Какая из схем удвоения днк правильная. Удвоение днк. Особенности удвоения генного материала у разных организмов

Урок 12 Дата:

Генетическая информация. Удвоение ДНК.

Цель урока: систематизировать знания учащихся о белках и нуклеиновых кислотах, познакомить с наследственной информацией и принципом удвоения ДНК.

Ожидаемые результаты: Знать понятия: «ген», «генетическая информация», ДНК, «комплементарность», «матрица», заслуга Н.К.Кольцова, « редупликация» (удвоение ДНК).

Уметь: работать в паре и группе, работать с рисунками, таблицами, схемами, решать биологические задачи на использование принципа комплементарности , делать выводы.

Понимать: построение цепи ДНК по принципу комплементарности, удвоение ДНК.

Тип урока: изучение нового материала.

Форма обучения: индивидуальная, парная, групповая.

Оборудование: компьютерная презентация, молекула ДНК, видеоролик «Удвоение ДНК», дидактический материал, стикеры.

Ход урока

I .Организационный момент.

Психологический настрой

Для создания коллаборативной среды использую произведение «Турецкий марш» Моцарта, т.к. по данным ученых, исследующих музыкотерапию, произведения Моцарта стимулируют творческую мыслительную деятельность мозга.

II . Актуализация знаний.

Тестовая работа по теме «Обеспечение клеток энергией»

Критерии оценивания (взаимопроверка)

10-9 - «5»

7-8 – «4»

5-6 - «3»

Меньше 5 – «2»

III .Изучение нового материала

Мотивация к уроку

Кто я? Почему я такой? – Я думаю, эти вопросы задавал себе каждый из вас.

Сегодня на уроке мы открываем новую главу “Наследственная информация и реализация ее в клетке”, изучение которой, я надеюсь, позволит вам ответить на волнующие каждого человека вопросы, с биологической точки зрения.

– Мы знаем, что все живые организмы имеют признаки сходства, но есть и индивидуальные признаки, дающие возможность организмам выделиться в мире природы.

Чем мы отличаемся с вами друг от друга? (цвет глаз, форма ушей, длина рук, размер обуви и т.д.)

Почему же каждый человек уникален?

А с чем это связано?

В процессе беседы формулируется мысль о наличии индивидуальных хромосом и генов.

Раскрывается тема урока и цель.

Работа с текстом, дать определения следующим понятиям темы &12 стр.53-54 (Стратегия «Прочитай – запиши – обсуди в паре»)

Генетическая информация - информация, заключенная в ДНК

Ген - это участок ДНК несущий информацию о структуре и свойствах одного белка

Матрица - основа, с которой считывается информация

Н.К.Кольцов в 1920 г создал теорию матричной репродукции хромосом и сформулировал идею о том, что синтез белка проходит по матричному принципу.

Мозговой штурм

1.Где в клетке заложена наследственная информация? (в ядре в молекуле ДНК)

ДНК – носитель наследственной информации, составляет основную часть хромосом.

2.Что вы знаете о молекуле ДНК?

Принцип комплементарности – взаимное соответствие в химическом строении молекул, обеспечивающее их взаимодействие, комплементарные структуры подходят друг к другу, как «ключ к замку».

ДНК: Аденину соответствует Тимин (двойная связь)
Гуанину соответствует Цитозин (тройная связь)

РНК: Аденину соответствует Урацил (двойная связь)
Гуанину соответствует Цитозин (тройная связь)

Каждый живой организм неповторим. Неповторимость организмов определяется различием в строении и структуре белков. Каждый организм имеет свой собственный, строго определенный набор белков. Именно белки являются основой уникальности каждого вида, хотя некоторые из них, выполняющие одну и ту же функцию у разных организмов, могут быть похожими и даже одинаковыми.

