پیوند دو رشته DNA فرآیند تشکیل پیوندهای زنجیره های DNA در طول چرخه شدن آن است. هنگامی که یک جفت یا چند زنجیره پلیمری بسته می شوند، می توانند انواع مختلفی از اتصالات را ایجاد کنند. به طور خاص، در هم تنیدگی توسط رشته‌های مارپیچ دوگانه در شکل بسته دایره‌ای DNA تشکیل می‌شود (در اینجا مارپیچ دوگانه DNA عمدتاً به عنوان یک زنجیره پلیمری منفرد در نظر گرفته می‌شود). مولکول های DNA مرتبط در طبیعت بسیار رایج هستند و می توانند در آزمایشگاه تولید شوند. پیوندهای دو زنجیره، به طور کلی، دارای انواع بی‌نهایت توپولوژیکی غیر هم ارز هستند. مفهوم نظم پیوندی به طور واضح تنها پیوندهای یک کلاس خاص را که در DNA بسته دایره ای تشکیل شده اند، مشخص می کند. تصویر کلی بسیار پیچیده تر به نظر می رسد.

هنگامی که یک زنجیره پلیمری در محلول دچار چرخه‌سازی تصادفی می‌شود، می‌تواند به حالت‌های توپولوژیکی مختلف ختم شود. در مورد مدارهای ایزوله، به عنوان مثال. بدون در نظر گرفتن پیوندهای حاصل، این سوال در مورد احتمال این حالت های توپولوژیکی به احتمال تشکیل گره های مختلف در طی یک بسته شدن تصادفی می رسد. اگر احتمال درهم تنیدگی ها را در نظر بگیریم، ابتدا باید مسئله احتمال تشکیل یک حالت درهم تنیده (یا حالت درهم تنیده) را در حین بسته شدن تصادفی دو زنجیره با فاصله معین بین مراکز جرم آنها در نظر بگیریم. , R (Klenin K.V. ea, 1988, Frank-Kamenetskii M.D. ea, 1975, Vologodsky A.V. et al., 1974a and Iwata K., 1983). نتایج چنین محاسباتی برای مدل یک زنجیره بی نهایت نازک (Klenin K.V. ea, 1988) نشان داده شده است. منحنی های مختلف با تعداد متفاوتی از بخش ها در هر یک از زنجیره ها مطابقت دارند (هر دو زنجیره از همان تعداد قطعه تشکیل شده اند): 1 - 20 بخش، 2 - 40، 3 - 80 قطعه. احتمال قابل توجه تشکیل پیوندها در R کوچک به این معنی است که تعداد حالت های یک سیستم از دو زنجیره غیرپیوندی با نزدیک شدن به یکدیگر به طور قابل توجهی کاهش می یابد. در نتیجه، راه حلی از زنجیره های پلیمری حلقه ای بی نهایت نازک بدون پیوند ایده آل نخواهد بود. در آن دافعه بین زنجیرها بوجود می آید که ماهیت آنتروپیک دارد. در مکانیک آماری، چنین دافعه ای معمولاً از نظر کمی با ضریب ویروسی دوم B مشخص می شود (Landau L. and Lifshitz E.M., 1964). مقادیر B برای حل حلقه های درگیر نشده را می توان از داده های شکل 1 محاسبه کرد. احتمال ایجاد درهم تنیدگی بین دو زنجیره این مقادیر (نگاه کنید به شکل. محاسبه ضریب ویروسی دوم) نزدیک به مقدار B هستند، مربوط به ذرات کروی غیرقابل نفوذ به یکدیگر، و دارای شعاع برابر با شعاع چرخش ریشه - میانگین مربع یک زنجیره پلیمری بسته (Klenin K.V. ea, 1988). بنابراین، حتی مدارهای بسته بی نهایت نازک ایده آل باید دافعه متقابل قوی را تجربه کنند، که کاملاً به دلیل محدودیت های توپولوژیکی است.

کاتنانس، یعنی. درگیری مولکول‌های DNA در برخی از سلول‌ها یافت شد (کلیتون دی‌آ و وینوگراد جی، 1967، هادسون بی و وینوگراد جی، 1967). نمونه‌ای از ساختار توپولوژیکی با درهم‌تنیدگی‌ها توسط شبکه‌های غول‌پیکر از کینتوپلاست‌های DNA دایره‌ای به هم پیوسته ارائه شده است (به بررسی Borst P. و Hoeijmakers J.H.J.، 1979 مراجعه کنید). این شبکه ها شامل ده ها هزار مولکول DNA دایره ای است که اکثر آنها از نظر ساختار یکسان هستند.

روش های اصلی برای مطالعه توپولوژی DNA دو رشته ای میکروسکوپ الکترونی و الکتروفورز ژل است. با این حال، در یک عکس میکروسکوپی الکترونی معمولی از DNA، تجزیه و تحلیل توپولوژی مولکول ها بسیار دشوار است، زیرا قضاوت در مورد اینکه کدام یک از رشته ها در نقاط تقاطع آنها روی بستر بالاتر است و کدام پایین تر، دشوار است. تا حد زیادی، این مشکل برای اولین بار به دلیل اتصال مارپیچ دوگانه به پروتئین recA برطرف شد (Krasnow M.A.ea, 1983). در این حالت، رشته DNA به قدری ضخیم می شود که ساختار تقاطع قطعات DNA به وضوح در عکس ها قابل مشاهده است. از سوی دیگر، مولکول‌های DNA قلاب‌شده در تحرک در ژل با مولکول‌های غیرپیوندی متفاوت هستند، که به آنها اجازه می‌دهد در طول الکتروفورز جدا شوند (به Wasserman S.A. و Cozzarelli N.R.، 1986 مراجعه کنید). این روش، به طور طبیعی، نیاز به کالیبراسیون خاصی دارد، زیرا نمی توان از قبل گفت که یک ساختار توپولوژیکی خاص نسبت به شکل دایره ای بدون گره DNA چه موقعیتی را در ژل باید اشغال کند. با این حال، در حال حاضر، مقدار بسیار زیادی از مواد تجربی قبلاً بر روی تحرک ساختارهای توپولوژیکی مختلف نسبت به توپوایزومرهای بدون گره DNA مورد مطالعه انباشته شده است. به طور طبیعی، هنگام مطالعه مولکول های DNA به هم قفل شده با این روش، آنها باید دارای شکست های تک رشته ای باشند، زیرا در غیر این صورت تحرک به ترتیب به هم پیوستگی رشته های مارپیچ دوگانه بستگی دارد.

صفحه 3

1. طبق اصل مکمل بودن، رشته دوم مولکول DNA معین را می سازد: T-T-C-A-G-A-T-T-G-C-A-T-A.

2. با دانستن طول یک نوکلئوتید (0.34 نانومتر)، طول این قطعه DNA را تعیین می کنیم (در DNA طول یک زنجیره برابر است با طول کل مولکول): 13x0.34 = 4.42 نانومتر.

3. محاسبه درصد نوکلئوتیدها در یک زنجیره DNA داده شده:

13 نوکلئوتید - 100٪

5 A – x%, x=38% (A).

2 G – x%, x=15.5% (G).

4 T – x%, x=31% (T).

2 C – x%, x=15.5% (C).

جواب: ت-ت-ج-ا-ج-ا-ت-ت-ج-ج-ا-ت-ا; 4.42 نانومتر؛ A=38%; T=31%; G=15.5%; C=15.5%.

مسئله 21. روی قطعه ای از یک رشته DNA، نوکلئوتیدها به ترتیب A-A-G-T-C-T-A-C-G-T-A-T قرار دارند.

1. نمودار ساختار رشته دوم این مولکول DNA را رسم کنید.

2. اگر یک نوکلئوتید حدود 0.34 نانومتر را اشغال کند، طول این قطعه DNA بر حسب نانومتر چقدر است؟

3. چند نوکلئوتید (در درصد) در این قطعه از مولکول DNA وجود دارد؟

1. رشته دوم این قطعه از مولکول DNA را با استفاده از قاعده مکملیت تکمیل می کنیم: T-T-C-A-G-A-T-G-C-A-T-A.

2. طول این قطعه DNA را تعیین کنید: 12x0.34 = 4.08 نانومتر.3. درصد نوکلئوتیدهای این قطعه DNA را محاسبه می کنیم.

24 نوکلئوتید - 100٪

8A - x٪، بنابراین x = 33.3% (A);

زیرا طبق قانون Chargaff A=T که به معنای محتوای T=33.3% است.

24 نوکلئوتید - 100٪

4G - x٪، بنابراین x = 16.7٪ (G);

زیرا طبق قانون Chargaff G=C که به معنای محتوای C=16.6٪ است.

جواب: ت-ت-ج-ا-ج-ا-ت-گ-ج-ا-ت-ا; 4.08 نانومتر؛ A=T=33.3%; G=C=16.7%

مسئله 22. اگر رشته اول حاوی 18% گوانین، 30% آدنین و 20% تیمین باشد، ترکیب دومین رشته DNA چگونه خواهد بود؟

1. با دانستن اینکه زنجیره های مولکول DNA مکمل یکدیگر هستند، محتوای نوکلئوتیدها (در درصد) را در زنجیره دوم تعیین می کنیم:

زیرا در زنجیره اول G = 18٪، یعنی در زنجیره دوم C = 18٪.

زیرا در زنجیره اول A=30% یعنی در زنجیره دوم T=30%;

زیرا در زنجیره اول T=20% یعنی در زنجیره دوم A=20%;

2. محتوای سیتوزین در اولین زنجیره (در درصد) را تعیین کنید.

تعیین نسبت سیتوزین در اولین رشته DNA: 100٪ - 68٪ = 32٪ (C).

اگر در زنجیره اول C = 32٪، سپس در زنجیره دوم G = 32٪.

پاسخ: C=18%; T=30%; A=20%; G=32%

مسئله 23. در یک مولکول DNA 23 درصد آدنیل نوکلئوتید از تعداد کل نوکلئوتیدها وجود دارد. تعداد نوکلئوتیدهای تیمیدیل و سیتوزیل را تعیین کنید.

1. با استفاده از قانون Chargaff، محتوای نوکلئوتیدهای تیمیدیل را در یک مولکول DNA مشخص می‌یابیم: A=T=23%.

2. مجموع (بر حسب درصد) محتوای نوکلئوتیدهای آدنیل و تیمیدیل در یک مولکول DNA معین را بیابید: 23% + 23% = 46%.

3. مجموع (بر حسب درصد) محتوای نوکلئوتیدهای گوانیل و سیتوسیل در یک مولکول DNA داده شده را بیابید: 100% - 46% = 54%.

4. طبق قانون Chargaff، در یک مولکول DNA G = C، در مجموع 54٪ و به صورت جداگانه: 54٪: 2 = 27٪ را تشکیل می دهند.

پاسخ: T=23%; C=27%

مسئله 24. یک مولکول DNA با وزن مولکولی نسبی 69 هزار داده می شود که 8625 عدد آن آدنیل نوکلئوتید است. وزن مولکولی نسبی یک نوکلئوتید به طور متوسط ​​345 است. چند نوکلئوتید منفرد در این DNA وجود دارد؟ طول مولکول آن چقدر است؟

1. تعداد آدنیل نوکلئوتیدها را در یک مولکول DNA مشخص کنید: 8625: 345 = 25.

2. طبق قانون Chargaff، A = G، i.e. در یک مولکول DNA داده شده A=T=25.

3. تعیین کنید که چه مقدار از کل وزن مولکولی این DNA سهم نوکلئوتیدهای گوانیل است: 69000 – (8625x2) = 51750.

4. تعداد کل نوکلئوتیدهای گوانیل و سیتوسیل در این DNA را تعیین کنید: 150=345:51750.

5. محتوای نوکلئوتیدهای گوانیل و سیتوزیل را به طور جداگانه تعیین کنید: 150:2 = 75;

6. طول این مولکول DNA را تعیین کنید: (25 + 75) x 0.34 = 34 نانومتر.

پاسخ: A=T=25; G=C=75; 34 نانومتر

مسئله 25. طبق نظر برخی از دانشمندان طول کل مولکول های DNA در هسته یک سلول زایای انسان حدود 102 سانتی متر است. در DNA یک سلول چند جفت نوکلئوتید وجود دارد (1 نانومتر = 10-6 میلی متر)؟

1. تبدیل سانتی متر به میلی متر و نانومتر: 102 سانتی متر = 1020 میلی متر = 1,020,000,000 نانومتر.

2. با دانستن طول یک نوکلئوتید (0.34 نانومتر)، تعداد جفت‌های نوکلئوتیدی موجود در مولکول‌های DNA یک گامت انسانی را تعیین می‌کنیم: (102 x 107): 0.34 = 3 x 109 جفت.

جواب: بند 3'109.

وظیفه 26. فرمول دی پپتیدهای تشکیل شده را بنویسید:

الف) تیروزین و سیستنوئین؛ ب) سرین و فنیل آلانین. ج) گلیسین و سیستئین.

مسئله 27. گلیسین را بدون استفاده از سایر مواد حاوی کربن از متان بدست آورید.

در سمت راست بزرگترین مارپیچ DNA انسان است که از مردم در ساحل وارنا (بلغارستان) ساخته شده است و در کتاب رکوردهای گینس در 23 آوریل 2016 ثبت شده است.

اسید دئوکسی ریبونوکلئیک اطلاعات کلی

DNA (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید) نوعی طرح اولیه برای زندگی است، یک کد پیچیده که حاوی داده هایی در مورد اطلاعات ارثی است. این ماکرومولکول پیچیده قادر به ذخیره و انتقال اطلاعات ژنتیکی ارثی از نسلی به نسل دیگر است. DNA ویژگی های هر موجود زنده مانند وراثت و تنوع را تعیین می کند. اطلاعات رمزگذاری شده در آن کل برنامه توسعه هر موجود زنده را تنظیم می کند. عوامل ژنتیکی تعیین شده، کل دوره زندگی هر دو فرد و هر ارگانیسم دیگری را از پیش تعیین می کند. تأثیرات مصنوعی یا طبیعی محیط خارجی تنها می تواند اندکی بر بیان کلی صفات ژنتیکی فردی تأثیر بگذارد یا بر توسعه فرآیندهای برنامه ریزی شده تأثیر بگذارد.

اسید دئوکسی ریبونوکلئیک(DNA) یک ماکرومولکول (یکی از سه مولکول اصلی، دو مورد دیگر RNA و پروتئین هستند) است که ذخیره سازی، انتقال از نسلی به نسل دیگر و اجرای برنامه ژنتیکی برای توسعه و عملکرد موجودات زنده را تضمین می کند. DNA حاوی اطلاعاتی در مورد ساختار انواع مختلف RNA و پروتئین است.

در سلول های یوکاریوتی (حیوانات، گیاهان و قارچ ها)، DNA در هسته سلول به عنوان بخشی از کروموزوم ها و همچنین در برخی از اندامک های سلولی (میتوکندری و پلاستیدها) یافت می شود. در سلول‌های موجودات پروکاریوتی (باکتری‌ها و آرکیاها)، یک مولکول DNA دایره‌ای یا خطی به نام نوکلوئید از داخل به غشای سلولی متصل است. در آنها و در یوکاریوت‌های پایین (مثلاً مخمر)، مولکول‌های DNA مستقل و عمدتاً دایره‌ای شکل به نام پلاسمیدها نیز یافت می‌شوند.

از دیدگاه شیمیایی، DNA یک مولکول پلیمری طولانی است که از بلوک های تکرار شونده به نام نوکلئوتید تشکیل شده است. هر نوکلئوتید از یک پایه نیتروژن دار، یک قند (دئوکسی ریبوز) و یک گروه فسفات تشکیل شده است. پیوند بین نوکلئوتیدها در زنجیره توسط دئوکسی ریبوز تشکیل می شود. با) و فسفات ( اف) گروه ها (پیوندهای فسفودی استر).

