро якҷоя кунанд.

Моделҳои сохтори ДНК муайян карданд, ки молекула аз ду риштаи нуклеотидҳои ба ковалентӣ алоқаманд иборат аст, ки дар атрофи ҳамдигар печида, чархи дасти ростро ташкил медиҳанд. Дар ҳар як занҷир нуклеотидҳо бо ду пайванди нуклеотидҳои дигар (ба истиснои ақсои як рахи хатӣ) тавассути пайвандҳои фосфодиэстер, ки шакарҳоро тавассути гурӯҳҳои 5 'ва 3' гидроксил мепайванданд, пайваст карда мешаванд (панели б дар расми 1). Ба ёд оред, ки тамғакоғазҳои 5' ва 3' ба карбонҳои молекулаи шакар ишора мекунанд. Ин занҷирҳои шакар ва фосфат маҷмӯи пайванди пайвандҳои ковалентиро ташкил медиҳанд, ки одатан онҳоро "шоҳроҳи" сохтор меноманд. Дар молекулаи хатӣ, ҳар як ришта ду нӯги озод дорад. Якеро охири 5' меноманд, зеро гурӯҳи функсионалии ҷудонашаванда, ки одатан дар пайвастани нуклеотидҳо иштирок мекунанд, фосфатест, ки ба 5' карбон пайваст аст. Нуқтаи дигари риштаро охири 3 'меноманд, зеро гурӯҳи функсионалии пайвастнашуда, ки маъмулан дар пайвастани нуклеотидҳо иштирок мекунад, гурӯҳи гидроксил мебошад, ки бо карбон 3' -и шакар алоқаманд аст. Азбаски ду нӯги ришта симметрӣ нестанд, ин муайян ва тавсифи як самтро осон мекунад - масалан, метавон гуфт, ки онҳо аз охири 5 'то 3' мехонанд, то нишон диҳанд "пиёда" дар баробари ришта, ки аз охири 5 'оғоз мешавад ва ба сӯи 3' ҳаракат мекунад. Ин самт (5 'то 3'), ба ҳар ҳол, конвенсияест, ки аксари биологҳо истифода мебаранд. Яке метавонад ба самти муқобил (3' то 5') хонда шавад, ба шарте ки ин возеҳ бошад. Ду риштаи нуклеотидҳои бо коваленти пайвастшуда пайдо мешаванд муқобили параллел ба якдигар дар чархзании дугона; яъне ориентация/самти як ришта бар хилофи риштаи дигар аст (панели б дар расми 1). Шоҳроҳи сохторӣ дар "берун" -и спирали дугона ҷойгир буда, дар рӯи он як қатор зарядҳои манфиро ба вуҷуд меорад. Баръакс, асосҳои нитрогении ҳар як риштаҳои зиддипараллелӣ дар даруни сохтор часпида, ба якдигар мухолифанд, ки имкон медиҳад пайвандҳои гидрогенӣ байни ҷуфтҳои беназири пурин/пиримидин (A ҷуфт бо T ва G ҷуфтшавӣ бо C) ба вуҷуд оянд. Гуфта мешавад, ки ин ҷуфтҳои мушаххас иловагӣ ба тарафи дигар ва ба ин васила риштаҳои муқобили спирали дугона аксар вақт ба якдигар ҳамчун ишора карда мешаванд риштаҳои иловагӣ.

Риштаҳои иловагӣ дорои маълумоти зиёдатӣ мебошанд. Аз сабаби ҷуфткунии қатъии химиявӣ, агар шумо пайдарпаии як риштаро донед, шумо ҳатман риштаи иловагии онро медонед. Масалан, пайдарпаии 5′- C A T A T G G A T G - 3′ -ро гиред. Аҳамият диҳед, ки пайдарпай бо самт чӣ гуна шарҳ дода мешавад (бо тамғаҳои 5' ва 3' нишон дода шудааст). Мукаммалкунандаи ин пайдарпай — мувофиқи конвенсияи 5' то 3' навишта шудааст: 5′- C A T C C C A T A T G - 3′. Агар шумо мутмаин набошед, ин ду пайдарпаиро дар ёддоштҳои худ якдигар нависед ва боварӣ ҳосил кунед, ки онҳоро ҳамчун риштаҳои зиддипараллелӣ нависед. Аҳамият диҳед, ки печутоби ду риштаи иловагӣ дар атрофи якдигар боиси пайдоиши хусусиятҳои сохторӣ бо номи чуқуриҳои калон ва хурд мешаванд, ки ҳангоми муҳокимаи пайвастагии сафедаҳо бо ДНК муҳимтар хоҳанд шуд (панели в дар расми 1).

Аксарияти устодони BIS2A интизоранд, ки шумо хусусиятҳои асосии сохториро, ки дар расми дар поён овардашуда эътироф кардаед ва шумо метавонед тасвири асосии сохтори ДНК -ро худатон созед.

Расми 1. ДНК дорои (а) сохтори дугонаи спиралӣ ва (б) пайвандҳои фосфодиэстерӣ мебошад. (В) чуқуриҳои калон ва хурд маконҳои ҳатмии сафедаҳои ҳатмии ДНК ҳангоми равандҳо ба монанди транскрипсия (эҷоди РНК аз қолаби ДНК) ва реплика мебошанд.