Работа в группах

Чтение текста «Серповидноклеточная анемия» (ответить на вопросы)

1.Каким же образом в эритроцитах здорового человека образуются миллионы идентичных молекул гемоглобина, как правило, без единой ошибки в расположении аминокислот? (Каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений, поэтому все клетки организма имеют одинаковый набор генов)

2.Почему в эритроцитах больных серповидноклеточной анемией все молекулы гемоглобина имеют одну и ту же ошибку в одном и том же месте? (причиной замены одной аминокислоты стало изменение структуры ДНК, так как именно она является носителем наследственной информации, т.е. вкралась ошибка)

Случайно возникшая ошибка в гене зародышевой клетки будет воспроизведена в генах миллионов ее потомков. Вот почему все эритроциты больного серповидноклеточной анемией имеют одинаково «испорченный» гемоглобин. Дети, больные анемией, получают «испорченный» ген от родителей через их половые клетки. Информация, заключенная в ДНК клеток (генетическая информация), передается не только из клетки в клетку, но и от родителей к детям. Ген является единицей генетической, или наследственной, информации.

Пример с книгопечатанием. Учебник, который вы держите в руках, издан тиражом n экземпляров. Все n книг отпечатаны с одного шаблона - типографской матрицы, поэтому они совершенно одинаковы. Если бы в матрицу вкралась ошибка, то она была бы воспроизведена во всех экземплярах.

Динамическая пауза «Австралийский дождь» (слайд)

Молекулы ДНК обладают поразительным свойством, не присущим ни одной другой из известных молекул, - способностью к удвоению.

Что представляет собой процесс удвоения?

Вы помните, что двойная спираль ДНК построена по принципу комплементарности.

Этот же принцип лежит в основе удвоения молекул ДНК.

Редупликация (удвоение) ДНК. Процесс предшествует делению клетки.
Удвоение молекулы ДНК происходит с удивительной точностью. Новая молекула абсолютно идентична старой. В этом заключается глубокий биологический смысл, потому что нарушения структуры ДНК, ведущие к искажению генетического кода, сделали – бы невозможным сохранение и передачу по наследству генетической информацию, обеспечивающей развитие полезных для организмов признаков. Продолжительность у млекопитающих 6-12 часов.

Работа в группе стр. 55

Заполнение таблицы (составление алгоритма удвоения ДНК)

№ п/п

Этапы

Рисунок 15 стр.55

Исходное состояние (двуцепочечная спираль).

Под действием фермента геликазы (дезоксирибонуклеазы) – цепочка ДНК раскручивается.

Под действием фермента ДНК-реструктазы, разрушаются водородные связи между азотистыми основаниями, удерживающие цепочки друг возле друга.

По принципу комплементарности, из кусочков ДНК – фрагменты Оказаки, идет сборка новых цепочек, при помощи фермента – ДНК- лигазы (полимеразы).

Образование двух дочерних ДНК (ДНК1 и ДНК2).

Принятие исходного состояния – закручивание в спираль.

Видеоролик «Репликация ДНК»

Вывод: способность молекулы ДНК к удвоению по принципу комплементарности определяет возможность передачи наследственных свойств от материнской клетки к дочерним.

Как вы понимаете выражение: «Молекулы ДНК являются матрицами для синтеза всех белков»?

Роль матрицы в клетках живых организмов выполняют молекулы ДНК.

ДНК каждой клетки несет информацию не только о структурных белках, определяющих форму клетки (вспомните эритроцит), но и о всех белках-ферментах, белках-гормонах и других белках.

Невозможно судить и о качестве генетической информации по тому, «хороший» или «плохой» ген получили потомки по наследству, до тех пор, пока на основе этой информации не будут построены белки и не разовьется целый организм.

Зная принцип комплементарности можно решать задачи

Достроить молекулу ДНК по принципу комплементарности, если одна из цепей имеет следующую последовательность нуклеотидов – ААГЦЦГГТТТАЦ (ТТЦГГЦЦАААТГ)

IV .Закрепление знаний. Работа по карточкам

Карточка 1. 1-1, 2-3, 3-4, 4-4, 5-1

Карточка 2. 1- гемоглобин 2- ген 3- белок 4-матрица 5- хромосома

(лишняя буква «Я»)

Критерии 5–5, 4-4, 3-3 и т.д.

V .Рефлексия «Плюс-минус-интересно».