برنج. 2. یک نوکلئوتید از یک پایه نیتروژن دار، یک قند (دئوکسی ریبوز) و یک گروه فسفات تشکیل شده است.

در اکثریت قریب به اتفاق موارد (به استثنای برخی از ویروس‌های حاوی DNA تک رشته‌ای)، ماکرومولکول DNA از دو زنجیره تشکیل شده است که با بازهای نیتروژنی به سمت یکدیگر قرار دارند. این مولکول دو رشته ای در امتداد یک مارپیچ پیچ خورده است.

چهار نوع باز نیتروژنی در DNA یافت می شود (آدنین، گوانین، تیمین و سیتوزین). پایه های نیتروژنی یکی از زنجیره ها با پیوندهای هیدروژنی بر اساس اصل مکمل بودن به پایه های نیتروژنی زنجیره دیگر متصل می شوند: آدنین فقط با تیمین ترکیب می شود. A-T، گوانین - فقط با سیتوزین ( G-C). این جفت ها هستند که "پله های" مارپیچ DNA "پلکان" را تشکیل می دهند (نگاه کنید به: شکل 2، 3 و 4).

برنج. 2. بازهای نیتروژنی

توالی نوکلئوتیدها به شما امکان می دهد اطلاعات مربوط به انواع مختلف RNA را رمزگذاری کنید، که مهمترین آنها پیام رسان یا الگو (mRNA)، ریبوزومی (rRNA) و انتقال (tRNA) هستند. همه این انواع RNA بر روی یک الگوی DNA با کپی کردن یک توالی DNA در یک توالی RNA سنتز شده در طول رونویسی سنتز می‌شوند و در بیوسنتز پروتئین (فرایند ترجمه) شرکت می‌کنند. DNA سلول علاوه بر توالی‌های کدکننده، دارای توالی‌هایی است که عملکردهای تنظیمی و ساختاری را انجام می‌دهند.

برنج. 3. همانندسازی DNA

ترتیب ترکیبات پایه ترکیبات شیمیایی DNA و روابط کمی بین این ترکیبات کدگذاری اطلاعات ارثی را تضمین می کند.

تحصیلات DNA جدید (تکثیر)

1. فرآیند همانند سازی: باز کردن مارپیچ دوگانه DNA - سنتز رشته های مکمل توسط DNA پلیمراز - تشکیل دو مولکول DNA از یک.
2. هنگامی که آنزیم ها پیوند بین جفت پایه ترکیبات شیمیایی را می شکند، مارپیچ دوتایی به دو شاخه باز می شود.
3. هر شاخه عنصری از DNA جدید است. جفت های پایه جدید به همان ترتیبی که در شاخه والد به هم متصل می شوند.

پس از تکمیل تکثیر، دو مارپیچ مستقل تشکیل می شوند که از ترکیبات شیمیایی DNA مادر ایجاد شده و دارای کد ژنتیکی یکسانی هستند. به این ترتیب DNA قادر است اطلاعات را از سلولی به سلول دیگر منتقل کند.

اطلاعات دقیق تر:

ساختار اسیدهای نوکلئیک

برنج. 4 . بازهای نیتروژن: آدنین، گوانین، سیتوزین، تیمین

اسید دئوکسی ریبونوکلئیک(DNA) به اسیدهای نوکلئیک اشاره دارد. اسیدهای نوکلئیکدسته ای از بیوپلیمرهای نامنظم هستند که مونومرهای آنها نوکلئوتید هستند.

نوکلئوتیدهاشامل پایه نیتروژنی، متصل به یک کربوهیدرات پنج کربنه (پنتوز) - دئوکسی ریبوز(در مورد DNA) یا ریبوز(در مورد RNA)، که با یک باقیمانده اسید فسفریک (H 2 PO 3 -) ترکیب می شود.

پایه های نیتروژنیدو نوع وجود دارد: بازهای پیریمیدین - اوراسیل (فقط در RNA)، سیتوزین و تیمین، بازهای پورین - آدنین و گوانین.

برنج. 5. ساختار نوکلئوتیدها (سمت چپ)، محل نوکلئوتید در DNA (پایین) و انواع بازهای نیتروژنی (سمت راست): پیریمیدین و پورین

اتم های کربن در مولکول پنتوز از 1 تا 5 شماره گذاری می شوند. فسفات با اتم های کربن سوم و پنجم ترکیب می شود. اینگونه است که نوکلئینوتیدها در یک زنجیره اسید نوکلئیک ترکیب می شوند. بنابراین، ما می توانیم انتهای 3' و 5' رشته DNA را تشخیص دهیم:

برنج. 6. جداسازی انتهای 3' و 5' زنجیره DNA

دو رشته DNA تشکیل می شود مارپیچ دوتایی. این زنجیره ها در مارپیچ در جهت مخالف هستند. در رشته‌های مختلف DNA، بازهای نیتروژنی با یکدیگر به یکدیگر متصل می‌شوند پیوند های هیدروژنی. آدنین همیشه با تیمین جفت می شود و سیتوزین همیشه با گوانین جفت می شود. نامیده می شود قانون مکملیت.

قانون مکمل بودن:

A-T G-C

به عنوان مثال، اگر یک رشته DNA با توالی به ما داده شود

3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’،

سپس زنجیره دوم مکمل آن خواهد بود و در جهت مخالف هدایت می شود - از انتهای 5 تا انتهای 3:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.

برنج. 7. جهت زنجیره های مولکول DNA و اتصال بازهای نیتروژنی با استفاده از پیوندهای هیدروژنی

تکثیر DNA

همانندسازی DNAفرآیند دو برابر شدن یک مولکول DNA از طریق سنتز الگو است. در بیشتر موارد همانندسازی طبیعی DNAآغازگربرای سنتز DNA است قطعه کوتاه (بازآفرینی شده). چنین آغازگر ریبونوکلئوتیدی توسط آنزیم پریماز (DNA primase در پروکاریوت‌ها، DNA پلیمراز در یوکاریوت‌ها) ایجاد می‌شود و متعاقباً با دئوکسی ریبونوکلئوتید پلیمراز جایگزین می‌شود که معمولاً عملکردهای ترمیمی را انجام می‌دهد (اصلاح آسیب شیمیایی و شکستگی در مولکول DNA).

همانند سازی طبق یک مکانیسم نیمه محافظه کار رخ می دهد. این بدان معنی است که مارپیچ دوگانه DNA باز می شود و زنجیره جدیدی بر روی هر یک از زنجیره های آن بر اساس اصل مکملیت ساخته می شود. بنابراین، مولکول DNA دختر شامل یک رشته از مولکول مادر و یک رشته جدید است. همانند سازی در جهت از 3' تا 5' انتهای رشته مادر رخ می دهد.

برنج. 8. همانندسازی (دوبرابر شدن) یک مولکول DNA

سنتز DNA- این فرآیند آنقدرها هم که در نگاه اول به نظر می رسد پیچیده نیست. اگر به آن فکر کنید، ابتدا باید بفهمید سنتز چیست. این فرآیند ترکیب چیزی در یک کل است. تشکیل یک مولکول DNA جدید در چند مرحله اتفاق می افتد:

1) توپوایزومراز DNA که در جلوی چنگال همانندسازی قرار دارد، DNA را به منظور تسهیل باز کردن و باز کردن آن برش می دهد.
2) DNA هلیکاز، به دنبال توپوایزومراز، بر روند "بافته شدن" مارپیچ DNA تأثیر می گذارد.
3) پروتئین های متصل شونده به DNA رشته های DNA را متصل می کنند و همچنین آنها را تثبیت می کنند و از چسبیدن آنها به یکدیگر جلوگیری می کنند.
4) DNA پلیمراز δ(دلتا) ، هماهنگ با سرعت حرکت چنگال تکرار، سنتز را انجام می دهدمنتهی شدنزنجیرشرکت فرعی DNA در جهت 5"→3" روی ماتریسمادری رشته های DNA در جهت از انتهای 3 اینچی تا انتهای 5 اینچی آن (سرعت تا 100 جفت نوکلئوتید در ثانیه). این رویدادها در این مادریرشته های DNA محدود هستند.

برنج. 9. نمایش شماتیک فرآیند همانندسازی DNA: (1) رشته عقب مانده (رشته عقب مانده)، (2) رشته پیشرو (رشته پیشرو)، (3) DNA پلیمراز α (Polα)، (4) لیگاز DNA، (5) RNA پرایمر، (6) پریماز، (7) قطعه اوکازاکی، (8) DNA پلیمراز δ (Polδ)، (9) هلیکاز، (10) پروتئین های تک رشته ای متصل شونده به DNA، (11) توپوایزومراز.

سنتز رشته عقب مانده DNA دختر در زیر توضیح داده شده است (نگاه کنید به. طرحچنگال همانند سازی و عملکرد آنزیم های همانند سازی)

برای اطلاعات بیشتر در مورد همانندسازی DNA، رجوع کنید به

5) بلافاصله پس از باز شدن و تثبیت رشته دیگر مولکول مادر، به آن متصل می شود.DNA پلیمراز α(آلفا)و در جهت 5 "→ 3" یک آغازگر (پرایمر RNA) - یک توالی RNA روی یک الگوی DNA با طول 10 تا 200 نوکلئوتید را سنتز می کند. پس از این آنزیماز رشته DNA حذف می شود.

بجای DNA پلیمرازهاα به انتهای 3 اینچی پرایمر متصل می شود DNA پلیمرازε .

6) DNA پلیمرازε (اپسیلون) به نظر می رسد به گسترش پرایمر ادامه می دهد، اما آن را به عنوان یک بستر وارد می کنددئوکسی ریبونوکلئوتیدها(به مقدار 150-200 نوکلئوتید). در نتیجه، یک نخ واحد از دو قسمت تشکیل می شود -RNA(یعنی پرایمر) و DNA. DNA پلیمراز εاجرا می شود تا زمانی که با پرایمر قبلی روبرو شودقطعه ای از اوکازاکی(کمی زودتر سنتز شده است). پس از این، این آنزیم از زنجیره حذف می شود.

7) DNA پلیمراز β(بتا) به جای آن ایستاده استDNA پلیمراز ε،در همان جهت حرکت می کند (5"→3") و ریبونوکلئوتیدهای آغازگر را حذف می کند در حالی که همزمان دئوکسی ریبونوکلئوتیدها را در جای خود قرار می دهد. آنزیم تا زمانی کار می کند که پرایمر به طور کامل حذف شود، یعنی. تا زمانی که یک دئوکسی ریبونوکلئوتید (حتی قبل از آن سنتز شودDNA پلیمراز ε). آنزیم قادر نیست نتیجه کار خود را با DNA جلویی متصل کند، بنابراین از زنجیره خارج می شود.

در نتیجه، قطعه‌ای از DNA دختر روی ماتریکس رشته مادر قرار می‌گیرد. نامیده می شودقطعه ای از اوکازاکی.

8) DNA لیگاز دو مجاور را به هم متصل می کند تکه هایی از اوکازاکی ، یعنی انتهای 5 اینچ قطعه سنتز شدهDNA پلیمراز ε،و زنجیره 3 اینچی داخلیDNA پلیمرازβ .

ساختار RNA

اسید ریبونوکلئیک(RNA) یکی از سه درشت مولکول اصلی (دو ماکرومولکول دیگر DNA و پروتئین هستند) است که در سلول های همه موجودات زنده یافت می شود.

درست مانند DNA، RNA از یک زنجیره طولانی تشکیل شده است که در آن هر پیوند نامیده می شود نوکلئوتید. هر نوکلئوتید از یک پایه نیتروژن دار، یک قند ریبوز و یک گروه فسفات تشکیل شده است. با این حال، بر خلاف DNA، RNA معمولا یک رشته به جای دو رشته دارد. پنتوز در RNA ریبوز است، نه دئوکسی ریبوز (ریبوز دارای یک گروه هیدروکسیل اضافی در اتم کربوهیدرات دوم است). در نهایت، DNA در ترکیب بازهای نیتروژنی با RNA متفاوت است: به جای تیمین ( تی RNA حاوی اوراسیل ( U) که مکمل آدنین نیز می باشد.

توالی نوکلئوتیدها به RNA اجازه می دهد تا اطلاعات ژنتیکی را رمزگذاری کند. همه موجودات سلولی از RNA (mRNA) برای برنامه ریزی سنتز پروتئین استفاده می کنند.

RNA سلولی از طریق فرآیندی به نام تولید می شود رونویسی ، یعنی سنتز RNA روی یک ماتریس DNA که توسط آنزیم های خاص انجام می شود - RNA پلیمرازها.

سپس RNA های پیام رسان (mRNA) در فرآیندی به نام شرکت می کنند پخش، آن ها سنتز پروتئین بر روی یک ماتریس mRNA با مشارکت ریبوزوم ها سایر RNA ها پس از رونویسی دستخوش تغییرات شیمیایی می شوند و پس از تشکیل ساختارهای ثانویه و ثالثی، بسته به نوع RNA عملکردی را انجام می دهند.

برنج. 10. تفاوت DNA و RNA در باز نیتروژن دار: به جای تیمین (T)، RNA حاوی اوراسیل (U) است که مکمل آدنین نیز می باشد.

رونویسی

این فرآیند سنتز RNA بر روی یک الگوی DNA است. DNA در یکی از سایت ها باز می شود. یکی از رشته ها حاوی اطلاعاتی است که باید روی یک مولکول RNA کپی شود - این رشته رشته کد کننده نامیده می شود. رشته دوم DNA، مکمل رشته کد کننده، الگو نامیده می شود. در طول رونویسی، یک زنجیره RNA مکمل بر روی رشته الگو در جهت 3 - 5 (در امتداد رشته DNA) سنتز می شود. این یک کپی RNA از رشته کد کننده ایجاد می کند.

برنج. 11. نمایش شماتیک رونویسی

به عنوان مثال، اگر دنباله زنجیره کدگذاری به ما داده شود

3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’،

سپس، طبق قانون مکمل، زنجیره ماتریس دنباله را حمل خواهد کرد

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'،

و RNA سنتز شده از آن توالی است

پخش

بیایید مکانیسم را در نظر بگیریم سنتز پروتئینبر روی ماتریس RNA و همچنین کد ژنتیکی و خواص آن. همچنین، برای وضوح، در لینک زیر، توصیه می کنیم یک ویدیوی کوتاه در مورد فرآیندهای رونویسی و ترجمه که در یک سلول زنده رخ می دهد تماشا کنید:

برنج. 12. فرآیند سنتز پروتئین: کدهای DNA برای RNA، کدهای RNA برای پروتئین

کد ژنتیکی

کد ژنتیکی- روشی برای رمزگذاری توالی اسید آمینه پروتئین ها با استفاده از دنباله ای از نوکلئوتیدها. هر اسید آمینه توسط یک توالی از سه نوکلئوتید - کدون یا سه گانه - رمزگذاری می شود.

کد ژنتیکی مشترک برای اکثر پرو و ​​یوکاریوت ها. جدول تمام 64 کدون و اسیدهای آمینه مربوطه را نشان می دهد. ترتیب پایه از انتهای 5 تا 3 اینچ mRNA است.