Тақрибан дар айни замон, се гипотеза барои усулҳои такрори ДНК баррасӣ карда мешуданд. Моделҳои такрорӣ ҳамчун модели консервативӣ, модели нимконсервативӣ ва модели дисперсивӣ маълум буданд.

1. Консервативӣ: Модели консервативии репликатсия тахмин мезанад, ки ҳар як молекулае, ки аз ду занҷир иборат аст, метавонад ҳамчун қолиб барои синтези як молекулаи дубораи занҷири комилан нав амал кунад. Яъне, агар касе баъд аз репликатсия ба молекулаи ДНК-и қолаби кимиёвӣ гузошта шавад, ҳеҷ яке аз ин тег дар нусхаи нав пайдо намешавад.
2. Нимконсервативӣ: Ин фарзия пешбинӣ мекард, ки ҳар як риштаи инфиродии молекулаи ДНК метавонад ҳамчун қолаби риштаи наве хизмат кунад, ки ҳоло бо он пайваст мешавад. дар ин ҳолат, агар тамғаи кимиёвӣ ба молекулаи дуқабата ДНК гузошта мешуд, як ришта дар ҳар як нусха тамғаро нигоҳ медорад.
3. Пароканда: Ин модел пешниҳод намуд, ки спирали дугонаи нусхабардоршуда як ҷузъи қисмҳои сегментҳои муттасили риштаҳои "кӯҳна" ва "нав" хоҳад буд. Агар дар молекулаи ДНК, ки бо истифода аз механизми дисперсионӣ нусхабардорӣ шуда буд, тамғаи кимиёвӣ гузошта мешуд, кас сегментҳои алоҳидаи нусхаи натиҷаро дар бар мегирад, ки дар ҳарду ришта бо қисмҳои тамоман тамғагузашуда аломатгузорӣ шуда буданд.

Меселсон ва Стахл масъаларо дар соли 1958, вақте ки онҳо дар бораи натиҷаҳои озмоиши машҳури ҳозира гузориш доданд, ҳал карданд (дар Википедия тавсиф кунед), ки нишон дод, ки такрори ДНК нимсервативӣ аст (Расми 2), ки дар он ҳар як ришта ҳамчун шаблон барои эҷоди риштаи нав истифода мешавад. Барои гирифтани маълумоти бештар дар бораи ин озмоиш тамошо кунед The ​​Experience Meselson-Stahl.

Расми 2. ДНК дорои сохтори дугонаи спиралии зиддипараллӣ мебошад, асосҳои нуклеотидҳо бо ҳам пайвастани гидроген мебошанд ва ҳар як ришта дигареро пурра мекунад. ДНК ба таври нимсервативӣ такрор карда мешавад, ҳар як ришта ҳамчун қолаби риштаи нав сохташуда истифода мешавад.

Репликатсияи ДНК

Пас аз муайян кардани баъзе хусусиятҳои асосии сохторӣ ва зарурати механизми ним консервативӣ, муҳим аст, ки ба фаҳмидани баъзе чизҳое, ки дар бораи ин раванд маълуманд ва дар бораи он фикр кардан мумкин аст, ки агар онҳо барои фаҳмидани он чӣ рафтан мехоҳанд, ба кадом саволҳо ҷавоб додан мехоҳанд. фурӯзон

Азбаски такрори ДНК як раванд аст, мо метавонем рубрикаи ҳикояи энергетикиро истифода барем, то дар бораи он фикр кунем. Дар хотир доред, ки рубрикаи ҳикояҳои энергетикӣ дар он аст, ки ба мо дар бораи систематикӣ фикр кардан дар бораи равандҳо кумак мекунад (чӣ гуна корҳо аз А то В мегузаранд). Дар ин ҳолат, раванди мавриди назар амалест, ки аз як молекулаи дугонаи занҷири ДНК оғоз ёфта, бо ду молекулаи дугона иборат аст. Ҳамин тариқ, мо саволҳои гуногун хоҳем дод: система дар ибтидои такрорӣ (модда ва энергия) чӣ гуна менамояд? Чӣ гуна модда ва энергия дар система интиқол дода мешаванд ва интиқолҳоро катализ мекунад? Система дар охири раванд чӣ гуна менамояд? Мо инчунин метавонем саволҳоро дар бораи рӯйдодҳои мушаххасе диҳем, ки БОЯД ҳангоми раванд рух диҳанд. Масалан, азбаски ДНК молекулаи дароз аст ва он баъзан даврашакл аст, мо метавонем саволҳои асосӣ диҳем, масалан, раванди такроршавӣ аз куҷо оғоз мешавад? Дар куҷо ба охир мерасад? Мо инчунин метавонем дар бораи раванд саволҳои амалӣ диҳем, масалан, вақте ки сохтори дугонаи занҷир кушода мешавад, чӣ мешавад?

Мо баъзе аз ин саволҳои асосиро дар матн ва дар синф баррасӣ мекунем ва шуморо ташвиқ мекунем, ки ҳамин тавр кунед.

Талабот барои репликатсияи ДНК

Биёед аз номбар кардани баъзе талаботҳои асосии функсионалӣ барои нусхабардории ДНК оғоз кунем, ки мо метавонем танҳо тавассути фикр кардан дар бораи раванде, ки бояд рух диҳад ва/ё барои такрор шудан лозим шавад, хулоса барорем. Пас, ба мо чӣ лозим аст?