«П» - что понравилось на уроке, информация и формы работы, которые вызвали положительные эмоции, либо по мнению ученика могут быть ему полезны для достижения каких-то целей.

«М» - что не понравилось на уроке, показалось скучным, осталось непонятным, или информация, которая, по мнению ученика, оказалась для него не нужной, бесполезной с точки зрения решения жизненных ситуаций.

«И» - любопытные факты, о которых узнали на уроке и вопросы к учителю.

VI .Домашнее задание

&12 Задача №1 стр.59

Учебник для 10-11 классов

Глава IV. Наследственная информация и реализация ее в клетке

Организмы обладают способностью передавать следующим поколениям свои признаки и особенности, т. е. воспроизводить себе подобных. Это явление наследования признаков основано на передаче из поколения в поколение наследственной информации. Материальным носителем этой информации являются молекулы ДНК.

Передача наследственной информации от одного поколения клеток к другому, от одного поколения организмов к последующему обеспечивается некоторыми фундаментальными свойствами ДНК. Она удваивается в каждом поколении клеток и может неопределенно долго воспроизводиться без каких-либо изменений. Относительно редкие изменения наследственной информации также могут воспроизводиться и передаваться от поколения к поколению.

§ 14. Генетическая информация. Удвоение ДНК

Одна из самых замечательных особенностей жизни состоит в том, что все живые существа характеризуются общностью строения клеток и происходящих в них процессов (см. § 7). Однако они имеют и очень много различий. Даже особи одного вида различаются по многим свойствам и признакам: морфологическим, физиологическим, биохимическим.

Современная биология показала, что в своей основе сходство и различие организмов определяются в конечном счете набором белков. Чем ближе организмы друг к другу в систематическом положении, тем более сходны их белки.

Некоторые белки, выполняющие одинаковые функции, могут иметь сходное строение в клетках не только разных видов, но даже более далеких групп организмов. Например, инсулин (гормон поджелудочной железы), регулирующий уровень сахара в крови, близок по строению у собаки и человека. Однако большинство белков, выполняя одну и ту же функцию, несколько отличаются по строению у разных представителей одного и того же вида. Примером могут служить белки групп крови у человека. Такое разнообразие белков лежит в основе специфичности каждого организма.

Известно, что в эритроцитах (красных кровяных клетках дисковидной формы) содержится белок гемоглобин, который доставляет кислород ко всем клеткам тела. Это сложный белок. Каждая его молекула состоит из четырех полипептидных цепей. У людей, страдающих тяжелым наследственным заболеванием - серповидноклеточной анемией, эритроциты похожи не на диски, как обычно, а на серпы. Причина изменения формы клетки - в различии первичной структуры гемоглобина у больных и здоровых людей. В чем же это различие? В двух из четырех цепей нормального гемоглобина на шестом месте стоит глутаминовая кислота. При серповидноклеточной анемии она заменена на аминокислоту валин. Из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, заменены только две (по одной в двух цепях). Но это приводит к существенному изменению третичной и четвертичной структуры белка и, как следствие, к изменению формы и нарушению функции эритроцита. Серповидные эритроциты плохо справляются со своей задачей - переносом кислорода.

ДНК - матрица для синтеза белков. Каким же образом в эритроцитах здорового человека образуются миллионы идентичных молекул гемоглобина, как правило, без единой ошибки в расположении аминокислот? Почему в эритроцитах больных серповидноклеточной анемией все молекулы гемоглобина имеют одну и ту же ошибку в одном и том же месте?

Для ответа на эти вопросы обратимся к примеру с книгопечатанием. Учебник, который вы держите в руках, издан тиражом n экземпляров. Все n книг отпечатаны с одного шаблона - типографской матрицы, поэтому они совершенно одинаковы. Если бы в матрицу вкралась ошибка, то она была бы воспроизведена во всех экземплярах. Роль матрицы в клетках живых организмов выполняют молекулы ДНК. ДНК каждой клетки несет информацию не только о структурных белках, определяющих форму клетки (вспомните эритроцит), но и о всех белках-ферментах, белках-гормонах и других белках.