جدول 1. کد ژنتیکی استاندارد

1 مبانی یون	پایه 2								3 مبانی یون
	U		سی		آ		جی
U	U U U	(Phe/F)	U C U	(Ser/S)	U A U	(Tyr/Y)	U G U	(Cys/C)	U
	U U C		U C C		U A C		یو جی سی		سی
	U U A	(Leu/L)	U C A		U A A	کدون توقف **	U G A	کدون توقف **	آ
	یو یو جی		یو سی جی		U A G	کدون توقف **	یو جی جی	(Trp/W)	جی
سی	C U U		C C U	(Pro/P)	C A U	(او/ح)	C G U	(Arg/R)	U
	سی یو سی		C C C		C A C		C G C		سی
	سی یو آ		C C A		C A A	(Gln/Q)	C GA		آ
	سی یو جی		سی سی جی		C A G		سی جی جی		جی
آ	A U U	(Ile/I)	A C U	(Thr/T)	A A U	(Asn/N)	A G U	(Ser/S)	U
	A U C		A C C		A A C		A G C		سی
	A U A		A C A		A A A	(Lys/K)	A G A		آ
	A U G	(مت/ام)	A C G		A A G		A G G		جی
جی	G U U	(Val/V)	G C U	(علا/ع)	G A U	(Asp/D)	G G U	(Gly/G)	U
	G U C		جی سی سی		G A C		جی جی سی		سی
	G U A		G C A		G A A	(چسب)	G G A		آ
	جی یو جی		جی سی جی		دهان بستن		جی جی جی		جی

در میان سه قلوها، 4 دنباله خاص وجود دارد که به عنوان "علامت نگارشی" عمل می کنند:

• *سه قلو اوت، همچنین متیونین را رمزگذاری می کند، نامیده می شود کدون شروع. سنتز یک مولکول پروتئین با این کدون آغاز می شود. بنابراین، در طول سنتز پروتئین، اولین اسید آمینه در دنباله همیشه متیونین خواهد بود.

• ** سه قلو UAA, UAGو U.G.A.نامیده می شوند کدون ها را متوقف کنیدو برای یک اسید آمینه واحد رمزگذاری نکنید. در این توالی سنتز پروتئین متوقف می شود.

ویژگی های کد ژنتیکی

1. سه گانه. هر اسید آمینه توسط یک توالی از سه نوکلئوتید - یک سه تایی یا کدون - رمزگذاری می شود.

2. تداوم. هیچ نوکلئوتید اضافی بین سه قلو وجود ندارد، اطلاعات به طور مداوم خوانده می شود.

3. عدم همپوشانی. یک نوکلئوتید را نمی توان همزمان در دو سه قلو گنجاند.

4. عدم ابهام. یک کدون می تواند تنها برای یک اسید آمینه کد کند.

5. انحطاط. یک اسید آمینه می تواند توسط چندین کدون مختلف رمزگذاری شود.

6. تطبیق پذیری. کد ژنتیکی برای همه موجودات زنده یکسان است.

مثال. دنباله زنجیره کدگذاری به ما داده می شود:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

زنجیره ماتریس دنباله ای خواهد داشت:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

اکنون ما RNA اطلاعاتی را از این زنجیره "سنتز" می کنیم:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

سنتز پروتئین در جهت 5' → 3' پیش می رود، بنابراین، برای "خواندن" کد ژنتیکی باید دنباله را برعکس کنیم:

5’- AUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

حالا بیایید کدون شروع AUG را پیدا کنیم:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

بیایید دنباله را به سه تایی تقسیم کنیم:

به نظر می رسد: اطلاعات از DNA به RNA (رونویسی)، از RNA به پروتئین (ترجمه) منتقل می شود. DNA همچنین می تواند با همانندسازی تکثیر شود، و فرآیند رونویسی معکوس نیز ممکن است، زمانی که DNA از یک الگوی RNA سنتز می شود، اما این فرآیند عمدتاً مشخصه ویروس ها است.

برنج. 13. جزم مرکزی زیست شناسی مولکولی

ژنوم: ژن ها و کروموزوم ها

(مفاهیم کلی)

ژنوم - مجموع تمام ژن های یک موجود زنده؛ مجموعه کامل کروموزوم آن

اصطلاح "ژنوم" توسط G. Winkler در سال 1920 برای توصیف مجموعه ای از ژن های موجود در مجموعه هاپلوئید کروموزوم های موجودات یک گونه بیولوژیکی پیشنهاد شد. معنای اصلی این اصطلاح نشان می دهد که مفهوم ژنوم، بر خلاف ژنوتیپ، یک ویژگی ژنتیکی یک گونه است و نه یک فرد. با توسعه ژنتیک مولکولی، معنای این اصطلاح تغییر کرده است. مشخص است که DNA که حامل اطلاعات ژنتیکی در اکثر موجودات است و بنابراین اساس ژنوم را تشکیل می دهد، نه تنها ژن ها را به معنای امروزی کلمه شامل می شود. بیشتر DNA سلول‌های یوکاریوتی با توالی‌های نوکلئوتیدی غیر کدکننده ("زائد") نشان داده می‌شود که حاوی اطلاعاتی درباره پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک نیستند. بنابراین، بخش اصلی ژنوم هر موجود زنده، کل DNA مجموعه کروموزوم هاپلوئید آن است.

ژن ها بخش هایی از مولکول های DNA هستند که پلی پپتیدها و مولکول های RNA را رمزگذاری می کنند

در طول قرن گذشته، درک ما از ژن ها به طور قابل توجهی تغییر کرده است. پیش از این، ژنوم ناحیه ای از کروموزوم بود که یک ویژگی یا مشخصه را رمزگذاری یا تعریف می کرد. فنوتیپیخاصیت (مشاهده) مانند رنگ چشم.

در سال 1940، جورج بیدل و ادوارد تاتهام یک تعریف مولکولی از ژن ارائه کردند. دانشمندان هاگ های قارچ را پردازش کردند نوروسپورا کراسااشعه ایکس و سایر عواملی که باعث تغییر در توالی DNA می شوند ( جهش هاو سویه های جهش یافته قارچ را کشف کردند که برخی از آنزیم های خاص خود را از دست داده بودند که در برخی موارد منجر به اختلال در کل مسیر متابولیک می شد. Beadle و Tatem به این نتیجه رسیدند که یک ژن قطعه ای از ماده ژنتیکی است که یک آنزیم را مشخص یا کد می کند. اینگونه بود که این فرضیه ظاهر شد "یک ژن - یک آنزیم". این مفهوم بعداً برای تعریف گسترش یافت "یک ژن - یک پلی پپتید"از آنجایی که بسیاری از ژن ها پروتئین هایی را رمزگذاری می کنند که آنزیم نیستند و پلی پپتید ممکن است زیرواحد یک مجتمع پروتئینی پیچیده باشد.

در شکل شکل 14 نموداری را نشان می دهد که چگونه سه قلو نوکلئوتید در DNA یک پلی پپتید - توالی اسید آمینه یک پروتئین را از طریق واسطه mRNA تعیین می کند. یکی از زنجیره های DNA نقش الگویی را برای سنتز mRNA ایفا می کند که سه قلوهای نوکلئوتیدی (کدون) آن مکمل سه گانه DNA هستند. در برخی از باکتری ها و بسیاری از یوکاریوت ها، توالی های کد کننده توسط مناطق غیر کد کننده قطع می شوند (به نام اینترون ها).

تعیین بیوشیمیایی مدرن ژن حتی دقیق تر ژن ها همه بخش هایی از DNA هستند که توالی اولیه محصولات نهایی را رمزگذاری می کنند که شامل پلی پپتیدها یا RNA هستند که عملکرد ساختاری یا کاتالیزوری دارند.

علاوه بر ژن‌ها، DNA شامل توالی‌های دیگری نیز می‌شود که منحصراً یک عملکرد تنظیمی را انجام می‌دهند. توالی های تنظیمیممکن است شروع یا پایان ژن ها را مشخص کند، رونویسی را تحت تأثیر قرار دهد یا محل شروع همانندسازی یا نوترکیب را نشان دهد. برخی از ژن‌ها را می‌توان به روش‌های مختلف بیان کرد، با همان ناحیه DNA که به عنوان الگویی برای تشکیل محصولات مختلف عمل می‌کند.

تقریباً می توانیم محاسبه کنیم حداقل اندازه ژن، پروتئین میانی را کد می کند. هر اسید آمینه در یک زنجیره پلی پپتیدی توسط یک دنباله از سه نوکلئوتید کدگذاری می شود. توالی این سه قلوها (کدون ها) مربوط به زنجیره اسیدهای آمینه در پلی پپتیدی است که توسط این ژن کدگذاری می شود. یک زنجیره پلی پپتیدی متشکل از 350 باقیمانده اسید آمینه (زنجیره با طول متوسط) مربوط به دنباله ای از 1050 جفت باز است. ( جفت پایه). با این حال، بسیاری از ژن‌های یوکاریوتی و برخی از ژن‌های پروکاریوتی توسط بخش‌های DNA که اطلاعات پروتئینی را حمل نمی‌کنند، قطع می‌شوند و بنابراین معلوم می‌شود که بسیار طولانی‌تر از آن چیزی است که یک محاسبه ساده نشان می‌دهد.

چند ژن در یک کروموزوم وجود دارد؟

برنج. 15. نمای کروموزوم ها در سلول های پروکاریوتی (سمت چپ) و یوکاریوتی. هیستون ها دسته بزرگی از پروتئین های هسته ای هستند که دو عملکرد اصلی را انجام می دهند: آنها در بسته بندی رشته های DNA در هسته و در تنظیم اپی ژنتیکی فرآیندهای هسته ای مانند رونویسی، تکثیر و ترمیم شرکت می کنند.

همانطور که مشخص است، سلول های باکتریایی یک کروموزوم به شکل یک رشته DNA دارند که در یک ساختار فشرده چیده شده است - یک نوکلوئید. کروموزوم پروکاریوتی اشرشیاکلیکه ژنوم آن به طور کامل رمزگشایی شده است، یک مولکول DNA دایره ای است (در واقع یک دایره کامل نیست، بلکه یک حلقه بدون آغاز یا پایان است)، متشکل از 4639675 جفت باز. این توالی شامل تقریباً 4300 ژن پروتئین و 157 ژن دیگر برای مولکول های RNA پایدار است. که در ژنوم انسانتقریباً 3.1 میلیارد جفت باز مربوط به نزدیک به 29000 ژن واقع در 24 کروموزوم مختلف است.

پروکاریوت ها (باکتری ها).

باکتری E. coliدارای یک مولکول DNA دایره ای دو رشته ای است. از 4639675 جفت باز تشکیل شده است. و به طول تقریبی 1.7 میلی متر می رسد که از طول خود سلول بیشتر است E. coliتقریبا 850 بار علاوه بر کروموزوم دایره ای بزرگ به عنوان بخشی از نوکلوئید، بسیاری از باکتری ها حاوی یک یا چند مولکول DNA دایره ای کوچک هستند که آزادانه در سیتوزول قرار دارند. این عناصر خارج کروموزومی نامیده می شوند پلاسمیدها(شکل 16).

اکثر پلاسمیدها فقط از چند هزار جفت باز تشکیل شده‌اند که برخی از آنها بیش از 10000 جفت باز هستند. آنها اطلاعات ژنتیکی را حمل می کنند و برای تشکیل پلاسمیدهای دختر تکثیر می شوند که در طول تقسیم سلول مادر وارد سلول های دختر می شوند. پلاسمیدها نه تنها در باکتری ها، بلکه در مخمرها و سایر قارچ ها نیز یافت می شوند. در بسیاری از موارد، پلاسمیدها هیچ فایده ای برای سلول های میزبان ندارند و هدف آنها تنها تولید مثل مستقل است. با این حال، برخی از پلاسمیدها حامل ژن های مفید برای میزبان هستند. به عنوان مثال، ژن های موجود در پلاسمیدها می توانند سلول های باکتریایی را در برابر عوامل ضد باکتری مقاوم کنند. پلاسمیدهای حامل ژن β-لاکتاماز در برابر آنتی بیوتیک های بتالاکتام مانند پنی سیلین و آموکسی سیلین مقاومت ایجاد می کنند. پلاسمیدها می‌توانند از سلول‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک‌ها به سلول‌های مشابه یا گونه‌های متفاوتی از باکتری‌ها منتقل شوند و باعث شود آن سلول‌ها نیز مقاوم شوند. استفاده فشرده از آنتی بیوتیک ها یک عامل انتخابی قدرتمند است که باعث گسترش پلاسمیدهای رمزکننده مقاومت آنتی بیوتیکی (و همچنین ترانسپوزون هایی که ژن های مشابه را رمزگذاری می کنند) در بین باکتری های بیماری زا، منجر به ظهور سویه های باکتریایی با مقاومت به آنتی بیوتیک های متعدد می شود. پزشکان شروع به درک خطرات ناشی از استفاده گسترده از آنتی بیوتیک ها کرده اند و آنها را فقط در موارد نیاز فوری تجویز می کنند. به دلایل مشابه، استفاده گسترده از آنتی بیوتیک ها برای درمان حیوانات مزرعه محدود است.

همچنین ببینید: راوین N.V.، Shestakov S.V. ژنوم پروکاریوت ها // مجله ژنتیک و اصلاح نژاد واویلوف، 2013. T. 17. شماره 4/2. ص 972-984.

یوکاریوت ها

جدول 2. DNA، ژن ها و کروموزوم های برخی از موجودات

	DNA مشترک p.n.	تعداد کروموزوم*	تعداد تقریبی ژن
اشرشیاکلی(باکتری)	4 639 675		4 435
ساکارومایسس سرویزیه(مخمر)	12 080 000	16**	5 860
Caenorhabditis elegans(نماتد)	90 269 800	12***	23 000
آرابیدوپسیس تالیانا(گیاه)	119 186 200		33 000
مگس سرکه ملانوگاستر(کرم میوه)	120 367 260		20 000
اوریزا ساتیوا(برنج)	480 000 000		57 000
Musculus(موش)	2 634 266 500		27 000
انسان خردمند(انسان)	3 070 128 600		29 000

توجه داشته باشید.اطلاعات به طور مداوم به روز می شود. برای اطلاعات به روز بیشتر، به وب سایت های پروژه ژنومیک فردی مراجعه کنید

* برای همه یوکاریوت ها، به جز مخمر، مجموعه دیپلوئید کروموزوم ها داده می شود. دیپلوئیدکیت کروموزوم ها (از یونانی diploos - double و eidos - گونه) - مجموعه ای دوگانه از کروموزوم ها (2n) که هر کدام یک همولوگ دارند.
**ست هاپلوئید. سویه های مخمر وحشی معمولاً دارای هشت مجموعه (اکتاپلوید) یا بیشتر از این کروموزوم ها هستند.
***برای زنان با دو کروموزوم X. مردان یک کروموزوم X دارند، اما Y ندارند، یعنی فقط 11 کروموزوم.

مخمر، یکی از کوچکترین یوکاریوت ها، 2.6 برابر بیشتر از DNA دارد E. coli(جدول 2). سلول های مگس میوه مگس سرکهیک موضوع کلاسیک تحقیقات ژنتیکی، حاوی 35 برابر DNA بیشتر است و سلول های انسانی تقریباً 700 برابر بیشتر از DNA دارند. E. coli.بسیاری از گیاهان و دوزیستان حاوی DNA بیشتری هستند. ماده ژنتیکی سلول های یوکاریوتی به شکل کروموزوم سازماندهی شده است. مجموعه کروموزوم های دیپلوئید (2 n) به نوع ارگانیسم بستگی دارد (جدول 2).

به عنوان مثال، یک سلول سوماتیک انسان دارای 46 کروموزوم ( برنج. 17). هر کروموزوم یک سلول یوکاریوتی، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 17، آ، حاوی یک مولکول DNA دو رشته ای بسیار بزرگ است. 24 کروموزوم انسان (22 کروموزوم جفتی و دو کروموزوم جنسی X و Y) بیش از 25 برابر طول دارند. هر کروموزوم یوکاریوتی حاوی مجموعه خاصی از ژن ها است.

برنج. 17. کروموزوم های یوکاریوت هاآ- یک جفت کروماتید خواهر متصل و متراکم از کروموزوم انسان. در این شکل، کروموزوم های یوکاریوتی پس از همانندسازی و در متافاز در طول میتوز باقی می مانند. ب- مجموعه کامل کروموزوم از لکوسیت یکی از نویسندگان کتاب. هر سلول سوماتیک طبیعی انسان دارای 46 کروموزوم است.