• Мо медонем, ки ДНК аз нуклеотидҳо иборат аст. Агар мо як риштаи нав сохтанӣ бошем, ба манбаи нуклеотидҳо ниёз дорем.
• Мо метавонем хулоса барорем, ки сохтани як риштаи нави ДНК манбаи энергияро талаб мекунад - мо бояд кӯшиш кунем, ки онро пайдо кунем.
• Мо метавонем хулоса барем, ки барои дарёфти ҷой барои оғози такрорӣ бояд раванд вуҷуд дошта бошад.
• Мо метавонем хулоса барем, ки як ё якчанд ферментҳо вуҷуд доранд, ки ба катализ кардани раванди репликатсия мусоидат мекунанд.
• Мо инчунин метавонем хулоса барорем, ки азбаски ин як раванди биохимиявӣ аст, ба баъзе хатогиҳо роҳ дода мешавад.

Баррасии сохтори нуклеотидҳо

Баъзе хусусиятҳои асосии сохтории блокҳои сохтмонии нуклеотиди ДНК-ро ба ёд оред. Нуклеотидҳо ҳамчун трифосфати нуклеотид оғоз мешаванд. Нуклеотид аз як пойгоҳи нитрогенӣ, дезоксирибоза (қанди панҷ карбон) ва гурӯҳи фосфатҳо иборат аст. Нуклеотид мувофиқи асоси нитрогении худ, пуринҳо ба монанди аденин (А) ва гуанин (G) ё пиримидинҳо ба монанди цитозин (С) ва тимин (Т) номгузорӣ шудааст. Сохторҳои дар поён зикршударо ба ёд оред. Аҳамият диҳед, ки нуклеотиди трифосфати аденозин (ATP) як пешгузаштаи дезоксирибонуклеотид (dATP) мебошад, ки ба ДНК дохил карда шудааст.

Расми 3. Ҳар як нуклеотид аз қанд (рибоза ё дезоксирибоза вобаста ба сохтани РНК ё ДНК мутаносибан), як гурӯҳи фосфатҳо ва пойгоҳи нитрогенӣ иборат аст. Пуринҳо сохтори ҳалқаи дукарата доранд, ки ҳалқаи шаш узваш ба ҳалқаи панҷ узв пайваст карда шудаанд. Пиримидинҳо андозаи хурдтар доранд; онҳо як сохтори ҳалқаи шаш узв доранд. Атомҳои карбонии шакари панҷ карбон 1', 2', 3', 4' ва 5' рақамгузорӣ карда мешаванд (1' ҳамчун "як ибтидоӣ" хонда мешавад). Боқимондаи фосфат ба гурӯҳи гидроксилҳои 5' карбони як қанди як нуклеотид ва ба гурӯҳи гидроксилҳои 3' карбони шакари нуклеотиди навбатӣ пайваст шуда, ба ин васила пайванди 5'-3' фосфодиэфирро ба вуҷуд меорад.

Оғози такрорӣ

Дар куҷо дар баробари ДНК мошини такрорӣ репликатсияи ДНК -ро оғоз мекунад?

Бо миллионҳо, на миллиардҳо, нуклеотидҳо барои нусхабардорӣ, полимеразаи ДНК аз куҷо оғоз карданро медонад? Тааҷҷубовар нест, ки ин раванд тасодуфӣ нест. Силсилаҳои мушаххаси нуклеотидҳо мавҷуданд, ки онҳоро меноманд пайдоиши такрорӣ дар баробари дарозии ДНК, ки дар он репликатсия оғоз мешавад. Аммо вақте ки ин сайт муайян карда мешавад, мушкилот вуҷуд дорад. Спирали дугонаи ДНК бо таъсири мутақобилаи истихроҷи пойҳо ва пайвандҳои гидроген нигоҳ дошта мешавад. Агар ҳар як ришта алоҳида хонда ва нусхабардорӣ карда шавад, бояд механизме бошад, ки барои ҷудо кардани ду ришта аз ҳамдигар масъул аст. Энергетикӣ, ин як раванди эндергоникӣ аст. Энергия аз куҷо меояд ва ин реаксия чӣ гуна катализ мешавад? Дар ин лаҳза, далелҳои асосӣ бояд ба гипотеза оварда расонанд, ки эҳтимолияти иштироки катализатори сафеда вуҷуд дорад ва ин фермент ё пайвандҳои наверо эҷод мекунад, ки аз ҷиҳати энергетикӣ бештар мусоидтар (эксергоникӣ) нисбат ба пайвандҳое, ки вай мешиканад ВА/ЁКИ қодир аст, ки истифодаи онро ҷуфт кунад. манбаи энергияи беруна барои кӯмак ба ҷудо кардани риштаҳо.