Углеводы и липиды образуются в клетке в результате сложных химических реакций, каждая из которых катализируется своим белком-ферментом. Владея информацией о ферментах, ДНК программирует структуру и других органических соединений, а также управляет процессами их синтеза и расщепления.

Поскольку молекулы ДНК являются матрицами для синтеза всех белков, в ДНК заключена информация о структуре и деятельности клеток, о всех признаках каждой клетки и организма в целом.

Каждый белок представлен одной или несколькими полипептидными цепями. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одной полипептидной цепи, т. е. в большинстве случаев одного белка, называют геном. Каждая молекула ДНК содержит множество разных генов. Всю информацию, заключенную в молекулах ДНК, называют генетической, а всю совокупность ДНК клетки называют геномом. Идея о матричном принципе синтеза белков впервые была сформулирована еще в 20-х гг. XX в. выдающимся отечественным биологом Николаем Константиновичем Кольцовым.

НИКОЛАЙ КОНСТАНТИНОВИЧ КОЛЬЦОВ (1872- 1940) - отечественный зоолог, цитолог, генетик. Основоположник экспериментального метода исследований в биологии в нашей стране. Впервые выступил с теорией матричной репродукции хромосом. Основатель Института экспериментальной биологии. Был инициатором создания Всесоюзного института экспериментальной медицины, на основе которого впоследствии была создана Академия медицинских наук.

Удвоение ДНК. Молекулы ДНК обладают поразительным свойством, не присущим ни одной другой из известных молекул, - способностью к удвоению. Что представляет собой процесс удвоения? Вы помните, что двойная спираль ДНК построена по принципу комплементарности (см. рис. 7). Этот же принцип лежит в основе удвоения молекул ДНК. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются, нити расходятся, и к каждому нуклеотиду каждой из этих нитей последовательно пристраиваются комплементарные нуклеотиды. Разошедшиеся нити исходной (материнской) молекулы ДНК являются матричными - они задают порядок расположения нуклеотидов во вновь синтезируемой цепи. В результате действия сложного набора ферментов происходит соединение нуклеотидов друг с другом. При этом образуются новые нити ДНК, комплементарные каждой из разошедшихся цепей (рис. 21). Таким образом, в результате удвоения создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из них имеет одну нить, полученную от материнской молекулы, и одну нить, синтезированную вновь.

Рис. 21. Схема удвоения ДНК

Процесс матричного синтеза ДНК, осуществляемый ферментами ДНК-полимеразами, называют репликацией.

Дочерние молекулы ДНК ничем не отличаются друг от друга и от материнской молекулы. При делении клетки дочерние молекулы ДНК расходятся по двум образующимся клеткам, каждая из которых вследствие этого будет иметь ту же информацию, которая содержалась в материнской клетке. Так как гены - это участки молекул ДНК, то две дочерние клетки, образующиеся при делении, имеют одинаковые гены.

Каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений, поэтому все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Случайно возникшая ошибка в гене зародышевой клетки будет воспроизведена в генах миллионов ее потомков. Вот почему все эритроциты больного серповидноклеточной анемией имеют одинаково «испорченный» гемоглобин. Дети, больные анемией, получают «испорченные» гены от родителей через их половые клетки. Информация, заключенная в ДНК клеток (генетическая информация), передается не только из клетки в клетку, но и от родителей к детям. (Подробно об этом будет рассказано в главе VII.) Ген является единицей генетической, или наследственной, информации.

Трудно, глядя на типографскую матрицу, судить о том, хорошая или плохая книга будет по ней напечатана. Невозможно судить и о качестве генетической информации по тому, «хороший» или «плохой» ген получили потомки по наследству, до тех пор, пока на основе этой информации не будут построены белки и не разовьется целый организм.

Какие вещества обусловливают индивидуальные различия организмов?
Может ли замена одной аминокислоты в полипептидной цепи сказаться на функции белка?
Как вы понимаете фразу: «Молекулы ДНК - матрицы для синтеза белков»?
Какой принцип лежит в основе удвоения молекул ДНК?
Одинакова ли генетическая информация в клетке печени и в нервной клетке одного и того же организма?