اگر مولکول های DNA ژنوم انسان (22 کروموزوم و کروموزوم X و Y یا X و X) را به هم متصل کنید، دنباله ای به طول حدود یک متر خواهید داشت. نکته: در تمام پستانداران و سایر موجودات نر هتروگامتیک، ماده ها دارای دو کروموزوم X (XX) و نرها دارای یک کروموزوم X و یک کروموزوم Y (XY) هستند.

اکثر سلول های انسانی، بنابراین طول کل DNA چنین سلول هایی حدود 2 متر است. یک انسان بالغ تقریباً 10 14 سلول دارد، بنابراین طول کل مولکول های DNA 2 تا 10 11 کیلومتر است. برای مقایسه، محیط زمین 4 × 10 4 کیلومتر و فاصله زمین تا خورشید 1.5 × 10 8 کیلومتر است. این است که چگونه DNA به طرز شگفت انگیزی در سلول های ما فشرده شده است!

در سلول های یوکاریوتی اندامک های دیگر حاوی DNA - میتوکندری و کلروپلاست وجود دارد. فرضیه های زیادی در مورد منشا DNA میتوکندری و کلروپلاست مطرح شده است. دیدگاه عموماً پذیرفته شده امروزه این است که آنها نمایانگر عناصر اولیه کروموزوم های باکتری های باستانی هستند که به سیتوپلاسم سلول های میزبان نفوذ کرده و به پیش ساز این اندامک ها تبدیل شده اند. DNA میتوکندریایی tRNA ها و rRNA های میتوکندری و همچنین چندین پروتئین میتوکندری را کد می کند. بیش از 95 درصد پروتئین های میتوکندری توسط DNA هسته ای کدگذاری می شوند.

ساختار ژن ها

بیایید ساختار ژن در پروکاریوت ها و یوکاریوت ها، شباهت ها و تفاوت های آنها را در نظر بگیریم. علیرغم این واقعیت که یک ژن بخشی از DNA است که تنها یک پروتئین یا RNA را کد می کند، علاوه بر بخش کدکننده فوری، شامل عناصر تنظیمی و سایر عناصر ساختاری است که ساختارهای متفاوتی در پروکاریوت ها و یوکاریوت ها دارند.

دنباله کدنویسی- واحد ساختاری و عملکردی اصلی ژن، در آن است که سه قلوهای نوکلئوتید کد کننده قرار دارند.توالی اسید آمینه با کدون شروع شروع می شود و با کدون توقف به پایان می رسد.

قبل و بعد از دنباله کدگذاری وجود دارد دنباله های 5 و 3 ترجمه نشده. آنها عملکردهای تنظیمی و کمکی را انجام می دهند، به عنوان مثال، اطمینان از فرود ریبوزوم روی mRNA.

توالی های ترجمه نشده و کد کننده واحد رونویسی را تشکیل می دهند - بخش رونویسی شده DNA، یعنی بخشی از DNA که سنتز mRNA از آن اتفاق می افتد.

نابود کننده- بخش رونویسی نشده DNA در انتهای ژن که در آن سنتز RNA متوقف می شود.

در ابتدای ژن قرار دارد منطقه نظارتی، که شامل مروجو اپراتور.

مروج- دنباله ای که پلیمراز در طول شروع رونویسی به آن متصل می شود. اپراتور- این ناحیه ای است که پروتئین های خاصی می توانند به آن متصل شوند - سرکوبگرهاکه می تواند فعالیت سنتز RNA از این ژن را کاهش دهد - به عبارت دیگر آن را کاهش دهد اصطلاح.

ساختار ژن در پروکاریوت ها

طرح کلی ساختار ژن در پروکاریوت ها و یوکاریوت ها تفاوتی ندارد - هر دو شامل یک ناحیه تنظیم کننده با یک پروموتر و اپراتور، یک واحد رونویسی با توالی های کدگذاری و ترجمه نشده و یک پایان دهنده هستند. با این حال، سازماندهی ژن ها در پروکاریوت ها و یوکاریوت ها متفاوت است.

برنج. 18. طرح ساختار ژن در پروکاریوت ها (باکتری ها) -تصویر بزرگ شده است

در ابتدا و انتهای اپرون مناطق تنظیم کننده مشترکی برای چندین ژن ساختاری وجود دارد. از ناحیه رونویسی شده اپرون، یک مولکول mRNA خوانده می شود که حاوی چندین توالی کد کننده است که هر کدام کدون شروع و توقف مخصوص به خود را دارند. از هر یک از این مناطق بایک پروتئین سنتز می شود. بدین ترتیب، چندین مولکول پروتئین از یک مولکول mRNA سنتز می شوند.

پروکاریوت ها با ترکیب چندین ژن در یک واحد عملکردی مشخص می شوند - اپرون. عملکرد اپرون را می توان توسط ژن های دیگر تنظیم کرد، که می تواند به طور قابل توجهی از خود اپرون فاصله داشته باشد - تنظیم کننده. پروتئین ترجمه شده از این ژن نامیده می شود سرکوبگر. به اپراتور اپرون متصل می شود و بیان تمام ژن های موجود در آن را به یکباره تنظیم می کند.

پروکاریوت ها نیز با این پدیده مشخص می شوند رابط های رونویسی-ترجمه.

برنج. 19 پدیده جفت شدن رونویسی و ترجمه در پروکاریوت ها - تصویر بزرگ شده است

چنین جفت‌گیری در یوکاریوت‌ها به دلیل وجود پوشش هسته‌ای که سیتوپلاسم را، جایی که ترجمه انجام می‌شود، از ماده ژنتیکی که رونویسی روی آن انجام می‌شود، جدا می‌کند، رخ نمی‌دهد. در پروکاریوت ها، در طول سنتز RNA روی یک الگوی DNA، یک ریبوزوم می تواند بلافاصله به مولکول RNA سنتز شده متصل شود. بنابراین، ترجمه حتی قبل از تکمیل رونویسی آغاز می شود. علاوه بر این، چندین ریبوزوم می توانند به طور همزمان به یک مولکول RNA متصل شوند و چندین مولکول از یک پروتئین را به طور همزمان سنتز کنند.

ساختار ژن در یوکاریوت ها

ژن ها و کروموزوم های یوکاریوت ها بسیار پیچیده هستند

بسیاری از گونه های باکتری فقط یک کروموزوم دارند و تقریباً در همه موارد یک نسخه از هر ژن در هر کروموزوم وجود دارد. تنها تعداد کمی از ژن ها، مانند ژن های rRNA، در چندین نسخه یافت می شوند. ژن ها و توالی های تنظیمی تقریباً کل ژنوم پروکاریوتی را تشکیل می دهند. علاوه بر این، تقریباً هر ژن دقیقاً با توالی اسید آمینه (یا توالی RNA) که کدگذاری می کند مطابقت دارد (شکل 14).

سازماندهی ساختاری و عملکردی ژن های یوکاریوتی بسیار پیچیده تر است. مطالعه کروموزوم های یوکاریوتی و بعدها تعیین توالی توالی ژنوم کامل یوکاریوتی شگفتی های بسیاری را به همراه داشت. بسیاری از ژن‌های یوکاریوتی، اگر نه بیشتر، ویژگی جالبی دارند: توالی‌های نوکلئوتیدی آن‌ها حاوی یک یا چند بخش DNA هستند که توالی اسید آمینه محصول پلی‌پپتیدی را کد نمی‌کنند. چنین درج‌های ترجمه نشده، مطابقت مستقیم بین توالی نوکلئوتیدی ژن و توالی اسید آمینه پلی پپتید کدگذاری شده را مختل می‌کنند. این بخش های ترجمه نشده در ژن ها نامیده می شوند اینترون ها، یا ساخته شده است دنباله ها، و بخش های کدگذاری هستند اگزون ها. در پروکاریوت ها، تنها چند ژن حاوی اینترون هستند.

بنابراین، در یوکاریوت ها، ترکیب ژن ها به اپرون عملاً اتفاق نمی افتد و توالی کد کننده یک ژن یوکاریوتی اغلب به بخش های ترجمه شده تقسیم می شود. - اگزون ها، و بخش های ترجمه نشده - اینترون ها

در بیشتر موارد، عملکرد اینترون ها مشخص نیست. به طور کلی، تنها حدود 1.5٪ از DNA انسان "کد کننده" است، یعنی حامل اطلاعاتی در مورد پروتئین ها یا RNA است. با این حال، با در نظر گرفتن اینترون های بزرگ، معلوم می شود که DNA انسان 30٪ ژن است. از آنجایی که ژن ها بخش نسبتا کمی از ژنوم انسان را تشکیل می دهند، بخش قابل توجهی از DNA ناشناخته باقی می ماند.

برنج. 16. طرح ساختار ژن در یوکاریوت ها - تصویر بزرگ شده است

از هر ژن ابتدا RNA نابالغ یا پیش RNA سنتز می شود که هم اینترون و هم اگزون دارد.

پس از این، فرآیند پیرایش انجام می شود، در نتیجه مناطق اینترونیک بریده می شوند و یک mRNA بالغ تشکیل می شود که از آن می توان پروتئین را سنتز کرد.

برنج. 20. فرآیند پیوند جایگزین - تصویر بزرگ شده است

این سازماندهی ژن‌ها اجازه می‌دهد، برای مثال، زمانی که می‌توان اشکال مختلفی از یک پروتئین را از یک ژن سنتز کرد، به این دلیل که در حین پیوند، اگزون‌ها می‌توانند در توالی‌های مختلف به هم بخیه شوند.

برنج. 21. تفاوت در ساختار ژن های پروکاریوت ها و یوکاریوت ها - تصویر بزرگ شده است

جهش و جهش زایی

جهشتغییر پایدار در ژنوتیپ، یعنی تغییر در توالی نوکلئوتیدی نامیده می شود.

فرآیندی که منجر به جهش می شود نامیده می شود جهش زایی، و بدن همهکه سلول های آن حامل همان جهش هستند - جهش یافته.

نظریه جهشاولین بار توسط هوگو دو وریس در سال 1903 فرموله شد. نسخه مدرن آن شامل مقررات زیر است:

1. جهش به طور ناگهانی و به صورت اسپاسم رخ می دهد.

2. جهش ها از نسلی به نسل دیگر منتقل می شوند.

3. جهش ها می توانند مفید، مضر یا خنثی، غالب یا مغلوب باشند.

4. احتمال تشخیص جهش بستگی به تعداد افراد مورد مطالعه دارد.

5. جهش های مشابه می تواند به طور مکرر رخ دهد.

6. جهش ها جهت دار نیستند.

جهش می تواند تحت تأثیر عوامل مختلف رخ دهد. جهش هایی وجود دارند که تحت تأثیر آنها ایجاد می شوند جهش زا تاثیرات: فیزیکی (مثلاً اشعه ماوراء بنفش یا تشعشع)، شیمیایی (مثلاً کلشی سین یا گونه های فعال اکسیژن) و بیولوژیکی (مثلاً ویروس ها). جهش نیز می تواند ایجاد شود خطاهای تکرار.

بسته به شرایطی که جهش ها در آن ظاهر می شوند، جهش ها به دو دسته تقسیم می شوند خود جوش- یعنی جهش هایی که در شرایط عادی به وجود آمدند و القاء شده- یعنی جهش هایی که در شرایط خاص به وجود آمدند.

جهش می تواند نه تنها در DNA هسته ای، بلکه برای مثال، در DNA میتوکندری یا پلاستید نیز رخ دهد. بر این اساس، می توانیم تشخیص دهیم اتمیو سیتوپلاسمیجهش ها

در نتیجه جهش، آلل های جدید اغلب ظاهر می شوند. اگر یک آلل جهش یافته عمل یک آلل طبیعی را سرکوب کند، جهش نامیده می شود غالب. اگر یک آلل نرمال یک جهش یافته را سرکوب کند، این جهش نامیده می شود مغلوب. بیشتر جهش هایی که منجر به ظهور آلل های جدید می شوند مغلوب هستند.

جهش ها بر اساس اثر متمایز می شوند انطباقیمنجر به افزایش سازگاری ارگانیسم با محیط، خنثی، که بر بقا تأثیر نمی گذارد، زیان آور، کاهش سازگاری موجودات با شرایط محیطی و مرگبار، منجر به مرگ ارگانیسم در مراحل اولیه رشد می شود.

با توجه به عواقب، جهش منجر به از دست دادن عملکرد پروتئین، جهش منجر به خروج، اورژانس پروتئین عملکرد جدیدی دارد، و همچنین جهش هایی که تغییر دوز ژنو بر این اساس، دوز پروتئین سنتز شده از آن.

یک جهش می تواند در هر سلولی از بدن رخ دهد. اگر یک جهش در یک سلول زاینده رخ دهد، آن را می نامند ژرمینال(جنایی یا زایشی). چنین جهش هایی در ارگانیسمی که در آن ظاهر شده اند ظاهر نمی شوند، بلکه منجر به ظهور جهش یافته ها در فرزندان می شوند و به ارث می رسند، بنابراین برای ژنتیک و تکامل مهم هستند. اگر جهشی در هر سلول دیگری رخ دهد، آن را می نامند جسمی. چنین جهشی می تواند خود را به یک درجه یا درجات دیگر در ارگانیسمی که در آن بوجود آمده نشان دهد، به عنوان مثال، منجر به تشکیل تومورهای سرطانی شود. با این حال، چنین جهشی ارثی نیست و بر فرزندان تأثیر نمی گذارد.

جهش ها می توانند مناطقی از ژنوم با اندازه های مختلف را تحت تاثیر قرار دهند. برجسته ژنتیکی, کروموزومیو ژنومیجهش ها

جهش های ژنی

جهش هایی که در مقیاس کوچکتر از یک ژن رخ می دهند نامیده می شوند ژنتیکی، یا نقطه (نقطه). چنین جهش هایی منجر به تغییر در یک یا چند نوکلئوتید در توالی می شود. در میان جهش های ژنی وجود داردجایگزین هاکه منجر به جایگزینی یک نوکلئوتید با نوکلئوتید دیگر می شود،حذف هاکه منجر به از بین رفتن یکی از نوکلئوتیدها می شود،درج ها، منجر به اضافه شدن یک نوکلئوتید اضافی به دنباله می شود.

برنج. 23. جهش ژنی (نقطه ای).

با توجه به مکانیسم اثر بر روی پروتئین، جهش های ژنی به دو دسته تقسیم می شوند:مترادفکه (در نتیجه انحطاط کد ژنتیکی) منجر به تغییر در ترکیب اسید آمینه محصول پروتئینی نمی شود،جهش های نادرستکه منجر به جایگزینی یک آمینو اسید با دیگری می شود و می تواند بر ساختار پروتئین سنتز شده تأثیر بگذارد، اگرچه اغلب ناچیز هستند.جهش های بی معنی، منجر به جایگزینی کدون کد کننده با کدون توقف می شود،جهش منجر به اختلال اتصال:

برنج. 24. الگوهای جهش

همچنین، با توجه به مکانیسم اثر بر روی پروتئین، جهش هایی متمایز می شوند که منجر به تغییر قاب خواندنمانند درج و حذف. چنین جهش هایی مانند جهش های بی معنی، اگرچه در یک نقطه از ژن رخ می دهند، اما اغلب بر کل ساختار پروتئین تأثیر می گذارند که می تواند منجر به تغییر کامل در ساختار آن شود.

برنج. 29. کروموزوم قبل و بعد از تکثیر

جهش های ژنومی

سرانجام، جهش های ژنومیبر کل ژنوم تأثیر می گذارد، یعنی تعداد کروموزوم ها تغییر می کند. پلی پلوئیدی وجود دارد - افزایش پلوئیدی سلول، و آنئوپلوئیدی، یعنی تغییر در تعداد کروموزوم ها، به عنوان مثال، تریزومی (وجود همولوگ اضافی در یکی از کروموزوم ها) و مونوزومی (عدم وجود کروموزوم). همولوگ روی کروموزوم).