Маълум мешавад, ки ҷузъиёти ин раванд ва сафедаҳои ҷалбшуда вобаста ба организмҳои мушаххас фарқ мекунанд ва бисёр тафсилоти сатҳи молекулавӣ ҳанӯз пурра фаҳмида нашудаанд. Аммо, дар такрори эукариотҳо, бактерияҳо ва археяҳо баъзе хусусиятҳои умумӣ мавҷуданд ва яке аз ин хусусиятҳо дар он аст, ки намудҳои гуногуни сафедаҳо дар нусхабардории ДНК иштирок мекунанд. Аввалан, сафедаҳое, ки одатан "ташаббускорон" номида мешаванд, қобилияти пайваст кардани ДНК -ро дар пайдоиши такрорӣ ё дар наздикии он доранд. Ҳамкории сафедаҳои ташаббускор бо ДНК барои ноором кардани спирали дугона ва инчунин барои ҷалби сафедаҳои дигар, аз ҷумла фермент бо номи ДНК, кумак мекунадгеликаза ба ДНК. Дар ин ҳолат энергияе, ки барои ноустувории чархзании дукаратаи ДНК лозим аст, ба назар чунин менамояд, ки аз ташаккули ассотсиатсияҳои нав байни ДНК ва сафедаҳои ташаббускор ва худи сафедаҳо бармеояд. Геликазаи ДНК як сафедаи сершуморест, ки дар раванди репликатсия муҳим аст, зеро он гидролизи экзергонии АТФ-ро бо кушодани спирали дугонаи ДНК пайваст мекунад. Протеинҳои иловагӣ бояд ба комплекси ибтидоӣ ҷалб карда шаванд (ҷамъоварии сафедаҳое, ки дар оғози транскрипсия иштирок мекунанд). Ба онҳо ферментҳои иловагӣ дохил мешаванд, вале бо онҳо маҳдуд нестанд ибтидоӣва Полимеразаи ДНК. Дар ҳоле ки ташаббускорон пас аз оғози репликатсия зуд гум мешаванд, боқимондаи сафедаҳо барои иҷрои раванди репликатсияи ДНК якҷоя кор мекунанд. Ин маҷмӯи ферментҳо дар сохторҳои Y-шакл дар ДНК ном дорад шохаҳои такрорӣ (Расми 4). Барои ҳар як ҳодисаи такрорӣ дар ҳар як пайдоиши такрорӣ ду фардҳои такрорӣ ташкил карда мешаванд, ки ба ҳар ду самт паҳн мешаванд. Сарчашмаҳои сершумори репликатсияро дар хромосомаҳои эукариотӣ ва баъзе археяҳо пайдо кардан мумкин аст, дар ҳоле ки геноми бактерия, E. coliба назар мерасад, ки як пайдоиши такрорро рамзгузорӣ мекунад.

Эзоҳ: муҳокимаи имконпазир

Чаро организмҳои гуногун шумораи пайдоиши такрорӣ доранд? Аз доштани зиёда аз як нафар чӣ фоидае дошта метавонад? Оё доштани зиёда аз як камбудӣ вуҷуд дорад?

Эзоҳ: муҳокимаи имконпазир

Бо назардошти он ки дар пайдоиши реплика чӣ бояд рух диҳад, шумо метавонед мантиқро истифода баред, то баъзе хусусиятҳои эҳтимолиро, ки пайдоиши репликаро аз дигар қисмҳои ДНК фарқ мекунанд, пешниҳод кунед ва барои муҳокима пешниҳод кунед?

Тасвири 4. Дар ибтидои такрорӣ ҳубобчаи такрорӣ ба вуҷуд меояд. Ҳубобчаи репликатсионӣ аз ду порчаи репликатсия иборат аст, ки ҳар яки онҳо дар самтҳои муқобили ДНК ҳаракат мекунанд. Фаҳмида мешавад, ки шохаҳои такрорӣ ҳама ферментҳои заруриро барои пайдоиши такрорӣ дар бар мегирандОнҳо танҳо дар расм ба таври возеҳ кашида нашудаанд, то ҷойеро барои тасвир кардани муносибатҳои байни қолаб ва риштаҳои нави ДНК фароҳам оранд.
Attribution: Тасвири аслии дастаи BIS2A

Дарозии такрорӣ

Гудохтани спирали дукаратаи ДНК ва ҷамъ овардани комплекси репликатсияи ДНК танҳо қадами аввалин дар раванди репликатсия мебошад. Ҳоло раванди эҷоди як риштаи нав бояд воқеан оғоз шавад. Дар ин ҷо мушкилоти иловагӣ дучор мешаванд. Аввалин масъалаи возеҳ дар он аст, ки муайян кардани кадоме аз ду риштаҳо бояд дар ҳама гуна шохаҳои такрорӣ нусхабардорӣ карда шавад (яъне, кадом ришта барои синтези ним консервативӣ шаблон хоҳад буд? Оё ҳарду ришта алтернативаҳои баробар қобили ҳаёт ҳастанд?). Инчунин проблемаи воқеан оғоз кардани раванди синтези риштаи нав вуҷуд дорад. Оё полимеразаи ДНК мустақилона риштаи навро оғоз карда метавонад? Ҷавоб ба саволи охирин ва баъзе далелҳо ва оқибатҳо баъдтар баррасӣ хоҳанд шуд. Идеяи асосие, ки дар ин лаҳза бояд қайд кард, он аст, ки ба таври таҷрибавӣ муайян карда шудааст, ки полимеразаи ДНК синтези риштаҳоро мустақилона оғоз карда наметавонад. Баръакс, полимеразаи ДНК як сохтори кӯтоҳи сохтори дугона ва пас аз як қолаби як ришта лозим аст. Эҷоди олигонуклеотиди кӯтоҳ тавассути фермент сурат мегирад ибтидоӣ. Ин сафеда як полимери кӯтоҳи РНК (на ДНК) -ро бо номи a эҷод мекунад праймер (инҳо дар хатҳои кӯтоҳи сабз дар рақамҳои боло ва поён тасвир шудаанд), ки онҳоро полимеразаи ДНК барои нуклеат кардани риштаи нави афзоянда истифода бурда метавонад.