ДНК является надежным хранилищем генетической информации. Но ее нужно не только держать в сохранности, но и передавать потомству. От этого зависит выживаемость вида. Ведь родители должны передать детям все то, чего они достигли в ходе эволюции. В ней записано все: начиная от количества конечностей и заканчивая цветом глаз. Конечно, у микроорганизмов этой информации гораздо меньше, но и ее нужно передать. Для этого клетка делится. Чтобы генетическая информация досталась обеим дочерним клеткам, ее нужно удвоить, этот процесс называется "репликация ДНК". Она происходит перед делением клетки, неважно, какой именно. Это может быть бактерия, которая решила размножиться. Или это может быть рост новой кожи на месте пореза. Процесс удвоения дезоксирибонуклеиновой кислоты должен четко отрегулироваться и завершиться до начала деления клетки.

Где происходит удвоение

Репликация ДНК происходит непосредственно в ядре (у эукариот) или в цитоплазме (у прокариот). Нуклеиновая кислота состоит из нуклеотидов - аденина, тимина, цитозина и гуанина. Обе цепочки молекулы построены по принципу комплиментарности: аденину в одной цепи соответствует тимин, а гуанину - цитозин. Удвоение молекулы должно пройти таким образом, чтобы и у дочерних спиралей сохранился принцип комплиментарности.

Начало репликации - инициация

Дезоксирибонуклеиновая кислота представляет собой двуцепочечную спираль. Репликация ДНК происходит путем достраивания дочерних цепей по каждой родительской цепочке. Чтобы этот синтез стал возможен, спирали нужно «распутать», а цепочки отделить друг от друга. Эту роль выполняет геликаза - она раскручивает спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты, вращаясь с большой скоростью. Начало удвоения ДНК не может начаться с любого места, такой сложный процесс требует определенного участка молекулы - сайта инициации репликации. После того как была определена начальная точка удвоения, а геликаза начала свою работу по распутыванию спирали, цепочки ДНК расходятся в стороны, образуя репликативную вилку. На них садятся ДНК-полимеразы. Именно они и будут синтезировать дочерние цепочки.

Элонгация

В одной молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты может образоваться от 5 до 50 репликативных вилок. Синтез дочерних цепочек происходит одновременно в нескольких участках молекулы. Но это непросто достраивание комплиментарных нуклеотидов. Цепочки нуклеиновой кислоты антипараллельны друг другу. Разная направленность родительских цепей сказывается при удвоении, это обусловило сложный механизм репликации ДНК. Одна из цепей достраивается дочерней непрерывно и называется лидирующей. Оно и правильно, ведь полимеразе очень удобно присоединять свободный нуклеотид к 3’-ОН концу предыдущего. Такой синтез идет непрерывно, в отличие от процесса на второй цепи.

Запаздывающая цепь, фрагменты О’Казаки

С другой цепочкой возникают сложности, ведь там свободным оказывается 5’-конец, к которому невозможно прикрепить свободный нуклеотид. Тогда ДНК полимераза действует с другой стороны. Для того чтобы достроить дочернюю цепочку, создается праймер, комплиментарный родительской цепи. Он образуется у самой репликативной вилки. С него и начинается синтез маленького кусочка, но уже по «верному» пути - присоединение нуклеотидов происходит к 3’-концу. Таким образом, достраивание цепочки у второй дочерней спирали происходит прерывисто и имеет направление, противоположное движению репликативной вилки. Эти фрагменты были названы фрагментами О’Казаки, они имеют длину около 100 нуклеотидов. После того как фрагмент достроился до предыдущего готового кусочка, праймеры вырезаются специальным ферментом, место выреза заполняется недостающими нуклеотидами.