ویدئو در مورد DNA

همانندسازی DNA، کدگذاری RNA، سنتز پروتئین

ادامه به شماره 11، 12، 13، 14، 15/2005 مراجعه کنید

درس زیست شناسی در کلاس های علوم

برنامه ریزی پیشرفته، پایه دهم

3. اتصال نوکلئوتیدها به یک زنجیره

نوکلئوتیدها در طی یک واکنش تراکمی به یکدیگر متصل می شوند. در این حالت، یک پیوند استری بین اتم کربن 3 اینچ باقیمانده قند یک نوکلئوتید و باقی مانده اسید فسفریک نوکلئوتید دیگر ایجاد می شود. در نتیجه، زنجیره های پلی نوکلئوتیدی بدون انشعاب تشکیل می شوند. یک انتهای زنجیره پلی نوکلئوتیدی (به نام 5" انتهای) با یک مولکول اسید فسفریک متصل به اتم کربن 5 اینچی خاتمه می یابد، دیگری (که انتهای 3 اینچی نامیده می شود) یک یون هیدروژن است که به اتم کربن 3 اینچی متصل است. زنجیره ای از نوکلئوتیدهای متوالی ساختار اولیه DNA را تشکیل می دهند. .

بنابراین، اسکلت زنجیره پلی نوکلئوتیدی کربوهیدرات-فسفات است، زیرا نوکلئوتیدها با تشکیل پیوندهای کووالانسی (پل های فسفودی استر) به یکدیگر متصل می شوند که در آن گروه فسفات پلی بین اتم C 3 یک مولکول قند و اتم C 5 مولکول بعدی تشکیل می دهد. پیوندهای کووالانسی قوی بین نوکلئوتیدها خطر "شکستن" اسیدهای نوکلئیک را کاهش می دهد.

اگر یک پلی نوکلئوتید تشکیل شده توسط چهار نوع نوکلئوتید حاوی 1000 واحد باشد، تعداد انواع احتمالی ترکیب آن 41000 است (این رقمی با 6000 صفر است). بنابراین، تنها چهار نوع نوکلئوتید می‌توانند طیف عظیمی از اسیدهای نوکلئیک و اطلاعاتی که در آنها وجود دارد را فراهم کنند.

4. تشکیل یک مولکول DNA دو رشته ای

در سال 1950، موریس ویلکینز، فیزیکدان انگلیسی، یک الگوی پراش پرتو ایکس از DNA به دست آورد. او نشان داد که مولکول DNA ساختار خاصی دارد که رمزگشایی آن به درک مکانیسم عملکرد آن کمک می کند. تصاویر اشعه ایکس به دست آمده از DNA بسیار خالص شده به روزالیند فرانکلین اجازه می دهد تا یک الگوی متقاطع شکل واضح را ببیند - علامت شناسایی یک مارپیچ دوگانه. مشخص شد که نوکلئوتیدها در فاصله 0.34 نانومتر از یکدیگر قرار دارند و 10 عدد از آنها در هر چرخش مارپیچ وجود دارد.

قطر یک مولکول DNA حدود 2 نانومتر است. با این حال، از داده‌های اشعه ایکس، مشخص نشد که این دو زنجیر چگونه در کنار هم قرار گرفتند.

این تصویر در سال 1953 کاملاً روشن شد، زمانی که بیوشیمیدان آمریکایی جیمز واتسون و فیزیکدان انگلیسی فرانسیس کریک، با در نظر گرفتن کل داده های شناخته شده در مورد ساختار DNA، به این نتیجه رسیدند که ستون فقرات قند فسفات در حاشیه قرار دارد. مولکول DNA و بازهای پورین و پیریمیدین در وسط قرار دارند.

D. Watson و F. Crick ثابت کردند که دو زنجیره پلی نوکلئوتیدی DNA به دور یکدیگر و حول یک محور مشترک پیچ خورده است. زنجیره های DNA ضد موازی (چند جهتی) هستند، یعنی. در مقابل انتهای 3 اینچی یک زنجیره، انتهای 5 اینچی زنجیر دیگر قرار دارد (دو مار را تصور کنید که به صورت مارپیچی پیچ خورده اند - سر یکی به دم دیگری). مارپیچ معمولاً به سمت راست می پیچد، اما مواردی از تشکیل مارپیچ چپ دست وجود دارد.

5. قوانین چارگاف. جوهر اصل مکملیت

حتی قبل از کشف واتسون و کریک، در سال 1950، بیوشیمیدان استرالیایی ادوین چارگاف ثابت کرد که در DNA هر موجودی تعداد آدنیل نوکلئوتیدها برابر با تعداد نوکلئوتیدهای تیمیدیل و تعداد نوکلئوتیدهای گوانیل برابر با تعداد سیتوزیل نوکلئوتیدها (A=T, G=C) یا تعداد کل بازهای نیتروژنی پورینی برابر با تعداد کل بازهای نیتروژنی پیریمیدین (A+G=C+T) است. این الگوها "قوانین چارگاف" نامیده می شوند.

واقعیت این است که وقتی یک مارپیچ دوتایی تشکیل می شود، تیمین پایه نیتروژنی همیشه در مقابل آدنین پایه نیتروژنی در یک زنجیره نصب می شود و سیتوزین در مقابل گوانین نصب می شود، یعنی به نظر می رسد زنجیره های DNA مکمل یکدیگر هستند. و این نوکلئوتیدهای جفت شده مکملبه یکدیگر (از لات. مکمل- اضافه). ما قبلاً چندین بار با مظاهر مکملی روبرو شده ایم (مرکز فعال آنزیم و مولکول سوبسترا مکمل یکدیگر هستند؛ آنتی ژن و آنتی بادی مکمل یکدیگر هستند).

چرا این اصل رعایت می شود؟ برای پاسخ به این سوال، باید ماهیت شیمیایی بازهای هتروسیکلیک نیتروژنی را به خاطر بسپاریم. آدنین و گوانین متعلق به پورین ها و سیتوزین و تیمین متعلق به پیریمیدین ها هستند، یعنی پیوندهایی بین بازهای نیتروژنی با طبیعت یکسان برقرار نمی شود. علاوه بر این، پایه های مکمل از نظر هندسی با یکدیگر مطابقت دارند، یعنی. در اندازه و شکل

بدین ترتیب، مکمل نوکلئوتیدی مطابقت شیمیایی و هندسی ساختار مولکول های آنها با یکدیگر است..

بازهای نیتروژن دار حاوی اتم های اکسیژن و نیتروژن بسیار الکترونگاتیو هستند که دارای بار منفی جزئی هستند و همچنین اتم های هیدروژن که حامل بار مثبت جزئی هستند. به دلیل این بارهای جزئی، پیوندهای هیدروژنی بین بازهای نیتروژنی توالی های ضد موازی مولکول DNA ایجاد می شود.

تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین بازهای نیتروژنی مکمل

دو پیوند هیدروژنی بین آدنین و تیمین (A=T) و سه (G=C) بین گوانین و سیتوزین وجود دارد. چنین اتصال نوکلئوتیدها اولاً تشکیل حداکثر تعداد پیوندهای هیدروژنی را تضمین می کند و ثانیاً فاصله بین زنجیره ها در طول کل مارپیچ یکسان است.

از تمام موارد فوق چنین نتیجه می شود که با دانستن توالی نوکلئوتیدها در یک مارپیچ، می توانید ترتیب نوکلئوتیدها را در مارپیچ دیگر پی ببرید.

رشته مکمل دوتایی ساختار ثانویه DNA را تشکیل می دهد. شکل مارپیچ DNA ساختار سوم آن است.

III. تثبیت دانش

مکالمه عمومی در حین یادگیری مطالب جدید؛ حل مشکل

وظیفه 1. بخشی از یکی از زنجیره های مولکول DNA در آزمایشگاه مورد مطالعه قرار گرفت. معلوم شد که از 20 مونومر تشکیل شده است که به ترتیب زیر مرتب شده اند: G-T-G-T-A-A-C-G-A-C-C-G-A-T-A-C-T-G -T-A.
در مورد ساختار بخش مربوط به زنجیره دوم همان مولکول DNA چه می توان گفت؟

با دانستن اینکه زنجیره های یک مولکول DNA مکمل یکدیگر هستند، دنباله نوکلئوتیدی زنجیره دوم همان مولکول DNA را تعیین می کنیم: C-A-C-A-T-T-G-C-T-G-G-C-T-A-T-G-A-C-A-T.

وظیفه 2. در قطعه ای از یک رشته DNA، نوکلئوتیدها در توالی قرار دارند: A-A-G-T-C-T-A-C-G-T-A-T...

1. نمودار ساختار رشته دوم این مولکول DNA را رسم کنید.
2. اگر یک نوکلئوتید حدود 0.34 نانومتر را اشغال کند، طول این قطعه DNA بر حسب نانومتر چقدر است؟
3. چند نوکلئوتید (در درصد) در این قطعه از مولکول DNA وجود دارد؟

1. رشته دوم این قطعه از مولکول DNA را با استفاده از قاعده مکملیت تکمیل می کنیم: T-T-C-A-G-A-T-G-C-A-T-A.
2. طول این قطعه DNA را تعیین کنید: 12x0.34 = 4.08 نانومتر.
3. درصد نوکلئوتیدهای این قطعه DNA را محاسبه کنید.

24 نوکلئوتید - 100٪
8A - x٪، بنابراین x = 33.3% (A);
زیرا طبق قانون Chargaff A=T که به معنای محتوای T=33.3% است.
24 نوکلئوتید - 100٪
4G - x٪، بنابراین x = 16.7٪ (G);
زیرا طبق قانون Chargaff G=C که به معنای محتوای C=16.6٪ است.

جواب: ت-ت-ج-ا-ج-ا-ت-گ-ج-ا-ت-ا; 4.08 نانومتر؛ A=T=33.3%; G=C=16.7%

مسئله 3. اگر رشته اول حاوی 18 درصد گوانین، 30 درصد آدنین و 20 درصد تیمین باشد، ترکیب دومین رشته DNA چگونه خواهد بود؟

1. با دانستن اینکه زنجیره های مولکول DNA مکمل یکدیگر هستند، محتوای نوکلئوتیدها (در درصد) را در زنجیره دوم تعیین می کنیم:

زیرا در زنجیره اول G = 18٪، یعنی در زنجیره دوم C = 18٪.
زیرا در زنجیره اول A=30% یعنی در زنجیره دوم T=30%;
زیرا در زنجیره اول T=20% یعنی در زنجیره دوم A=20%;

2. محتوای سیتوزین در اولین زنجیره (در درصد) را تعیین کنید.

تعیین نسبت سیتوزین در اولین رشته DNA: 100٪ - 68٪ = 32٪ (C).

اگر در زنجیره اول C = 32٪، سپس در زنجیره دوم G = 32٪.

پاسخ: C=18%; T=30%; A=20%; G=32%

مسئله 4. در یک مولکول DNA 23 درصد از تعداد کل نوکلئوتیدهای آدنیل نوکلئوتید وجود دارد. تعداد نوکلئوتیدهای تیمیدیل و سیتوزیل را تعیین کنید.

1. با استفاده از قانون Chargaff، محتوای نوکلئوتیدهای تیمیدیل را در یک مولکول DNA مشخص می‌یابیم: A=T=23%.
2. مجموع (بر حسب درصد) محتوای نوکلئوتیدهای آدنیل و تیمیدیل در یک مولکول DNA معین را بیابید: 23% + 23% = 46%.
3. مجموع (بر حسب درصد) محتوای نوکلئوتیدهای گوانیل و سیتوسیل در یک مولکول DNA داده شده را بیابید: 100% - 46% = 54%.
4. طبق قانون Chargaff، در یک مولکول DNA G = C، در مجموع 54٪ و به صورت جداگانه: 54٪: 2 = 27٪ را تشکیل می دهند.

پاسخ: T=23%; C=27%

مسئله 5. یک مولکول DNA با وزن مولکولی نسبی 69 هزار داده می شود که 8625 عدد آن آدنیل نوکلئوتید است. وزن مولکولی نسبی یک نوکلئوتید به طور متوسط ​​345 است. چند نوکلئوتید منفرد در این DNA وجود دارد؟ طول مولکول آن چقدر است؟

1. تعداد آدنیل نوکلئوتیدها را در یک مولکول DNA مشخص کنید: 8625: 345 = 25.
2. طبق قانون Chargaff، A = G، i.e. در یک مولکول DNA داده شده A=T=25.
3. تعیین کنید که چه مقدار از کل وزن مولکولی این DNA سهم نوکلئوتیدهای گوانیل است: 69000 – (8625x2) = 51750.
4. تعداد کل نوکلئوتیدهای گوانیل و سیتوسیل در این DNA را تعیین کنید: 150=345:51750.
5. محتوای نوکلئوتیدهای گوانیل و سیتوزیل را به طور جداگانه تعیین کنید: 150:2 = 75;
6. طول این مولکول DNA را تعیین کنید: (25 + 75) x 0.34 = 34 نانومتر.

پاسخ: A=T=25; G=C=75; 34 نانومتر

مسئله 6. طبق نظر برخی از دانشمندان، طول کل مولکول های DNA در هسته یک سلول زایای انسان حدود 102 سانتی متر است. در DNA یک سلول چند جفت نوکلئوتیدی وجود دارد (1 نانومتر = 10-6 میلی متر)؟

1. تبدیل سانتی متر به میلی متر و نانومتر: 102 سانتی متر = 1020 میلی متر = 1,020,000,000 نانومتر.
2. با دانستن طول یک نوکلئوتید (0.34 نانومتر)، تعداد جفت‌های نوکلئوتیدی موجود در مولکول‌های DNA گامت انسانی را تعیین می‌کنیم: (10 2 x 10 7): 0.34 = 3 x 109 جفت.

جواب: جفت 3*109.

IV. مشق شب

پاراگراف کتاب درسی و یادداشت های ساخته شده در کلاس (محتوا، وزن مولکولی اسیدهای نوکلئیک، ساختار نوکلئوتیدی، قانون چارگاف، اصل مکمل بودن، تشکیل مولکول DNA دو رشته ای) را مطالعه کنید، مسائل را بعد از متن پاراگراف حل کنید.

درس 16-17. طبقات RNA های سلولی و عملکرد آنها تفاوت بین DNA و RNA همانندسازی DNA سنتز mRNA

تجهیزات: جداول زیست شناسی عمومی. نمودار ساختار نوکلئوتیدی؛ مدل ساختار DNA; نمودارها و نقشه هایی که ساختار RNA، فرآیندهای همانندسازی و رونویسی را نشان می دهند.

I. آزمون دانش

کار با کارت

کارت 1. تفاوت های اساسی در ساختار مولکول DNA را از مولکول های دیگر پلیمرهای زیستی (پروتئین ها، کربوهیدرات ها) نشان دهید.

کارت 2. ظرفیت عظیم اطلاعاتی DNA بر چه اساسی است؟ به عنوان مثال، DNA پستانداران حاوی 4-6 میلیارد بیت اطلاعات است که مربوط به کتابخانه ای از 1.5-2 هزار جلد است. چگونه این تابع در ساختار منعکس می شود؟

کارت 3. هنگامی که DNA گرم می شود، مانند پروتئین ها، دناتوره می شود. فکر می کنید برای مارپیچ دوگانه چه اتفاقی می افتد؟

کارت 4. جاهای خالی متن را پر کنید: «دو رشته یک مولکول DNA روبروی هم... . زنجیرها به هم متصل هستند و در مقابل یک نوکلئوتید حاوی آدنین همیشه یک نوکلئوتید حاوی ... و در مقابل یک نوکلئوتید حاوی سیتوزین - حاوی .... این اصل را اصل می گویند... . ترتیب چینش... در مولکول... برای هر موجود زنده... تعیین کننده ترتیب... در... . بنابراین، DNA است... . DNA عمدتاً در سلول‌های یوکاریوت‌ها و در سلول‌های پروکاریوت‌ها قرار دارد.