Дар ҷараёни дарозшавии рагҳо, ДНК полимераза риштаи нави ба ковалентии нуклеотидҳои ДНК-ро полимеризатсия мекунад (дар бактерияҳо ин ферментро ДНК полимераза III номидан мумкин аст; дар эукариотҳо номгузории полимераз мураккабтар аст ва нақшҳои якчанд сафедаҳои полимеразро пурра фаҳмида наметавонанд). Маълум мешавад, ки яке аз риштаҳо танҳо аз дигаре бартарӣ дорад, то ҳамчун шаблон хизмат кунад. Полимеразаи ДНК риштаи шаблонро аз 3 'то 5' "мехонад" ва риштаи навро дар самти 5 'то 3' синтез мекунад. Гипотезаҳо барои тавзеҳ додани ин мушоҳидаи универсалӣ одатан дар атрофи энергияи марбут ба илова кардани нуклеотиди нав ва далелҳои марбут ба таъмири ДНК, ки мо ба зудӣ тавсиф хоҳем кард, нигаронида шудааст. Аз ин рӯ, биёед ба таври мухтасар вокунишро дар бар гирифтани як нуклеотид баррасӣ кунем. Пример як гидроксили муҳими 3'-ро таъмин мекунад, ки дар он синтез оғоз меёбад. Трифосфати навбатии дезоксирибонуклеотид ба макони пайвастшавии полимеразаи ДНК ворид мешавад ва тавре ки дар расми 5 дар зер нишон дода шудааст, бо полимераз ба он нигаронида шудааст, ки гидролизи 5' трифосфат ба амал омада, пирофосфатро ҷудо мекунад ва ин реаксияи экзергониро бо синтези ДНК пайваст мекунад. пайванди фосфодиэстерӣ байни 5' фосфати нуклеотиди воридшаванда ва гурӯҳи 3' гидроксили праймер. Ин равандро то тамом шудани дезоксирибонуклеотид трифосфатҳо ё аз ДНК афтидани комплекси такрорӣ такрор кардан мумкин аст. Дар асл, полимеразаи ДНК гурӯҳи фосфатҳоро (5') аз нуклеотиди воридшаванда ба гурӯҳи гидроксили мавҷудаи (3') нуклеотиди қаблан иловашуда илова мекунад.

Ҷуфткунии дурусти пойҳо ё интихоби нуклеотиди дуруст барои илова кардан дар ҳар як қадам, бо маҳдудиятҳои сохторӣ, ки полимеразаи ДНК эҳсос мекунанд ва пайвандҳои гидрогении аз ҷиҳати энергетикӣ мусоид дар байни нуклеотидҳои иловагӣ ба вуҷуд меоянд. Ин раванд аз ҷониби гидролизи трифосфати 5 'воридшаванда ва таъсири мутақобилаи энергетикӣ, ки дар натиҷаи таъсири мутақобилаи байни нуклеотидҳо дар спирали дукарата афзоянда ба вуҷуд меоянд (стекинги пойгоҳ ва пайвандҳои иловагии пайвастагии гидрогенӣ). Аҳамият диҳед, ки энергияи илова кардани нуклеотидҳо риштаро дар самти 3' то 5' афзоиш намедиҳад, фарқияти калидӣ дар ин схема дар он аст, ки "манбаи энергия" барои синтез бояд аз нуклеотид, ки аллакай ба афзоянда дохил карда шудааст, пайдо шавад. ришта, на нуклеотиди нави воридшаванда (ки ин метавонад як камбудии муҳими интихобӣ бошад, ба таври мухтасар баррасӣ карда мешавад). Пас аз он ки дарозшавӣ оғоз шуд, як полимеразаи дигари ДНК (дар бактерияҳо онро одатан ДНК Полимераза I меноманд) барои хориҷ кардани праймери РНК ва синтез кардани каме аз ДНК-и боқимонда ворид мешавад.

Тавре ки дар синф ба таври муфассал баррасӣ хоҳад шуд, ҳаракати муштари репликатсия ба гардиши ДНК дар ҳарду самти репликатсия оварда мерасонад. Дигар ферментҳои истеъмолкунандаи ATP номида мешаванд топоизомераза барои рафъи ин стресс кӯмак мекунад.

Тасвири 5. Полимеразаи ДНК иловаи гурӯҳи 5 'фосфатро аз нуклеотиди воридшаванда ба гурӯҳи' 3 'гидроксили нуклеотиди қаблӣ катализ мекунад. Ин раванд дар байни нуклеотидҳо пайванди фосфодиэстер эҷод мекунад ва ҳангоми гидролиз кардани банди фосфоагидрид дар нуклеотид.
Манбаъ: http://bio1151.nicerweb.com/Locked/m...h16/elong.html

Эзоҳ: муҳокимаи имконпазир

Ҳикояи энергетикӣ барои илова кардани нуклеотид ба полимер тавре ки дар расми боло нишон дода шудааст, эҷод кунед. Ин ҳадафи возеҳи омӯзиш аз баъзе устодони BIS2A хоҳад буд.

