Свойства и функции наследственного материала. Самовоспроизведение наследственного материала. Принцип и этапы репликации ДНК.

1) Согласно Центральной догме молекулярной биологии:
1. Носителем наследственной информации являются нуклеиновые кислоты(главным образом ДНК, исключение –РНК содержащие вирусы);
2. Единицей наследственности является ген , который с точки зрения молекулярной биологии определяется как участок ДНК, характеризирующийся определенной последовательностью нуклеотидов.
3. Способность ДНК, как химической основы гена, к редупликации обеспечивает передачу наследственной информации из поколения в поколение.
4. Генетическая информация о первичной структуре белка кодируется с помощью определенной последовательности нуклеотидов в цепи ДНК.

5.Биосинтез белка является процессом реализации наследственной информации. Образовавшиеся белки – ферменты вступают в цепь биохимических реакций, конечным результатом которых являются формирование фенотипического выражения признака.

Наследственный материал - компоненты клетки, структурно-функциональное единство которых обеспечивает хранение, реализацию и передачу наследственной информации при вегетативном и половом размножении.

Всеми этими свойствами обладают молекулы ДНК или реже РНК (у некоторых вирусов), в которых закодирована наследственная информация.
Основными свойствами Наследственного материала являются:

2. Способность к изменению генетической информации (мутации).

3. Способность к репарации и к передаче ее от поколения к поколению (процесс восстановления природной структуры ДНК, поврежденной при нормальном биосинтезе ДНК в клетке химическими или физическими агентами).

4. Способность к реализации - синтезу белка, кодируемого геном при участии двух матричных процессов: транскрипции и трансляции.

5. Генетический материал обладает устойчивостью. Устойчивость генетического материала обеспечивается: - диплоидным набором хромосом; - двойной спиралью ДНК; - вырожденностью генетического кода; - повтором некоторых генов; - репарацией нарушенной структуры ДНК.
Дискретность гена заключается в наличии субъединиц. Элементарная единица изменчивости, единица мутации названа МУТОНОМ, а единица рекомбинации - РЕКОНОМ. Минимальные размеры мутона и рекона равны 1 паре нуклеотидов и называются с а й т. Таким образом САЙТ - это структурная единица гена.

Функции наследственного материала:

1. Хранение и передача информации

2. Синтез белка, кодируемого геном при участии двух матричных процессов: транскрипции и трансляции.

2)Репликация ДНК.

Способность к самокопированию (репликации) является одним из основных свойств ДНК. Это свойство обеспечивается особенностями хи­мической организации молекулы ДНК, состоящей из двух комплементар­ных цепей. В процессе редупликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. Из одной двойной спирали ДНК образуется две идентичные молекулы. Такой способ редупликации называют полуконсервативным. Он осуществляется по матричному принципу. На слайде № 3 показан механизм полуконсервативного способа удвоения ДНК. Для осуществления ауторепродукции необходимы синтетические процессы в цитоплазме, ведущие к образованию четырех типов нуклеотидов, необходимы ферменты – белки для полимеризации полинуклеотидной цепи, необходимы источники энергии и наличие других внутриклеточных условий. С помощью фермента геликазы двой­ная спираль ДНК расплетается. Образовавшиеся при этом одноцепочечные участки связываются специальными дестабилизирующими белками. Мо­лекулы этих белков выстраиваются вдоль полинуклеотидных цепей, растя­гивая их остов и делая азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами, находящимися в нуклеоплазме. Облас­ти расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называют репликационными вилками. В каждой такой области при участии фермен­та ДНК - полимеразы синтезируются ДНК двух новых дочерних молекул. В процессе синтеза репликационная вилка движется вдоль материнской спирали ДНК, захватывая все новые зоны.

Разделение спирально закрученных цепей родительской ДНК ферментом геликазой вызывает появление супервитков перед репликационной вилкой. Это объясняется тем, что при расхождении каждых 10 пар нуклеотидов, образующих один виток спирали, родительская ДНК должна совершить один полный оборот вокруг своей оси. Следовательно, для продвижения репликационной вилки вся молекула ДНК перед ней должна была бы быстро вращаться, что потребовало бы большой затраты энергии. В действительности это не наблюдается благодаря особому классу белков, называемых ДНК-топоизомеразами. Топоизомераза разрывает одну из цепей ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи. Это ослабляет накопившееся напряжение в двойной спирали ДНК.