تست شفاهی دانش روی سوالات

1. اسیدهای نوکلئیک، محتوای آنها در ماده زنده، وزن مولکولی.
2. NC - پلیمرهای غیر تناوبی. ساختار نوکلئوتیدی، انواع نوکلئوتیدها.
3. اتصال نوکلئوتیدها به یک زنجیره.
4. تشکیل یک مولکول DNA دو رشته ای.
5. قوانین چارگاف. جوهر اصل مکملیت.

بررسی درستی راه حل های مسائل ارائه شده در کتاب درسی.

II. یادگیری مطالب جدید

1. RNA و اهمیت آن

پروتئین ها اساس زندگی را تشکیل می دهند. عملکرد آنها در سلول بسیار متنوع است. با این حال، سنجاب ها "نمی توانند" تولید مثل کنند. و تمام اطلاعات در مورد ساختار پروتئین ها در ژن ها (DNA) موجود است.

در موجودات بالاتر، پروتئین ها در سیتوپلاسم سلول سنتز می شوند و DNA در پشت پوسته هسته پنهان می شود. بنابراین، DNA نمی تواند به طور مستقیم به عنوان یک الگو برای سنتز پروتئین عمل کند. این نقش توسط یک اسید نوکلئیک دیگر - RNA انجام می شود.

مولکول RNA یک پلی نوکلئوتید بدون شاخه با ساختار سوم است. این توسط یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی تشکیل می شود و اگرچه نوکلئوتیدهای مکمل موجود در ترکیب آن نیز قادر به تشکیل پیوندهای هیدروژنی با یکدیگر هستند، این پیوندها بین نوکلئوتیدهای همان زنجیره ایجاد می شوند. زنجیره های RNA بسیار کوتاه تر از زنجیره های DNA هستند. در حالی که محتوای DNA در یک سلول نسبتاً ثابت است، محتوای RNA نوسانات زیادی دارد. بیشترین مقدار RNA در سلول ها در طول سنتز پروتئین مشاهده می شود.

RNA نقش عمده ای در انتقال و اجرای اطلاعات ارثی دارد. مطابق با عملکرد و ویژگی های ساختاری آنها، چندین کلاس از RNA سلولی متمایز می شوند.

2. طبقات RNA های سلولی و عملکرد آنها

سه دسته اصلی از RNA سلولی وجود دارد.

1. اطلاعات (mRNA)، یا ماتریس (mRNA).مولکول های آن از نظر اندازه، وزن مولکولی (از 0.05x10 6 تا 4x106) و پایداری متنوع ترین هستند. آنها حدود 2 درصد از کل مقدار RNA در سلول را تشکیل می دهند. همه mRNA ها حامل اطلاعات ژنتیکی از هسته تا سیتوپلاسم تا محل سنتز پروتئین هستند. آنها به عنوان یک ماتریس (نقاشی کاری) برای سنتز یک مولکول پروتئین عمل می کنند، زیرا توالی اسید آمینه (ساختار اولیه) مولکول پروتئین را تعیین می کنند.

2. RNA ریبوزومی (rRNA).آنها 80 تا 85 درصد از کل محتوای RNA در سلول را تشکیل می دهند. RNA ریبوزومی از 3 تا 5 هزار نوکلئوتید تشکیل شده است. در هسته های هسته سنتز می شود. در ترکیب با پروتئین های ریبوزومی، rRNA ریبوزوم ها را تشکیل می دهد - اندامک هایی که مولکول های پروتئین روی آنها جمع می شوند. اهمیت اصلی rRNA این است که اتصال اولیه mRNA و ریبوزوم را تضمین می کند و مرکز فعال ریبوزوم را تشکیل می دهد که در آن تشکیل پیوندهای پپتیدی بین اسیدهای آمینه در طول سنتز زنجیره پلی پپتیدی اتفاق می افتد.

3. انتقال RNA ها(تی RNA). مولکول های tRNA معمولا حاوی 75-86 نوکلئوتید هستند. وزن مولکولی مولکول های tRNA حدود 25 هزار است. مولکول های tRNA نقش واسطه ها را در بیوسنتز پروتئین ایفا می کنند - آنها اسیدهای آمینه را به محل سنتز پروتئین، یعنی به ریبوزوم ها می رسانند. این سلول حاوی بیش از 30 نوع tRNA است. هر نوع tRNA یک توالی نوکلئوتیدی منحصر به فرد دارد. با این حال، همه مولکول‌ها دارای چندین ناحیه مکمل درون مولکولی هستند که به دلیل وجود آن‌ها، همه tRNA‌ها ساختار سومی دارند که از نظر شکل شبیه یک برگ شبدر است.

3. تفاوت بین مولکول های DNA و RNA

دانش آموزان جدول را پر می کنند و سپس آن را بررسی می کنند.

نشانه های مقایسه
موقعیت در قفس	هسته، میتوکندری، کلروپلاست	هسته، ریبوزوم، سانتریول، سیتوپلاسم، میتوکندری و کلروپلاست
ساختار یک ماکرومولکول	پلیمر خطی دو شاخه بدون انشعاب، به شکل مارپیچ پیچیده شده است	زنجیره پلی نوکلئوتیدی منفرد
مونومرها	دئوکسی ریبونوکلئوتیدها	ریبونوکلئوتیدها
ترکیب نوکلئوتیدی	بازهای نیتروژنی پورین (آدنین، گوانین) و پیریمیدین (تامین، سیتوزین). دئوکسی ریبوز (C5)؛ باقی مانده اسید فسفریک	بازهای نیتروژنی پورین (آدنین، گوانین) و پیریمیدین (اوراسیل، سیتوزین). ریبوز (C5)؛ باقی مانده اسید فسفریک
	نگهبان اطلاعات ارثی	واسطه در فروش اطلاعات ژنتیکی

4. همانندسازی DNA

یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد مولکول DNA توانایی آن در تکثیر خود - برای بازتولید نسخه‌های دقیق مولکول اصلی است. به همین دلیل، انتقال اطلاعات ارثی از سلول مادر به سلول های دختر در طول تقسیم اتفاق می افتد. فرآیند خود دوگانه سازی یک مولکول DNA نامیده می شود همانندسازی (تکثیر).

همانند سازی فرآیند پیچیده ای است که شامل آنزیم ها می شود (DNA پلیمرازها).برای اینکه همانند سازی اتفاق بیفتد، ابتدا باید مارپیچ دوگانه DNA باز شود. این نیز توسط آنزیم های خاص انجام می شود - هلیکازها، شکستن پیوندهای هیدروژنی بین بازها. اما نواحی گشوده شده به عوامل مخرب بسیار حساس هستند. برای اطمینان از اینکه آنها تا حد امکان در یک حالت محافظت نشده باقی می مانند، سنتز در هر دو زنجیره به طور همزمان انجام می شود.

اما در DNA مادر، دو رشته مارپیچ دوگانه ضد موازی هستند - در مقابل انتهای 3' یک رشته، انتهای 5' رشته دیگر قرار دارد، و آنزیم DNA پلیمراز تنها در یک جهت می تواند حرکت کند - از 3. "انتهای تا 5" انتهای رشته الگو . بنابراین، همانندسازی نیمی از مولکول مادر، که با 3'-نوکلئوتید شروع می شود، پس از باز شدن مارپیچ دوگانه روشن می شود و اعتقاد بر این است که به طور مداوم ادامه می یابد. همانندسازی نیمه دوم مولکول کمی دیرتر و نه از ابتدا (جایی که 5’-نوکلئوتید قرار دارد که از واکنش جلوگیری می کند) بلکه در فاصله ای از آن شروع می شود. در این حالت، DNA پلیمراز در جهت مخالف حرکت می کند و قطعه نسبتا کوتاهی را سنتز می کند. ساختاری که در این لحظه پدیدار می شود نامیده می شود چنگال تکثیر. همانطور که مارپیچ دوتایی باز می شود، چنگال همانندسازی حرکت می کند - در رشته دوم، سنتز بخش بعدی شروع می شود و به سمت ابتدای قطعه قبلی که قبلاً سنتز شده است حرکت می کند. سپس این قطعات منفرد در زنجیره ماتریس دوم (نامیده می شوند تکه هایی از اوکازاکی) توسط آنزیم DNA لیگاز به یک زنجیره واحد دوخته می شوند.

نمودار ساختار یک چنگال همانندسازی DNA

در حین تکثیر، انرژی مولکول های ATP مصرف نمی شود، زیرا برای سنتز زنجیره های دختر در طول همانندسازی، از دئوکسی ریبونوکلئوتیدها (حاوی یک باقیمانده اسید فسفریک) استفاده نمی شود، اما تری فسفات های دئوکسی ریبونوکلئوزیدی(حاوی سه باقی مانده اسید فسفریک). هنگامی که تری فسفات های دئوکسی ریبونوکلئوزیدی در یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی ادغام می شوند، دو فسفات انتهایی از هم جدا می شوند و انرژی آزاد شده برای تشکیل یک پیوند استری بین نوکلئوتیدها استفاده می شود.

در نتیجه تکثیر، دو مارپیچ دوگانه "دختری" تشکیل می شود که هر کدام یکی از نیمه های DNA "مادر" اصلی را بدون تغییر حفظ می کنند (حفظ می کنند). زنجیره دوم مولکول های "دختری" دوباره از نوکلئوتیدها سنتز می شوند. این نام را گرفت نیمه محافظه کار بودن DNA

5. سنتز RNA در سلول

خواندن RNA از یک الگوی DNA نامیده می شود رونویسی(از لات رونویسی- بازنویسی). این توسط یک آنزیم خاص - RNA پلیمراز انجام می شود. سه RNA پلیمراز مختلف در سلول‌های یوکاریوتی یافت شده‌اند که کلاس‌های مختلفی از RNA را سنتز می‌کنند.

رونویسی نیز نمونه ای از واکنش سنتز الگو است. زنجیره RNA بسیار شبیه به زنجیره DNA است: همچنین از نوکلئوتیدها (ریبونوکلئوتیدها، بسیار شبیه به دئوکسی ریبونوکلئوتیدها) تشکیل شده است. RNA از قسمت DNA که در آن کدگذاری شده است، مطابق با اصل مکملیت خوانده می شود: RNA اوراسیل در مقابل آدنین در DNA، سیتوزین در مقابل گوانین، آدنین در مقابل تیمین و گوانین در مقابل سیتوزین قرار می گیرد.

در یک ژن معین، تنها یک رشته از دو رشته DNA مکمل به عنوان الگویی برای سنتز RNA عمل می کند. به این مدار مدار کار می گویند.

مطابق با قراردادهای پذیرفته شده، ابتدای ژن در نمودارها در سمت چپ نشان داده شده است. در این حالت، رشته غیرفعال (غیر کد کننده) مولکول DNA دارای انتهای "چپ" خواهد بود، در حالی که رشته کاری (کد کننده) دارای انتهای مخالف خواهد بود. آنزیم RNA پلیمراز به آن متصل می شود. مروج(توالی خاصی از نوکلئوتیدهای DNA که آنزیم به دلیل تمایل شیمیایی "شناسایی" می کند و در انتهای 3 اینچ بخش مربوطه رشته الگوی DNA قرار دارد). تنها با پیوستن به پروموتر RNA پلیمراز می تواند سنتز RNA را آغاز کند. از تری فسفات های ریبونوکلئوزیدی آزاد موجود در سلول انرژی برای سنتز RNA در پیوندهای ماکروانرژیک ریبونوکلئوزید تری فسفات ها موجود است.

III. تثبیت دانش

خلاصه کردن مکالمه در حین یادگیری مطالب جدید. راه حل مشکل.

وظیفه. مولکول DNA از دو زنجیره تشکیل شده است - زنجیره اصلی که mRNA روی آن سنتز می شود و زنجیره مکمل. اگر ترتیب نوکلئوتیدها در رشته DNA اصلی (در حال کار) به صورت زیر باشد، ترتیب نوکلئوتیدها را در mRNA سنتز شده بنویسید: C-G-C-T-G-A-T-A-G.

با استفاده از اصل مکمل بودن، ترتیب آرایش نوکلئوتیدها را در mRNA سنتز شده در امتداد رشته DNA کار تعیین می کنیم: G-C-G-A-C-U-A-U-C.

جواب: ج-ج-ج-ا-ج-و-آ-یو-ج

IV. مشق شب

پاراگراف کتاب درسی (RNA، طبقات و عملکردهای اصلی آن، تفاوت بین DNA و RNA، همانندسازی و رونویسی) را مطالعه کنید.

درس 18. تعمیم دانش در مورد "DNA و RNA"

تجهیزات: جداول زیست شناسی عمومی، نمودار ساختار یک نوکلئوتید، مدلی از ساختار DNA، نمودارها و نقشه هایی که ساختار RNA، فرآیندهای همانندسازی و رونویسی را نشان می دهد.

I. آزمون دانش

تست شفاهی دانش روی سوالات.

1. RNA و اهمیت آن در سلول.
2. طبقات RNA سلولی و عملکرد آنها ( سه دانش آموز).
3. همانند سازی، مکانیسم و ​​اهمیت آن.
4. رونویسی، مکانیسم و ​​اهمیت آن.

دیکته بیولوژیکی "مقایسه DNA و RNA"

معلم چکیده ها را زیر اعداد می خواند، دانش آموزان شماره آن چکیده ها را که با محتوای نسخه آنها مطابقت دارد در دفترچه یادداشت می نویسند.

گزینه 1 - DNA گزینه 2 - RNA.

1. مولکول تک زنجیره ای.
2. مولکول دو رشته ای.
3. حاوی آدنین، اوراسیل، گوانین، سیتوزین است.
4. حاوی آدنین، تیمین، گوانین، سیتوزین است.
5. نوکلئوتیدها حاوی ریبوز هستند.
6. نوکلئوتیدها حاوی دئوکسی ریبوز هستند.
7. موجود در هسته، کلروپلاست، میتوکندری، سانتریول، ریبوزوم، سیتوپلاسم.
8. موجود در هسته، کلروپلاست، میتوکندری.
9. در ذخیره سازی، تولید مثل و انتقال اطلاعات ارثی مشارکت دارد.
10. در انتقال اطلاعات ارثی شرکت می کند.

گزینه 1 – 2؛ 4 6; 8; 9;

گزینه 2 – 1؛ 3; 5 7; 10.

حل مسئله

وظیفه 1. تجزیه و تحلیل شیمیایی نشان داد که 28٪ از تعداد کل نوکلئوتیدهای این mRNA را آدنین، 6٪ گوانین، 40٪ اوراسیل هستند. ترکیب نوکلئوتیدی بخش مربوط به DNA دو رشته ای که اطلاعات آن توسط این mRNA "بازنویسی" می شود چگونه باید باشد؟

1. با دانستن اینکه زنجیره مولکول RNA و زنجیره کاری مولکول DNA مکمل یکدیگر هستند، محتوای نوکلئوتیدها (در٪) را در زنجیره DNA کار تعیین می کنیم:

در زنجیره mRNA G = 6٪، یعنی در زنجیره DNA کار C = 6٪.

در زنجیره mRNA A = 28٪، به این معنی که در زنجیره DNA فعال T = 28٪.

در زنجیره mRNA Y = 40٪، یعنی در زنجیره DNA فعال A = 40٪.

2. محتوای سیتوزین در زنجیره mRNA را تعیین کنید (در درصد).

تعیین نسبت سیتوزین در زنجیره mRNA: 100٪ - 74٪ = 26٪ (C).

اگر در زنجیره mRNA C = 26٪، سپس در زنجیره DNA فعال G = 26٪.