Роҳи пешбар ва ақибмонда

Муҳокимаи дар боло овардашуда дар бораи дарозшавии ришта раванди синтези риштаи навро тавсиф мекунад, агар ин ришта дар ҳамон самт синтез карда шавад, ки қад-қади ДНК ҳаракат мекунад ё ба назар чунин менамояд. Ин ришта метавонад пайваста синтез карда шавад ва номида мешавад қатори пешбаранда. Аммо, ҳарду риштаи спирали дугонаи аслии ДНК бояд нусхабардорӣ карда шаванд. Азбаски полимеразаи ДНК танҳо ДНК -ро дар самти 5 'то 3' синтез карда метавонад, полимеризатсияи риштаи муқобили риштаи пешқадам бояд дар самти муқобиле бошад, ки геликаза ё пеши фалаки такрорӣ дар ҳаракат аст. Ин ришта номида мешавад риштаи ақибмонда, ва бо сабаби маҳдудиятҳои геометрӣ, бояд тавассути як қатор ҳодисаҳои приминги РНК ва синтези ДНК ба қисмҳои кӯтоҳ номида шаванд Порчаҳои Оказаки. Тавре ки қайд карда шуд, оғози синтези ҳар як порчаи Оказаки барои синтез кардани праймери РНК примазаро талаб мекунад ва ҳар яке аз ин праймерҳои РНК дар ниҳоят бояд хориҷ карда шаванд ва бо нуклеотидҳои ДНК бо полимеразаи гуногуни ДНК иваз карда шаванд. Пайвастҳои ковалентӣ байни ҳар як порчаи Оказаки бо полимеразаи ДНК сохта шуда наметавонанд ва аз ин рӯ, бояд аз ҷониби ферментҳои дигаре ба вуҷуд оянд. ДНКлигаз. Геометрияи синтези рахҳои ақибмондаро тасаввур кардан душвор аст ва дар синф фаро гирифта мешавад.

Расми 6. Ранги ақибмонда дар якчанд сегментҳо сохта мешавад. Шохаи такрорӣ риштаи пешбар ва ақибмондаро нишон медиҳад. Пуфаки такрорӣ риштаҳои пешбар ва ақибмондаро нишон медиҳад.
Тасвири аслии BIS2A Team

Қатъи такрорӣ

Теломера ва теломераза

Нақшаҳои такрорӣ дар хромосомаҳои бактериявии даврашакл мушкилоти амалиро ба миён меоранд. Бо вуҷуди ин, ақсои хромосомаҳои хаттии эукариотӣ барои репликатсияи ДНК мушкилоти мушаххас ба миён меоранд. Азбаски полимеразаи ДНК метавонад танҳо дар як самт (5' то 3') нуклеотидҳоро илова кунад, риштаи пешбаранда имкон медиҳад, ки синтези муттасил то расидани охири хромосома; аммо, вақте ки комплекси репликатсия дар охири риштаи ақибмонда меояд, ҷои барои примаза барои "фуромадан" ва синтез кардани праймери РНК вуҷуд надорад, то синтези пораи қафомонии ДНК дар охири хромосома оғоз шавад. аз ҷониби ДНК полимераза. Бе ягон механизми кӯмак ба пур кардани ин холигӣ, ин охири хромосомӣ ҷудошуда боқӣ мемонад ва ба нуклеазҳо гум мешавад. Бо мурури замон ва якчанд даври такрорӣ, ин боиси он хоҳад шуд, ки ақсои хромосомаҳои хатӣ тадриҷан кӯтоҳтар шаванд ва дар ниҳоят қобилияти зинда мондани организмро халалдор кунанд. Ин ақсои хромосомаҳои хатӣ бо номи маълуманд теломерҳо, ва қариб ҳамаи намудҳои эукариотӣ пайдарпаии такроршавандаро инкишоф додаанд, ки барои як гени мушаххас рамзгузорӣ намекунанд. Дар натиҷа, ин теломераҳои "рамзкуноннашаванда" ҳамчун буферҳои репликатсионӣ амал мекунанд ва бо ҳар як даври такрори ДНК ба ҷои генҳои интиқодӣ кӯтоҳ карда мешаванд. Масалан, дар одамон, пайдарпаии шаш ҷуфти асосӣ, TTAGGG, дар охири аксари хромосомаҳо аз 100 то 1000 маротиба такрор карда мешавад. Илова ба амал ҳамчун буферии потенсиалӣ, кашфи фермент теломераза дар фаҳмидани он ки чӣ тавр нигоҳ доштани ақсои хромосома кумак кард. Теломераза як ферментест, ки аз сафеда ва РНК иборат аст. Теломераза бо ҷуфткунии иловагии базавӣ байни ҷузъи РНК -и теломераза ва қолаби ДНК ба охири хромосома пайваст мешавад. РНК ҳамчун риштаи иловагӣ барои дароз кардани кӯтоҳи комплементаш истифода мешавад. Ин раванд метавонад якчанд маротиба такрор карда шавад. Пас аз он ки шаблонҳои ақибмонда аз ҷониби теломераза ба таври кофӣ дароз карда мешаванд, примаза як праймер ва пас аз он полимеразаи ДНК эҷод мекунад, ки акнун метавонад нуклеотидҳои ба ақсои хромосомаҳо иловашударо илова кунад. Ҳамин тариқ, ақсои хромосомаҳо такрор мешаванд.