Терминация

Удвоение завершается, когда обе цепочки достроили себе дочерние, а все фрагменты О’Казаки сшиты между собой. У эукариотов репликация ДНК заканчивается, когда репликативные вилки встречаются друг с другом. А у прокариот эта молекула кольцевая, а процесс ее удвоения происходит без предварительного разрыва цепи. Получается, что вся дезоксирибонуклеиновая кислота является одним большим репликоном. И удвоение заканчивается тогда, когда репликативные вилки встречаются на противоположной стороне кольца. После окончания репликации обе цепочки родительской дезоксирибонуклеиновой кислоты должны быть сцеплены обратно, после чего обе молекулы закручиваются до образования суперспиралей. Далее происходит метилирование обеих молекул ДНК по аденину в участке -ГАТЦ-. Это не разъединяет цепи и не мешает их комплиментарности. Это необходимо для складывания молекул в хромосомы, а также для регуляции чтения генов.

Скорость и точность репликации

Вторая стадия удваивания ДНК (элонгация) проходит со скоростью около 700 нуклеотидов в секунду. Если вспомнить, что на один виток нуклеиновой кислоты приходится 10 пар мономеров, то выходит, что во время «расплетания» молекула вращается с частотой 70 оборотов в секунду. Для сравнения: скорость вращения кулера в системном блоке компьютера составляет примерно 500 оборотов в секунду. Но несмотря на высокие темпы, ДНК полимераза практически никогда не ошибается. Ведь она просто подбирает комплиментарные нуклеотиды. Но даже если она совершает ошибку, ДНК-полимераза ее распознает, делает шаг назад, отрывает неправильный мономер и заменяет его верным. Механизм репликации ДНК очень сложен, но основные моменты мы смогли разобрать. Важно понимать его значение как для микроорганизмов, так и для многоклеточных существ.

Одна из самых замечательных особенностей жизни состоит в том, что все живые существа характеризуются общностью строения клеток и происходящих в них процессов. Однако они имеют и очень много различий.

Современная биология показала, что в своей основе сходство и различие организмов определяется, в конечном счете, набором белков.

Некоторые белки, выполняющие одинаковые функции, могут иметь сходное строение в клетках не только разных видов, но даже более далёких групп организмов.

Например, инсулин (гормон поджелудочной железы), регулирующий количество сахара в крови, близок по строению у собаки и человека.

Однако большинство белков, выполняя одну и ту же функцию, несколько отличаются по строению у разных представителей одного и того же вида. Например, белки групп крови у человека.

Известно, что в эритроцитах (красных кровяных клетках дисководной формы) содержится белок гемоглобин, который доставляет кислород ко всем клеткам тела. Это сложный белок. Каждая его молекула состоит из 4 полипептидных цепей. У людей страдающих тяжёлым наследственным заболеванием – серповидно клеточной анемией, эритроциты похожи не на диски, как обычно, а на серпы. Причина изменения формы клетки – в различии первичной структуры гемоглобина у больных и здоровых людей.

Различие в том, что в двух из четырёх цепей нормального гемоглобина на 6 месте стоит глутоминовая кислота. При серповидноклеточной анемии она заменена на аминокислоту валин. Из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, заменены только две (по одной в двух цепях). Но это приводит к существенному изменению третичной и четвертичной структуры белка и, как существа, к изменению формы и нарушению функции эритроцита. Серповидные эритроциты плохо справляются со своей задачей – переносом кислорода.

ДНК – матрица для синтеза белков

Каким же образом в эритроцитах здорового человека образуются миллионы идентичных молекул гемоглобина, как правило, без единой ошибки в расположении аминокислот?

Почему в эритроцитах больного больных серповидноклеточной анемией все молекулы гемоглобина имеют одну и ту же ошибку в одном и том же месте?

Для ответа на эти вопросы обратимся к примеру с книгопечатанием.

Например, книга, изданная тиражом n экземпляров, все n книги отпечатаны с одного шаблона – типографской матрицы, поэтому они совершенно одинаковы. Если бы в матрицу вкралась ошибка, то она была бы воспроизведена во всех экземплярах.

Роль матрицы в клетках живых организмов выполняют молекулы ДНК.

ДНК каждой клетки несёт информацию не только о структурных белках, определяющих форму клетки, но и о всех белках – ферментах, белках гормонах и др. белках.