پاسخ: C=6%; T=28%; A=40%; G=26%

وظیفه 2. روی قطعه ای از یک رشته DNA، نوکلئوتیدها در توالی قرار دارند: A-A-G-T-C-T-A-A-C-G-T-A-T. نموداری از ساختار یک مولکول DNA دو رشته ای رسم کنید. طول این قطعه DNA چقدر است؟ چند نوکلئوتید (در درصد) در این زنجیره DNA وجود دارد؟

1. طبق اصل مکمل بودن، رشته دوم مولکول DNA معین را می سازد: T-T-C-A-G-A-T-T-G-C-A-T-A.

2. با دانستن طول یک نوکلئوتید (0.34 نانومتر)، طول این قطعه DNA را تعیین می کنیم (در DNA طول یک زنجیره برابر است با طول کل مولکول): 13x0.34 = 4.42 نانومتر.

3. محاسبه درصد نوکلئوتیدها در یک زنجیره DNA داده شده:

13 نوکلئوتید - 100٪
5 A – x%, x=38% (A).
2 G – x%, x=15.5% (G).
4 T – x%, x=31% (T).
2 C – x%, x=15.5% (C).

جواب: ت-ت-ج-ا-ج-ا-ت-ت-ج-ج-ا-ت-ا; 4.42 نانومتر؛ A=38; T=31%; G=15.5%; C=15.5%.

انجام کار مستقل

انتخاب 1

1. قطعاتی از یک زنجیره از یک مولکول DNA داده شده است: C-A-A-A-T-T-G-G-A-C-G-G-G. مقدار (در درصد) هر نوع نوکلئوتید و طول این قطعه از مولکول DNA را تعیین کنید.

2. آیا 880 نوکلئوتید گوانیل در یک مولکول DNA یافت می شود که 22 درصد از تعداد کل نوکلئوتیدهای این DNA را تشکیل می دهد؟ تعیین کنید که چه تعداد نوکلئوتید دیگر (به صورت جداگانه) در این مولکول DNA وجود دارد. طول این DNA چقدر است؟

گزینه 2

1. قطعاتی از یک زنجیره از یک مولکول DNA داده شده است: A-G-C-C-G-G-G-A-A-T-T-A. مقدار (در درصد) هر نوع نوکلئوتید و طول این قطعه از مولکول DNA را تعیین کنید.

2. 250 نوکلئوتید تیمیدیل در یک مولکول DNA یافت شد که 22.5 درصد از تعداد کل نوکلئوتیدهای این DNA را تشکیل می دهد. تعیین کنید که چه تعداد نوکلئوتید دیگر (به صورت جداگانه) در این مولکول DNA وجود دارد. طول این DNA چقدر است؟

IV. مشق شب

مطالب مربوط به طبقات اصلی مواد آلی موجود در مواد زنده را مرور کنید.

ادامه دارد

سخنرانی شماره 2. همانندسازی DNA

طبق فرضیه J. Watson و F. Crick، هر یک از رشته های مارپیچ دوگانه DNA به عنوان الگویی برای تکثیر رشته های دختر مکمل عمل می کند. در این حالت، دو مولکول DNA دو رشته‌ای دختر، مشابه مولکول اصلی تشکیل می‌شود و هر یک از این مولکول‌ها حاوی یک رشته بدون تغییر از DNA مادر هستند. این مکانیسم تکثیر DNA که نیمه محافظه کار نامیده می شود، در آزمایشات روی سلول های E. coli در سال 1957 توسط M. Mezelson و F. Stahl تایید شد. روش تکثیر محافظه کارانه، که در آن یک DNA دختر باید دارای هر دو رشته اصلی باشد، و دومی باید از دو رشته جدید ساخته شده باشد، و مکانیسم تکثیر پراکنده، که در آن هر رشته DNA دختر شامل بخش هایی از DNA مادر و تازه تشکیل شده است. حذف می شوند (شکل 1، اسلاید 1).

DIV_ADBLOCK489">

3. فرآیند متقارن است: هر دو رشته DNA والدین به عنوان الگو عمل می کنند. همچنین می توان آن را نیمه محافظه کار نامید.

4. طویل شدن زنجیره DNA (یا قطعه منفرد آن) همیشه در جهت از انتهای 5 به انتهای 3 رخ می دهد. این بدان معنی است که نوکلئوتید جدید دیگری به انتهای 3' زنجیره در حال رشد اضافه می شود. علاوه بر این، از آنجایی که در هر مولکول DNA رشته های مکمل ضد موازی هستند، رشته در حال رشد ضد موازی با رشته الگو است. در نتیجه، دومی در جهت 3'→5' خوانده می شود (اسلاید 2 و 3).

5. یک رشته DNA جفت نشده، که به عنوان یک الگو عمل می کند، و یک رشته دانه که نوکلئوتیدهای جدید به آن اضافه می شود.

فرآیند تکثیر توسط یک کمپلکس آنزیمی پیچیده انجام می شود. در طول تکثیر DNA در یوکاریوت ها، نه تنها یک، بلکه تعداد زیادی از این کمپلکس ها روی هر کروموزوم کار می کنند. که منشا بسیاری از تکثیر DNA در کروموزوم وجود دارد. و دوبرابر شدن DNA به طور متوالی از یک سر به سر دیگر اتفاق نمی افتد، بلکه به طور همزمان در بسیاری از مکان ها به طور همزمان اتفاق می افتد، که به طور قابل توجهی مدت زمان فرآیند را کاهش می دهد (اسلاید 5). همانندسازی از هر مبدأ همانندسازی در هر دو جهت انتشار می یابد و چنگال های همانندسازی تشکیل می شوند. یک "تورم" یا "چشم" به تدریج در حال گسترش بین چنگال ها ظاهر می شود - اینها بخش هایی از DNA هستند که قبلاً تکرار شده اند. "برآمدگی"های مجاور در نهایت ادغام می شوند و DNA دو برابر می شود.

کمپلکس آنزیمی به گونه ای عمل می کند که یکی از دو زنجیره ای که سنتز می کند تا حدودی سریعتر از زنجیره دیگر رشد می کند. بر این اساس، زنجیره اول را پیشرو و دومی را عقب افتادگی می نامند. زنجیره پیشرو توسط کمپلکس آنزیمی به صورت یک قطعه پیوسته و بسیار طولانی تشکیل می شود. طول آن (به عنوان مثال، برای اسپرماتوگونی) 1600000 نوکلئوتید است؛ زنجیره عقب مانده به شکل یک سری قطعات کوتاه - تقریباً هر کدام 1500 نوکلئوتید - تشکیل شده است. این به اصطلاح است قطعاتی از اوکازاکی

تشکیل هر قطعه DNA با سنتز یک توالی کوتاه (از 10-15 نوکلئوتید) از پرایمر RNA انجام می شود. واقعیت این است که DNA پلیمراز (آنزیم اصلی سنتز DNA) نمی تواند فرآیند را "از ابتدا" آغاز کند، یعنی در غیاب یک توالی الیگونوکلئوتیدی. اما آنزیم سنتز RNA (RNA پلیمراز) این توانایی را دارد. و این آنزیم شروع به تشکیل هر قطعه DNA جدید می کند.

آنزیم ها و پروتئین های دخیل در سنتز DNA: DNA پلیمرازها، توپوایزومرازها (گیرازها)، هلیکازها و لیگازها، پریمازها، پروتئین های ssb. کل مجموعه، متشکل از بیش از 20 آنزیم و فاکتور همانند ساز، سیستم DNA replicase یا replisome نامیده می شود.

DNA پلیمرازهای وابسته به DNA آنزیم های کلیدی فرآیند همانندسازی هستند که از اصل مکمل بودن برای رشد زنجیره های پلی نوکلئوتیدی استفاده می کنند. پروکاریوت ها دارای سه DNA پلیمراز هستند: Pol I، Pol II و Pol III. Pol I و Pol III در همانندسازی DNA نقش دارند. DNA پلیمراز I دارای فعالیت پلیمراز و (3'→5', 5'→3')-اگزونوکلئاز است، در حذف پرایمر، پر کردن شکاف تشکیل شده در محل پرایمر، تصحیح خطاها در حین تکرار و همچنین ترمیم DNA نقش دارد. حدود 400 مولکول از این آنزیم در سلول های E.coli وجود دارد. Pol III سنتز DNA ترمیم را انجام می دهد.

آنزیم اصلی که بیوسنتز DNA تازه تشکیل شده در پروکاریوت ها را کاتالیز می کند، DNA پلیمراز III (Pol III) است. دارای فعالیت پلیمراز و اگزونوکلئاز 3'→5'. رشته های پیشرو و عقب مانده DNA را سنتز می کند و عملکرد تصحیح کننده دارد. این سلول حاوی 10-20 مولکول Pol III است، میل ترکیبی بیشتری برای ماتریکس دارد و کارایی بالای کپی را تضمین می کند.

فعال سازی" href="/text/category/aktivatciya/" rel="bookmark">فعال سازی DNA پلیمراز.

این سوال مطرح می شود: چرا DNA پلیمراز III به 2 نوع فعالیت نیاز دارد: پلیمراز و 3¢→5¢ اگزونوکلئاز؟ واقعیت این است که دقت کپی در حین تکثیر DNA بسیار بالا است - تقریباً یک خطا در هر میلیارد جفت باز وجود دارد. با این حال، در DNA طبیعی، اشکال نادر توتومر از هر چهار باز به طور خلاصه ظاهر می شوند. این اشکال جفت های نامنظم را تشکیل می دهند. به عنوان مثال، شکل توتومری سیتوزین به جای گوانین با آدنین جفت می شود و در نتیجه یک جهش (اسلاید) ایجاد می شود. این بدان معنی است که دقت تکرار بالا توسط مکانیزمی تعیین می شود که تصحیح، یعنی حذف چنین خطاهایی را انجام می دهد. اینجاست که فعالیت اگزونوکلئاز 3¢ → 5¢ DNA پلیمراز III مطرح می شود. DNA پلیمراز III پس از تماس با یک مولکول DNA که دارای سیتوزین جفت نشده با آدنین است، نوکلئوتیدهای جفت نشده را (با هیدرولیز) جدا می کند.

شواهدی وجود دارد که DNA پلیمراز III سنتز جفت شده رشته های پیشرو (پیشرو) و عقب مانده DNA را در طول همانندسازی کاتالیز می کند. DNA پلیمرازها به پرایمر نیاز دارند زیرا آنها فقط می توانند دئوکسی ریبونوکلئوتیدها را به گروه 3'-OH اضافه کنند. روی رشته پیشرو 1 پرایمر و روی رشته عقب افتاده بیش از یک پرایمر وجود دارد. DNA پلیمراز روی رشته عقب مانده، یک قطعه کوتاه را در 4 ثانیه سنتز می کند و سپس به سنتز قطعه (بعدی) دیگری روی بخشی از رشته الگو که در فاصله ای از رشته اول قرار دارد (اسلاید) تغییر می کند.

برای هر قطعه کوتاه، DNA پلیمراز به یک آغازگر با انتهای 3¢ جفتی نیاز دارد. پرایمرها توسط آنزیم DNA پریماز سنتز می شوند که آغازگرهای RNA کوتاه (پرایمرها) را از ریبونوکلئوزید تری فسفات ها تشکیل می دهند که در یوکاریوت ها تقریباً از 10 نوکلئوتید (اسلاید) تشکیل شده است. آغازگرها در فواصل معینی روی الگوی رشته عقب افتاده سنتز می شوند، سپس توسط DNA پلیمراز منبسط می شوند و هر بار یک قطعه جدید اوکازاکی را شروع می کنند. مولکول DNA پلیمراز تا رسیدن به پرایمر به رشد خود ادامه می دهد. برای اطمینان از تداوم زنجیره DNA از بسیاری از این قطعات، سیستم ترمیم DNA وارد عمل می شود که پرایمر RNA را حذف کرده و DNA را جایگزین آن می کند. این فرآیند توسط یک لیگاز تکمیل می شود که انتهای 3¢ قطعه جدید را به انتهای ¢ 5 قطعه قبلی متصل می کند.

رشته دوگانه DNA باید با پیشرفت چنگال همانندسازی باز شود تا تری فسفات های دئوکسی ریبونوکلئوزیدی ورودی بتوانند با رشته الگوی اصلی جفت شوند. با این حال، در شرایط عادی، مارپیچ دوگانه DNA پایدار است. جفت‌های باز به قدری محکم به هم متصل شده‌اند که جداسازی دو رشته DNA در یک لوله آزمایش به دمای نزدیک به نقطه جوش آب (90 درجه سانتی‌گراد) نیاز دارد. برای باز شدن مارپیچ دوگانه، دو نوع پروتئین مورد نیاز است: هلیکازها و پروتئین های SSB.

پروتئین هایی که DNA والدین را برای همانندسازی آماده می کنند

الف) مبدا همانند سازی روی مولکول DNA دارای یک توالی خاص از بازهای غنی از جفت A-T است.

این فرآیند با اتصال چندین مولکول از پروتئین های شناسایی ویژه به هر یک از این توالی آغاز می شود. در مورد باکتری ها، چنین پروتئین هایی DnaA نامیده می شوند (به عنوان اولین پروتئین هایی که شروع به تکثیر می کنند). (بنابراین، در شکل، پروتئین شناسایی با حرف A مشخص شده است.)

می توان دلایل مختلفی را تصور کرد که چرا برهمکنش پروتئین های شناسایی با منشاء همانندسازی ممکن می شود. از جمله این دلایل:

- ظاهر پروتئین های شناسایی در هسته یا اصلاح خاص آنها.

- آزاد کردن مبدا تکرار از عناصر مسدود کننده خاص؛

- ظهور برخی از عوامل سوم ضروری برای تعامل مورد بحث در هسته. و غیره.

داده های موجود از گزینه اول پشتیبانی می کنند. اما در هر صورت، واضح است که در اینجا یکی از لینک های کلیدی کنترل شروع تکرار وجود دارد.

پروتئین های شناسایی، با اطمینان از اتصال کمپلکس تکثیر DNA، ظاهراً همراه با آن در امتداد DNA حرکت نمی کنند.

ب) یکی از «پیشروها» آنزیم هلیکاز است (که در شکل با حرف G مشخص شده است). باز شدن مارپیچ دوگانه DNA والدین را در ناحیه چنگال همانندسازی تضمین می کند: دومی به بخش های تک رشته ای جدا می شود.

این به انرژی هیدرولیز ATP نیاز دارد - 2 مولکول ATP برای جداسازی 1 جفت نوکلئوتید.

ظاهراً در همان زمان، این بخش از DNA نیز از ارتباط خود با هیستون ها و سایر پروتئین های کروموزومی جابجا شده است.

ج) با این حال، باز شدن مارپیچ در یک منطقه خاص، ابرپیچ در مقابل این ناحیه ایجاد می کند.

واقعیت این است که هر مولکول DNA در تعدادی مکان در ماتریکس هسته ای ثابت است. بنابراین وقتی قسمتی از آن باز می شود نمی تواند آزادانه بچرخد. این امر باعث ابرپیچ‌شدن و به همراه آن ایجاد کشش ساختاری می‌شود که مانع از باز شدن بیشتر مارپیچ دوگانه می‌شود.

مشکل با کمک آنزیم های توپوایزومراز حل می شود (I در شکل). بدیهی است که آنها در ناحیه ای از DNA که هنوز گره نخورده عمل می کنند، یعنی جایی که ابرپیچ در آن رخ می دهد. توپوایزومرازهادر فرآیند باز کردن مارپیچ دوگانه در چنگال همانندسازی شرکت کنید. این آنزیم ها درجه ابرپیچ شدن را تغییر می دهند و منجر به تشکیل "لولا" می شوند که شرایطی را برای حرکت مداوم چنگال تکرار ایجاد می کند. دو نوع توپوایزومراز شناسایی شده است: توپوایزومرازهای نوع I یکی از دو رشته DNA را قطع می کنند و به قسمت انتهایی مارپیچ دوگانه اجازه می دهند تا اطراف رشته دست نخورده بچرخد و سپس انتهای رشته بریده شده را دوباره به هم متصل کند. توپوایزومرازهای نوع II شکستگی های موقتی را در هر دو رشته مکمل ایجاد می کنند، درجه ابرپیچ شدن را تغییر می دهند و سپس به انتهای شکسته می پیوندند. توپوایزومرازها به هلیکاز کمک می کنند تا DNA را برای همانندسازی باز کند. توپوایزومراز II نیز وجود دارد (توپوایزومراز باکتریایی II گیراز نامیده می شود). این آنزیم بلافاصله رشته DNA را می شکند و دوباره انتهای مربوطه را به خود منتقل می کند. این امر حل مشکل ابرپیچ ها در حین باز شدن DNA را حتی موثرتر ممکن می سازد.