Тасвири 7. Нуқтаҳои хромосомаҳои хатӣ тавассути амали ферментҳои теломераза нигоҳ дошта мешаванд.

Теломераза дар ҳуҷайраҳои соматикии калонсолон фаъол нест. Ҳуҷайраҳои соматикии калонсолон, ки аз тақсимоти ҳуҷайраҳо мегузаранд, теломераҳои худро кӯтоҳ мекунанд. Ин аслан маънои онро дорад, ки кӯтоҳшавии теломер бо пиршавӣ алоқаманд аст. Дар соли 2010, олимон дарёфтанд, ки теломераза метавонад баъзе шароити марбут ба синну солро дар мушҳо тағир диҳад ва ин метавонад дар тибби барқароршаванда потенсиал дошта бошад.1 Дар ин таҳқиқот мушҳои норасоии теломераза истифода шуданд; ин мушҳо атрофии бофтаҳо, камшавии ҳуҷайраҳои бунёдӣ, нокомии системаи узвҳо ва аксуламали осеби бофтаҳо доранд. Аз нав фаъол шудани теломераза дар ин мушҳо боиси васеъ шудани теломерҳо, кам шудани зарари ДНК, баръакси нейродегенератсия ва беҳтар шудани кори озмоишҳо, испурч ва рӯдаҳо гардид. Ҳамин тариқ, фаъолсозии теломер метавонад барои табобати бемориҳои вобаста ба синну сол дар одамон потенсиал дошта бошад.

Тафовут дар суръати такрори ДНК байни бактерияҳо ва эукариотҳо

Репликатсияи ДНК дар бактерияҳо хеле хуб омӯхта шудааст, пеш аз ҳама аз сабаби хурд будани геном ва шумораи зиёди вариантҳои дастрас. E. coli дар як хромосомаи даврашакл 4,6 миллион ҷуфти пойгоҳ дорад ва ҳамаи онҳо аз як пайдоиши такрорӣ сар карда, дар атрофи хромосома дар ҳарду самт тақрибан дар тӯли 42 дақиқа такрор мешаванд. Ин маънои онро дорад, ки дар як сония тақрибан 1000 нуклеотид илова карда мешавад. Раванд назар ба эукариотҳо хеле тезтар аст. Ҷадвали 1 фарқияти байни репликатсияи бактериявӣ ва эукариотиро ҷамъбаст мекунад.

Ҷадвали 1. Тафовут байни репликатсияи прокариотӣ ва эукариотӣ

Тафовут байни репликатсияи прокариотӣ ва эукариотӣ
АмволПрокариотҳоЭукариотҳо
Пайдоиши такрорӣЯгонаЯкчанд
Суръати полимеризатсия дар як полимераз1000 нуклеотид/с50 то 100 нуклеотид/с
Сохтори хромосомаДаврашаклХатӣ
ТеломеразаҲозир нестҲозир

Пайванд ба манбаи беруна

Ба воситаи омӯзиш оид ба такрори ДНК клик кунед.

Мушкилоти тарроҳии такрорӣ: хондани таҳрир

Вақте ки ҳуҷайра вазифаи такрори ДНК -ро оғоз мекунад, ин корро дар посух ба сигналҳои экологӣ, ки ба ҳуҷайра вақти тақсимшавӣ аст, мегӯяд. Ҳадафи идеалии такрори ДНК ин сохтани ду нусхаи якхелаи қолаби дуқабата ДНК ва анҷом додани он дар як муддати кӯтоҳе мебошад, ки хароҷоти аз ҷиҳати эволютсионӣ аз ҳад зиёд баландро талаб намекунад. Вақте ки шумо ба назар мегиред, ки дар геноми инсон ~ 6,500,000,000 ҷуфтҳои асосӣ ва дар геномҳои маъмулӣ ~ 4,500,000 ҷуфтҳои асосӣ мавҷуданд, ин як вазифаи душвор аст. E. coli шиддат ва Табиат муайян кардааст, ки ҳуҷайраҳо бояд мутаносибан дар давоми 24 соат ва 20 дақиқа такрор шаванд. Дар ҳар ду ҳолат, бисёр аксуламалҳои биохимиявии инфиродӣ лозиманд.

Дар ҳоле, ки репликатсияи идеалӣ бо вафодории комил сурат мегирад, репликатсияи ДНК, ба монанди ҳама равандҳои биохимиявии дигар, номукаммал аст - асосҳо метавонанд дар канор гузошта шаванд, асосҳои иловагӣ илова карда шаванд ё асосҳое илова карда шаванд, ки ба ҷуфти асосӣ мувофиқат намекунанд. Дар бисёр организмҳо, бисёре аз хатогиҳо, ки ҳангоми такрори ДНК ба амал меоянд, аз ҷониби худи полимеразаи ДНК тавассути механизми маъруф ислоҳ карда мешаванд. корректор. Дар корректор, полимеразаи ДНК ҳар як пойгоҳи нав иловашударо тавассути ҳис кардани мавҷудият ё набудани аномалияҳои сохтории хурд пеш аз илова кардани пойгоҳи навбатӣ ба риштаи афзоянда "мехонад". Дар ин сурат ислоҳ кардан мумкин аст.