Углеводы и липиды образуются в клетке в результате сложных химических реакций, каждая из которых катализируется своим белком – ферментом. Владея информацией о ферментах, ДНК программирует структуру и др. органических соединений, а также управляет процессами их синтеза и расщепления. Поскольку молекулы ДНК являются матрицами для синтеза всех белков, то в ДНК заключена информация о структуре и деятельности клеток, о всех признаках каждой клетки и организма в целом. Каждый белок представлен одной или несколькими полимерными цепями. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одной полипептидной цепи, т.е. в большинстве случаев одного белка, называют геном . Каждая молекула ДНК содержит множество разных генов. Вся информация, заключённая в молекуле ДНК, называется генетической . Идея о том, что генетическая информация записана на молекулярном уровне и что синтез белков идёт по матричному принципу, впервые была сформулирована ещё в 20-х годах выдающимся отечественным биологом Н.К. Кольцевым.

Удвоение ДНК

Двойная спираль ДНК построена по принципу комплиментарности (комплементарность – взаимное дополнение):

А, Г, Ц, Т – азотные основания;

… – водородные связи.

Молекулы ДНК обладают свойством – способностью к удвоению.

Принцип комплементарности лежит и в основе удвоения молекул ДНК. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются, и к каждому нуклеотиду каждой из этих нитей последовательно пристраиваются комплиментарные нуклеотиды.

Разошедшиеся нити исходной (материнской) молекулы ДНК являются матричными. Они задают порядок расположения нуклеотидов во вновь синтезируемой цепи. В результате действия сложного набора ферментов происходит соединение нуклеотидов друг с другом. При этом образуются новые нити ДНК, комплиментарные каждой из разошедшихся цепей.

Таким образом, в результате удвоения создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из которых имеет одну нить, полученную от материнской молекулы, и одну нить, синтезированную вновь.

Рис. 21. Схема удвоения ДНК

Итак, этапы удвоения ДНК:

· Разрыв водородных связей, скрепляющих нити ДНК; расхождение нитей ДНК.

· Подбор к материнским нитям ДНК комплементарных нуклеотидов.

· Синтез дочерних ДНК.

· Процесс самоудвоения молекулы ДНК называют репликацией . При этом не расходуется энергия АТФ.

· Дочерние молекулы ДНК имеют одинаковые гены, какие были у материнской.

Каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений. Следовательно, все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Случайно возникшая ошибка в гене зародышевой клетки будет воспроизведена в генах миллионов её потомков.

Вот почему все эритроциты больного серповидноклеточной анемией имеют одинаково "испорченный" ген от родителей через их половые клетки.

Ген является единицей генетической (наследственной) информации.

Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомальных РНК.

Если учесть, что сходство и различие организмов определяется, в конечном счете, набором белков, и мы уже знаем, откуда берется информация о том, какие белки необходимы данному организму, то остается выяснить, как шифруется генетическая информация, как происходит синтез белков.

Образование информационной РНК по матрице ДНК

К рибосомам, местам синтеза белков, из ядра поступает несущей информацию посредник, способный пройти через поры ядерной оболочки. Таким посредником является информационная РНК (иРНК). Это одноцепочная молекула, комплиментарная одной нити молекулы ДНК.

Рис. 22. Схема образования иРНК

По матрице ДНК

Специальный фермент – полимераза, двигаясь по ДНК, подбирает по принципу комплиментарности нуклеотиды и соединяет их в единые цепочки. Этот процесс называется транскрипцией .

Если в нити ДНК стоит Тимин, то полимераза включает в цепь иРНК Аденин, если стоит Гуанин – включает Цитозин, если Аденин – Урацил (в состав РНК не входит Тимин).

иРНК – копия не всей молекулы ДНК, а только части её, одного гена или группы рядом стоящих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. У прокариот такая группа генов называется опероном . Вначале каждой группы генов находится своего рода посадочная площадка для полимеразы, называемая промотором . Это специфичная последовательность нуклеотидов ДНК, которую фермент “узнаёт” благодаря химическому сродству.

Только присоединившись к промотору, полимераза способна начать синтез иРНК. В конце группы генов фермент встречает сигнал (в виде определённой последовательности нуклеотидов), означающий конец переписывания.