توپوایزومراز I یکی از رشته های DNA را می شکند و انتهای پروگزیمال آن را به خود منتقل می کند (شکل). این اجازه می دهد تا بخش دیستال DNA (از محل باز شدن تا محل شکست) به دور پیوند مربوطه کل زنجیره بچرخد که از تشکیل ابرکویل ها جلوگیری می کند. پس از آن، انتهای زنجیره شکسته دوباره بسته می شود: یکی از آنها از آنزیم به انتهای دیگر منتقل می شود. بنابراین فرآیند شکستن زنجیره توسط توپوایزومراز به راحتی قابل برگشت است.

هلیکازها(از لات مارپیچ- مارپیچ، پروتئین dnaB), تشکیل و پیشروی را در امتداد مارپیچ DNA چنگال همانندسازی انجام دهید - بخشی از مولکول با زنجیرهای غیرپیچیده. این آنزیم ها از انرژی آزاد شده توسط هیدرولیز ATP برای باز کردن زنجیره ها استفاده می کنند. هلیکازها در ارتباط با ssb-پروتئین هایی که به نواحی تک رشته ای مولکول متصل می شوند و در نتیجه دوبلکس پیچ خورده را تثبیت می کنند.

د) بنابراین، آنزیم هلیکاز با "حمایت" توسط توپوایزومرازها، مارپیچ دوگانه DNA را به دو رشته مجزا باز می کند.

پروتئین های ویژه SSB بلافاصله به هر یک از این رشته ها متصل می شوند. دومی تمایل بیشتری به نواحی DNA تک رشته ای دارد و آنها را در این حالت تثبیت می کند.

توجه: بنابراین این پروتئین‌ها با هیستون‌ها که عمدتاً به مناطق DNA دو رشته‌ای متصل می‌شوند، متفاوت هستند.

آنزیم های پلیمریزاسیون

الف) یک پروتئین خاص به عنوان یک فعال کننده پریماز عمل می کند (AP در شکل). پس از آن پریماز (P)، با استفاده از بخش مربوطه از DNA تک رشته ای به عنوان یک الگو، یک آغازگر RNA کوتاه یا آغازگر سنتز می کند.

ب) در مرحله بعد، DNA پلیمرازها وارد عمل می شوند. 5 DNA پلیمراز مختلف در یوکاریوت ها شناخته شده است. از این میان، β- و ε-پلیمرازها در ترمیم DNA، γ-پلیمراز در همانندسازی DNA میتوکندری و α- و δ-پلیمرازها در همانندسازی DNA هسته ای نقش دارند.

علاوه بر این، طبق برخی مفروضات، α-پلیمراز با پریماز و δ-پلیمراز همراه است و دومی به نوبه خود با پروتئین PCNA مرتبط است (P در شکل).

این پروتئین به‌عنوان یک «چرخ لباس» عمل می‌کند که کمپلکس پلیمراز را به رشته DNA تکثیر شده متصل می‌کند. اعتقاد بر این است که در حالت "بسته"، مانند یک حلقه، رشته DNA را به هم می چسباند (شکل). این امر از جدا شدن زودرس پلیمرازها از این زنجیره جلوگیری می کند.

واضح است که DNA پلیمرازها ترکیب متوالی دئوکسی ریبونوکلئوتیدها را در زنجیره DNA در حال ساخت - مکمل نوکلئوتیدهای زنجیره اصلی - انجام می دهند.

اما، علاوه بر این، ظاهراً این آنزیم ها تعدادی فعالیت مهم دیگر نیز دارند. با این حال، برای DNA پلیمرازهای یوکاریوتی، توزیع این فعالیت ها هنوز کاملاً مشخص نیست. بنابراین، ما اطلاعاتی در مورد آنزیم های باکتریایی مشابه ارائه می دهیم.

در باکتری ها، "کار" اصلی همانند سازی DNA توسط DNA پلیمراز III انجام می شود که دارای ساختار دایمر است. با این است که "گیره" از نوع پروتئین PCNA مرتبط است.

بنابراین، علاوه بر فعالیت DNA پلیمراز، DNA پلیمراز III دارای یک فعالیت بیشتر است - اگزونوکلئاز 3"→5". دومی در مواردی ایجاد می شود که خطا رخ می دهد و نوکلئوتید "اشتباه" در زنجیره در حال ساخت گنجانده می شود. سپس با تشخیص نقص در جفت شدن باز، آنزیم آخرین نوکلئوتید را از انتهای در حال رشد (3"-) جدا می کند و پس از آن دوباره به عنوان یک DNA پلیمراز شروع به کار می کند.

بنابراین، سیستم به طور مداوم بر نتایج فعالیت های خود نظارت می کند.

ج) همانطور که می دانیم، زنجیره های DNA جدید ابتدا به شکل قطعات - نسبتا کوتاه (قطعات اوکازاکی) و بسیار طولانی تشکیل می شوند. و هر کدام از آنها با RNA آغازگر شروع می شود.

هنگامی که کمپلکس آنزیمی که در امتداد رشته والدینی حرکت می کند به دانه RNA قطعه قبلی می رسد، "گیره" اتصال DNA پلیمراز III به رشته DNA والدین باز می شود و این آنزیم کار نمی کند. DNA پلیمراز I وارد عمل می شود (ما هنوز در مورد آنزیم های باکتریایی صحبت می کنیم). به انتهای 3 اینچی قطعه در حال رشد متصل می شود (شکل 1.14). در این حالت، آنزیم دیگر ارتباط پایداری با این قطعه و با زنجیره مادر ندارد، اما حتی دو، بلکه سه فعالیت دارد.

اولین آنها فعالیت اگزونوکلئاز 5"→3" است: برش متوالی نوکلئوتیدها از انتهای 5 اینچی پرایمر RNA قطعه قبلی.

انتهای قطعه «آن» (فعالیت DNA پلیمراز).

و در نهایت، مانند DNA پلیمراز III، "فراموش نمی کند" بررسی کند و در صورت لزوم، فعالیت خود را تنظیم کند - با کمک فعالیت اگزونوکلئاز "خلفی" یا 3"→5" که به سمت قطعه در حال گسترش است.

عملکرد DNA پلیمراز I زمانی که قطعه در حال رشد به دئوکسی ریبونوکلئوتیدهای قطعه قبلی نزدیک می شود، تمام می شود.

همانطور که برای یوکاریوت ها، آنالوگ عملکردی DNA پلیمراز باکتریایی III ظاهراً مجموعه ای از پلیمرازهای α- و δ-DNA است. علاوه بر این، فعالیت اگزونوکلئاز اصلاحی 3 "→ 5" در پلیمراز δ-DNA ذاتی است.

عملکردهای DNA پلیمراز I نیز بین دو آنزیم توزیع شده است: فعالیت اگزونوکلئاز 5"→3" (حذف پرایمر RNA) احتمالا توسط یک نوکلئاز خاص (H در شکل 1.11) انجام می شود و فعالیت DNA پلیمراز (پر کردن " شکاف ها) - DNA پلیمراز β (آنزی که در ترمیم نیز نقش دارد).

د) در مورد آنزیم های پلیمریزاسیون، نمی توان سخت ترین مشکلات مربوط به آنها را ذکر کرد. ما در مورد سنتز یک رشته DNA عقب مانده صحبت می کنیم: همانطور که می دانیم، جهت این سنتز برخلاف جهت کلی انتشار چنگال همانندسازی است.

حداقل دو فرضیه برای توضیح این تناقض وجود دارد.

طبق یکی از آنها (شکل 1.15، A)، کمپلکس آنزیمی به طور دوره ای تشکیل زنجیره پیشرو را متوقف می کند، به زنجیره والد دوم حرکت می کند و قطعه Okazaki بعدی زنجیره عقب مانده را سنتز می کند. سپس به اولین رشته والدین باز می گردد و به طولانی شدن رشته پیشرو DNA در حال ساخت ادامه می دهد.

بر اساس نسخه دیگری (شکل 1.15، B)، یک حلقه بر روی رشته دوم DNA والدین (الگوی رشته عقب مانده) در طول فرآیند همانند سازی تشکیل می شود. بنابراین، جهت تشکیل قطعه اوکازاکی در قسمت داخلی حلقه شروع به منطبق با جهت حرکت کمپلکس پلیمراز می کند. سپس دومی می تواند تقریباً به طور همزمان هر دو رشته DNA - هر دو رشته پیشرو و عقب را تشکیل دهد.

این ممکن است به این واقعیت مرتبط باشد که DNA پلیمراز III باکتری یک دایمر است، در حالی که در یوکاریوت ها پلیمرازهای α- و δ-DNA یک کمپلکس واحد را تشکیل می دهند. اما حتی با چنین مکانیزمی، یک زنجیره عقب مانده، همانطور که به راحتی قابل مشاهده است، نمی تواند به طور مداوم تشکیل شود، بلکه فقط به شکل قطعات است.

آنزیم هایی که تکثیر DNA را کامل می کنند

در نتیجه عمل همه آنزیم های قبلی، هر زنجیره ایوسنتز شده از قطعاتی نزدیک به یکدیگر تشکیل شده است.

"پیوند" قطعات مجاور توسط DNA لیگاز انجام می شود (L در شکل 1.11). این آنزیم مانند DNA پلیمرازها یک پیوند بین نوکلئوتیدی (فسفودی استر) ایجاد می کند.

اما اگر در یک واکنش پلیمراز یکی از شرکت‌کنندگان یک dNTP آزاد (دی‌اکسی ریبونوکلئوزید تری فسفات) باشد، در واکنش DNA لیگاز هر دو شرکت‌کننده dNMP‌های پایانی (مونوفسفات‌های دئوکسی ریبونوکلئوزید) در قطعات «دوخته‌شده» هستند.

به همین دلیل، انرژی واکنش متفاوت است و هیدرولیز مزدوج مولکول ATP مورد نیاز است.

همچنین توجه داشته باشید که DNA لیگاز فقط آن دسته از قطعات تک رشته ای را که بخشی از DNA دو رشته ای هستند، "پیوند متقاطع" می کند.

اما این همه ماجرا نیست. مولکول DNA به طور کامل تکثیر نمی شود مگر اینکه فرآیند خاصی برای همانندسازی انتهای آن یا نواحی تلومری رخ دهد.

آنزیم تلومراز نقش کلیدی در این فرآیند ایفا می کند.

جایزه های برتر. همانندسازی DNA به پرایمرهای RNA نیاز دارد. آغازگرهای RNA توسط پریماز (شکل 29.3) که توسط ژن dnaG کدگذاری می شود، سنتز می شوند.

از شکل 29.3 می توان دریافت که primase از سه حوزه تشکیل شده است:

■ - دامنه N ترمینال (110 اسید آمینه)، حاوی یک موتیف اتصال به DNA - یک انگشت روی است.

■ - دامنه هسته (مرکزی) (322 اسید آمینه) شامل مرکز کاتالیزوری است.

■ - دامنه C ترمینال (151 اسید آمینه) در تعامل با dnaB.

آغازگرهای سنتز شده توسط پریماز E. coli با دنباله pppAG در انتهای 5' شروع می شوند و تقریباً از 10-12 نوکلئوتید تشکیل می شوند. پریماها هم از نظر ساختار و هم از نظر ویژگی عمل متفاوت هستند.

لیگازهای DNAفرآیندهای اتحاد مجدد قطعات زنجیره DNA را کاتالیز می کند و در تشکیل پیوندهای کووالانسی بین گروه های 5_-P - و 3_-OH از دئوکسی ریبونوکلئوتیدهای همسایه شرکت می کند. این آنزیم ها همچنین از انرژی پیوندهای پرانرژی تشکیل شده در طول هیدرولیز ATP استفاده می کنند.

همانندسازی DNA در سه مرحله انجام می شود: شروع، ازدیاد طول و خاتمه.

در باکتری ها، شروع تکثیر DNA در یک مکان منحصر به فرد در کروموزوم، نقطه تکثیر - oriC، آغاز می شود که از آنجا همانندسازی به صورت دو طرفه تا نقطه پایان (پایانه) رخ می دهد. در نتیجه، دو چنگال همانند سازی تشکیل می شود که در جهت مخالف حرکت می کنند، یعنی هر دو رشته به طور همزمان تکثیر می شوند.

پروتئین آغازگر dnaAبه سایت های اتصال مکرر در متصل می شود oriC، تشکیل یک ساختار نوکلئوپروتئین تخصصی. این منجر به واگرایی محلی توالی غنی از AT می شود oriC، که به عنوان یک محل اتصال برای هلیکاز مشابه عمل می کند (dnaB)، و سنجاب DNAسی/

به علاوه dnaBبا حذف فعال می شود dnaC، فاصله معینی را در جهت 5_→3_ حرکت می دهد و با پریماز تعامل می کند dnaG. پریماز پرایمرهای RNA کوتاه را برای هولوآنزیم DNA پلیمراز III سنتز می کند. در محل شروع، یک کمپلکس میانی متشکل از حداقل پنج پروتئین تشکیل می شود. یکی از آنها پروتئین است dnaB- می تواند با استفاده از انرژی هیدرولیز ATP در امتداد DNA حرکت کند و همچنین به عنوان یک سیگنال برای فعال شدن پریماز عمل می کند (شکل 29.5).

پریماز جزء پریموزوم است که از چندین زیر واحد مختلف تشکیل شده است. پریموزوم همچنین شامل مجموعه ای از پروتئین ها است DnaВو DnaС، که در نزدیکی چنگال همانندسازی، به طور دوره ای در تشکیل یک ساختار DNA ثانویه خاص مناسب برای شناسایی توسط پریماز شرکت می کند.

شروع تکثیر DNA با تشکیل یک چنگال همانندسازی و سنتز پرایمر RNA روی رشته DNA پیشرو (شکل 29.5) به دلیل تشکیل کمپلکس همانندسازی (شکل 29.6) به پایان می رسد.

در طول فرآیند طویل شدن، زنجیره های پلی نوکلئوتیدی دختر DNA رشد می کنند. هر چنگال همانندسازی حاوی حداقل دو مولکول DNA پلیمراز III مرتبط با چندین پروتئین کمکی است. دومی شامل توپوایزومرازهای DNA (گیرازها) است که مارپیچ دوتایی محکم تا شده DNA را باز می کند و هلیکازها که DNA دو رشته ای را به دو رشته باز می کند.

رشته پیشرو DNA به طور مداوم در جهتی که با حرکت چنگال همانندسازی همزمان است، تکثیر می شود. رشته عقب مانده در جهت مخالف حرکت چنگال تکرار خوانده می شود. غلبه بر ضد موازی رشته های DNA در طول همانندسازی احتمالاً از طریق تشکیل یک ساختار حلقه به دست می آید (شکل 29.7).

ابتدا، قطعات کوتاه یک رشته DNA جدید، به اصطلاح قطعات اوکازاکی، که به نام کاشف آنها نامگذاری شده است، بر روی رشته عقب مانده سنتز می شوند. هر قطعه با یک دانه RNA کوتاه (پرایمر) لازم برای عملکرد DNA پلیمراز شروع می شود. DNA پلیمراز III این آغازگر را به یک قطعه DNA به طول 1000-2000 واحد دئوکسی نوکلئوتید تکمیل می کند.