Удвоение ДНК — матричный синтез

Матричный биосинтез — запрограммированный с помощью нуклеиновых кислот (НК) процесс сборки новых цепей полимеров (нуклеиновые кислоты, используемые как программы в матричном биосинтезе, называют матрицами). Реакции матричного биосинтеза:

реакция синтеза РНК на ДНК

удвоение ДНК

синтез белка на матрице иРНК

Значение реакции матричного синтеза:

способность к воспроизведению себе подобных

Репликация ДНК — это процесс синтеза дочерней молекулы ДНК. Он происходит в процессе деления клетки на матрице родительской молекулы ДНК. Генетический материал, заключенный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками. Репликацию ДНК осуществляет специальный фермент — ДНК-полимераза. Цепи ДНК расходятся, и каждая из них становится матрицей. Каждая синтезированная молекула ДНК состоит из одной цепи родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм удвоения называется полуконсервативным.

Удвоение ДНК — полуконсервативная репликация

Уотсон и Крик предположили, что удвоение ДНК происходит по полуконсервативному механизму. Это означает, что каждой новой двойной спирали одна цепь нуклеотидов достаётся от старой, а вторая цепь достраивается заново. В 1958 г этот механизм был подтвержден в опыте Месельсона и Сталя.

Распределение ДНК в последовательных поколениях после переноса на среду с легким изотопом азота

Каждая молекула ДНК содержит множество атомов азота. Наиболее распространён изотоп азота 14N. Существует также изотоп 15N, он не радиоактивен, а лишь тяжелее 14N. Содержащие тяжелый изотоп молекулы ДНК функциональны и могут удваиваться. Были выращены несколько поколений E. coli в среде, где в качестве источника азота присутствовали соли аммония, содержащие тяжелый изотоп 15N. Затем их ДНК была выделена и центрифугирована в градиенте плотность CsCl. Каждая молекула ДНК останавливалась на том уровне в пробирке, где её плотность совпадает с плотностью раствора соли. При длительном центрифугировании с ускорением около 10.000 g ионы цезия и хлора распределяются в пробирке неравномерно — у дна их концентрация повышается. ДНК бактерий, выращенных в 15N среде, была более тяжёлой. Эти бактерии затем были помещены обратно в 14N среду, где им было позволено разделится только один раз. Затем из клеток были извлечена ДНК, её плавучая плотность оказалась больше плавучей плотности ДНК бактерий, выращенных в среде, богатой 14N, но меньше плавучей плотности ДНК бактерий, выращенных в 15N среде. Это противоречило гипотезе о консервативном характере репликации ДНК, когда одна дочерняя клетка получает материнскую ДНК, а вторая — вновь синтезированную, обе цепи которой — новые, так как в этом случае ДНК разделилась бы на две фракции — лёгкую, содержащую атомы 14N, и тяжёлую, содержащую 15N. Однако этот результат не исключал дисперсный механизм репликации, когда куски материнской ДНК распределяются между дочерними ДНК случайным образом. Поэтому было выращено второе поколение бактерий, и их ДНК также была отцентрифугирована в градиенте хлористого цезия. Выяснилось, что клетки содержат в равном количестве как полностью «лёгкие» ДНК, так и «гибридные». Этот факт позволил исключить гипотезу дисперсного механизма репликации.

Задание 1

Для проведения этого эксперимента потребовалось получить синхронизированную культуру бактерий — такую культуру, в которой все клетки делятся одновременно. Как вы думаете, зачем?

Задание 2

Придумайте способы, с помощью которых можно получить такую культуру. Затем найдите в литературе данные о том, как в действительности получают синхронизированные культуры.

Задание 3

Предскажите результаты, которые получили бы Месельсон и Сталь в случае

а) консервативного и

б) дисперсного механизмов удвоения ДНК, Нарисуйте, как выглядело бы распределение ДНК в градиенте хлористого цезия через одно, два и три деления после переноса в среду с легким изотопом азота в случаях а) и б).

Источником энергии для удвоения ДНК служат макроэргические связи трифосфатнуклеотидов

Структура АТФ

Молекулы трифосфатнуклеотидов (АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ) состоят из азотистого основания, сахара дезоксирибозы и трёх остатков ортофосфорной кислоты. Трифосфатнуклеотиды относятся к макроэргическим соединениям, то есть к химическим соединениям, содержащим связи, при гидролизе которых высвобождается значительное количество энергии. В данном случае запасающие энергию связи — связи между остатками фосфорной кислоты. Гидролиз такой связи, сопровождаемый отщеплением двух остатков, приводит к выделению от 40 до 60 кДж/моль (в зависимости от условий). При синтезе новой цепочки ДНК из трифосфатнуклеотидов от каждого из них отщепляется два остатка фосфорной кислоты. Выделяющейся при этом энергии хватает на образование ковалентной связи между неотщепившимся остатком фосфорной кислоты и третьим атомом углерода в дезоксирибозе следующего нуклеотида.