Готовая иРНК отходит от ДНК, покидает ядро и направляется к месту синтеза белков – рибосоме, расположенной в цитоплазме клетки.

В клетке генетическая информация передаётся благодаря транскрипции от ДНК к белку: ДНК → иРНК→ белок.

Репликация ДНК осуществляется на основе:

матричного синтеза,

принципов: комплементарности и антипараллельности ,

при участии ферментов: эндонуклеазы, ДНК – полимеразы , геликазы, ДНК - лигазы, топоизомеразы, РНК-проймазы .

В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплиментарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали образуется две

идентичные двойные спирали, в которых одна полинуклеотидная цепь материнская, а вторая дочерняя, вновь синтезированная. Такой способ репликации называется полуконсервативным. Для осуществления репликации биспирали материнской ДНК, её цепи должны быть отделены друг от друга, чтобы стать матрицами. На которых будут синтезироваться комплиментарные и антипараллельные цепи дочерних полинуклеотидных цепей.

С помощью фермента г е л и к а з ы двойная спираль ДНК в отдельных зонах расплетается.. Образующиеся одноцепочные участки ДНК связываются специальными дестабилизирующими белками, растягивающими цепи и делая доступными азотистые основания для связывания с их с комплиментарными нуклеотидами.

Область расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называются

р е п л к а ц и о н н ы м и в и л к а м и. Образование репликационной вилки начинается с репликационного глаза, где две цепи материнской ДНК начинают отделяться друг от друга. Область репликационного глаза называют точкой начала репликации. Фрагмент ДНК от точки начала репликации до точки её окончания образует единицу репликации – репликон. Эукариотические хромосомы содержат большое число репликонов. В каждой такой области при участии фермента ДНК – п о л и м е р а з ы синтезируются новые дочерние цепи ДНК.

При расхождении 10 пар нуклеотидов, образующих один виток спирали, материнская ДНК должна совершить один полный оборот вокруг своей оси. Следовательно, для продвижения репликационной вилки вся молекула ДНК перед ней должна была бы быстро вращаться. В действительности этого не происходит благодаря ферментам т о п о и з о м е р а з а м. Топоизомераза разрывает фосфорнодиэфирную связь одной из цепей ДНК , что даёт ей возможность вращаться только вокруг второй цепи, что ослабляет накопившееся напряжение в двойной спирали ДНК.

ДНК – полимераза может присоединять очередной нуклеотид только!!! к ОН – группе дезоксирибозы в 3 / предшествующего нуклеотида, поэтому необходим 3 / - ОН – конец какой либо полинуклеотидной цепи, спаренной с матричной цепью ДНК, к которой ДНК – полимераза может лишь добавлять новые нуклеотиды. Такую полинуклеотидную цепь называют затравкой и ли праймером. Роль затравки для синтеза полинуклеотидных цепей ДНК в ходе репликации выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участии фермента РНК – праймазы. Такая особенность ДНК – полимеразы означает, что матрицей может служить лишь цепь ДНК, имеющая 3 \ ----5 \ конец. На ней происходит сборка новой дочерней цепи ДНК непрерывно от 5 / -----» 3 / концу.

Вторая дочерняя цепь ДНК также синтезируется с 3 / конца. Но вторая цепь материнской ДНК имеет 5 / ---» 3 / конец, поэтому синтез второй дочерней цепи ДНК осуществляется короткими фрагментами - фрагменты ОКАЗАКИ, также в направлении от 5 / -----» 3 / концу по типу шитья «назад иголкой», т.е. фермент ДНК – полимераза направлена противоположно относительно первой цепи, начинает работу с 3 / конца фрагмента Оказаки. У эукариот фрагменты Оказаки содержат от 100 до 200 нуклеотидов, а у прокариот значительно больше. Т.о. вилка репликации является асимметричной.

Из двух синтезируемых дочерних цепей та, что строится непрерывно, называется - лидирующей , синтез другой цепи идёт медленнее, т.к. она собирается фрагментами, её называют запаздывающей или отстающей.