Из двух реплицируемых дочерних цепей одна реплицируется не­прерывно и ее синтез идет быстрее. Эту цепь называют лидирующей. Син­тез другой цепи идет медленнее, т. к. она собирается из отдельных фраг­ментов Оказаки. Фрагменты образуются с помощью РНК-затравки. Роль затравки для синтеза полинуклеотидных цепей ДНК в ходе репликации выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участии фермента РНК-праймазы Одна из нитей ДНК разрезается на фрагменты с помощью фермента рестриктазы, вновь синтезированные отдельные фрагменты сшиваются вместе с помощью фермента лигазы. Такую цепь называют запаздывающей. Конечным результатом процесса реплика­ции является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последова­тельность которых идентична таковой в материнской двойной спирали ДНК.

В принципах самоудвоения молекулы ДНК заложена основа устойчивого сохранения всей специфики генетической информации данного вида и данной особи. Это обусловлено комплементарностью при достройке молекулы ДНК. В результате вновь синтезированная молекула ДНК воспроизводит всю специфику исходной молекулы.

Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой точки образует единицу репликации - репликон. Кольцевые молекулы ДНК про­кариот имеют одну точку начала репликации и представляют собой цели­ком отдельные репликоны. Эукариотические хромосомы содержат боль­шое число репликонов. В связи с этим, удвоение ДНК хромосом эукариот начинается в нескольких точках. В разных репликонах удвоение может ид­ти в разное время или одновременно.

P.S.: Материал с лекции- Ауторепродукция генетического материала у вирусов и бактерий идет на уровне молекул ДНК. У эукариотов материальная основа генетической информации - ДНК, соединяется с белками и образует хроматин. Ауторепродукция хромосом у высших организмов была доказана в опытах Тейлора, Вудса и Хигиса с использованием ауторадиографии хромосом. Опыты этих ученых доказали, что ауторепродукция хромосом высших форм также подчиняется законам ауторепродукции молекул ДНК. Она идет по типу полуконсервативной ауторепродукции. Когда количество ДНК в клетке удваивается, каждая хромосома представлена двумя хроматидами каждая из которых содержит двойную нить ДНК. Ауторепродукция молекулы ДНК составляет основу самоудвоения генетической информации записанной в хромосомах.

Процесс репликацию ДНК происходит с участием множества ферментов. Слайд № 1. Для осуществления редупликации, цепи материнской молекулы ДНК отдаляются друг от друга. Водородные связи между ними разрушаются геликазой. Область расхождения полинуклиотидных цепей в зонах репликации называют репликационными вилками. В каждой такой области при участии фермента ДНК- полимеразы к освободившимся водородным связям нуклеотидных последовательностей присоединяются свободные нуклеотиды из нуклеоплазмы. Из двух реплицируемых дочерних цепей одна реплицируется непрерывно и синтез ее идет быстрее. Эту цепь назвали лидирующей. Синтез другой цепи идет медленнее, т.к. она собирается из отдельных фрагментов. Такую цепь называют запаздывающей. Ферменты рестриктазы сначала разрезают ее на отдельные фрагменты( фрагменты Оказаки), затем каждый фрагмент реплицируется отдельно и только потом происходит объединение реплицированных фрагментов в единое целое с помощью лигазы.

Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой точки образует единицу репликации – репликон. Эукариотические хромосомы содержат большое число репликонов. В связи с этим редупликация хромосом эукариот начинается в нескольких точках. В разных репликонах репликация может идти в разное время или одновременно.

Репликация ядерной ДНК происходит в определенный период жизненного цикла клетки – синтетический период интерфазы. Ауторепродукция хромосом и последующее за нее деление клетки направлены но то, чтобы дочерние клетки получили всю полноту генетической информации, имевшуюся в исходной родительской клетке. Чередование двух этих важных процессов составляют основу клеточного цикла. Клеточный цикл означает многократное повторение последовательных событий, занимающих определенный отрезок времени.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

P.S.:(Не факт что полезно. То что сверху- вернее по идее).
Наследственный материал обладает универсальными свойствами живого: дискретностью, непрерывностью, линейностью, относительной стабильностью.

1. ДИСКРЕТНОСТЬ генетического материала, т.е. существование гена, хромосомы (группы сцепления), генома, выявляется в виде: множества аллелей, составляющих группу сцепления, множества групп сцепления, составялющих геном.

2. НЕПРЕРЫВНОСТЬ Наследственного материала (физическая целостность хромосомы) выявляют в виде сцепления множества генов между собой.

3. ЛИНЕЙНОСТЬ (одномерность записи генетической информации) - в определенной последовательности генов в пределах групп сцепления или сайтов в пределах гена.

4. ОТНОСИТЕЛЬНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ или способность к конвариантной редупликации, т.е. возникновение и сохранение вариантов в ходе возспроизведения, выявляют в виде мутационной изменчивости.