Агар полимераз муайян кунад, ки пойгоҳи нав иловашуда бо пой дар риштаи шаблон дуруст ҷуфт шудааст, нуклеотиди навбатӣ илова карда мешавад. Аммо, агар ба полимери афзоянда як нуклеотиди нодуруст илова карда шавад, спирали дукаратаи нодуруст боиси қатъ шудани полимеразаи ДНК мегардад ва риштаи нав сохташуда аз макони полимеризатсияи полимераз хориҷ карда мешавад ва ба макони экзонуклеаза дохил мешавад. Дар ин сайт полимеразаи ДНК қодир аст чанд нуклеотидҳои охирини ба полимер иловашударо ҷудо кунад. Вақте ки нуклеотидҳои нодуруст хориҷ карда шуданд, нуклеотидҳои нав дубора илова карда мешаванд. Ин қобилияти таҳриркунӣ бо баъзе муомилаҳо меояд: истифодаи полимерази ислоҳи хатогӣ/дақиқтар вақт (мубодила суръати такрорист) ва энергияро талаб мекунад (ҳамеша хароҷоти муҳим барои баррасӣ). Чӣ қадаре ки шумо сусттар равед, ҳамон қадар дақиқтар шуда метавонед. Бо вуҷуди ин, хеле суст рафтан метавонад шуморо аз такрори зудтари рақобати худ боздорад, аз ин рӯ фаҳмидани тавозуни асосӣ муҳим аст.

Хатогие, ки тавассути таҳрир ислоҳ карда намешавад, ба он маъное мубаддал мешавад мутация.

Расми 1. Таҳрири полимеразаи ДНК ҳангоми такрор хатоҳоро ислоҳ мекунад.

Муҳокимаи пешниҳодшуда

Чаро такрори ДНК бояд зуд бошад? Муҳитеро, ки ДНК дар он аст, баррасӣ кунед ва ҳангоми сохтани он бо сохтори ДНК муқоиса кунед.

Муҳокимаи пешниҳодшуда

Афзалиятҳо ва нуқсонҳои қобилияти таҳриркунии полимеразаи ДНК чист?

Хатогиҳои такрорӣ ва таъмири ДНК

Гарчанде ки репликатсияи ДНК одатан як раванди хеле дақиқ аст ва таҳрири полимеразҳои ДНК барои паст нигоҳ доштани сатҳи хатогиҳо кӯмак мекунад, хатогиҳо ҳоло ҳам рух медиҳанд. In addition to errors of replication, environmental damage may also occur to the DNA. Such uncorrected errors of replication or environmental DNA damage may lead to serious consequences. Therefore, Nature has evolved several mechanisms for repairing damaged or incorrectly synthesized DNA.

Mismatch repair

Some errors are not corrected during replication but are instead corrected after replication is completed; this type of repair is known as a таъмири номувофиқӣ. Specific enzymes recognize the incorrectly added nucleotide and excise it, replacing it with the correct base. But, how do mismatch repair enzymes recognize which of the two bases is the incorrect one?

Дар E. coli, after replication, the nitrogenous base adenine acquires a methyl group; this means that directly after replication the parental DNA strand will have methyl groups, whereas the newly synthesized strand lacks them. Thus, mismatch repair enzymes are able to scan the DNA and remove the wrongly incorporated bases from the newly synthesized, non-methylated strand by using the methylated strand as the "correct" template from which to incorporate a new nucleotide. In eukaryotes, the mechanism is not as well understood, but it is believed to involve recognition of unsealed nicks in the new strand, as well as a short-term, continuing association of some of the replication proteins with the new daughter strand after replication has completed.

Расми 2. In mismatch repair, the incorrectly added base is detected after replication. The mismatch repair proteins detect this base and remove it from the newly synthesized strand by nuclease action. The gap is now filled with the correctly paired base.

Nucleotide excision repair

Nucleotide excision repair enzymes replace incorrect bases by making a cut on both the 3' and 5' ends of the incorrect base. The entire segment of DNA is removed and replaced with correctly paired nucleotides by the action of a DNA polymerase. Once the bases are filled in, the remaining gap is sealed with a phosphodiester linkage catalyzed by the enzyme DNA ligase. This repair mechanism is often employed when UV exposure causes the formation of pyrimidine dimers.

Расми 3. Nucleotide excision repairs thymine dimers. When exposed to UV, thymines lying adjacent to each other can form thymine dimers. In normal cells, they are excised and replaced.

Consequences of errors in replication, transcription, and translation

Something key to think about:

Cells have evolved a variety of ways to make sure DNA errors are both detected and corrected. We have already discussed several of them. But why did so many different mechanisms evolve? From proofreading by the various DNA-dependent DNA polymerases, to the complex repair systems. Such mechanisms did not evolve for errors in transcription or translation. If you are familiar with the processes of transcription and/or translation, think about what the consequences would be of an error in transcription. Would such an error affect the offspring? Would it be lethal to the cell? What about errors in translation? Ask the same questions about the process of translation. What would happen if the wrong amino acid is accidentally put into the growing polypeptide during translation? How do these contrast with DNA replication? If you are not familiar with transcription or translation, don't fret. We'll learn those soon and return to this question again.