Репликация – передача информации от ДНК к ДНК, самоудвоение ДНК (биосинтез ДНК).

Молекула ДНК, состоящая из двух спиралей, удваивается при делении клетки. Удвоение ДНК основано на том, что при расплетении нитей к каждой нити можно достроить комплементарную копию , таким образом, получая две нити молекулы ДНК, копирующие исходную.

Условия необходимые для репликации: 1.) Матрица - нити ДНК. Расщепление нити называется репликативная вилка . Она может образовываться внутри молекулы ДНК. Они движутся в разных направлениях, образуя репликативный глазок . Таких глазков в молекуле ДНК эукариот несколько, каждый имеет две вилки. 2.) Субстрат . Пластическим материалом являются дезоксинуклеотидтрифосфаты : дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ. Затем происходит их распад до дезоксинуклеотидмонофосфатов , двух молекул фосфата неорганического с выделением энергии, т.е. они одновременно являются источником и энергии , и пластического материала . 3.) Ионы магния . 4.) Репликативный комплекс ферментов . а) ДНК – раскручивающие белки : - DNA-A (вызывает расхождение нитей); - хеликазы (расщепляют цепь ДНК); - топоизомеразы 1 и 2 (раскручивают сверх спирали). Разрывают (3",5")-фосфодиэфирные связи . Топоизомераза 2 у прокариот называется гираза . б) Белки, препятствующие соединению нитей ДНК (SSB-белки ). в) ДНК-полимераза (катализирует образование фосфодиэфирных связей). ДНК-полимераза только удлиняет уже существующую нить, но не может соединить два свободных нуклеотида. г) Праймаза (катализирует образование «затравки» к синтезу). Это по своей структуре РНК-полимераза, которая соединяет одиночные нуклеотиды. д) ДНК-лигаза . 5.) Праймеры - «затравка» для репликации. Это короткий фрагмент, состоящий из рибонуклеотидтрифосфатов (2 - 10). Образование праймеров катализируется праймазой .

Этапы репликации: 1.) Инициация (образование репликативной вилки); 2.) Элонгация (синтез новых нитей); 3.) Исключение праймеров ; 4.) Терминация (завершение синтеза двух дочерних цепей).

Инициация репликации: - регулируют сигнальные белковые молекулы – факторы роста ;- обеспечивают ферменты и специальные белки .

Необходимые ферменты: ДНК-топоизомеразы - ферменты раскручивающие суперспирали ДНК. ДНК-хеликаза – осуществляет разрыв водородных связей в молекуле двухцепочечной ДНК. В результате образуется репликативная вилка (репликативный глазок ).

Белки, связывающиеся с одноцепочечными нитями ДНК, связываются с одноцепочечными ДНК и препятствуют их комплементарному соединению.

Элонгация репликации. Субстратами синтеза являются дезоксинуклеозидтрифосфаты , выполняющие роль строительного материала и источников энергии.

Необходимые ферменты: ДНК-праймаза , который катализирует синтез коротких молекул РНК-затравок для ДНК-полимеразы. ДНК-полимераза обеспечивает включение в растущую «новую» цепь нуклеотидов комплементарных «старой», то есть матричной цепи.

Синтез новых цепей ДНК может протекать только в направлении от 5’-конца в сторону 3’-конца . На одной цепи ДНК синтезируется непрерывно «лидирующая» цепь , а на другой образуются короткие фрагменты - «запаздывающая» цепь (фрагменты Оказаки ).

После удаления праймеров ДНК-лигаза сшивает короткие фрагменты Оказаки между собой (терминация ).

Информация передается матричным способом . Полуконсервативный механизм репликации ДНК.

Синтез отстающей цепи

3’

3’

5’

5’

Репликация ДНК - это процесс ее удвоения перед делением клетки. Иногда говорят «редупликация ДНК». Удвоение происходит в S-фазе интерфазы клеточного цикла .

Очевидно, самокопирование генетического материала в живой природе есть необходимость. Только так дочерние образующихся при делении клетки могут содержать столько же ДНК, сколько его изначально было в исходной. Благодаря репликации все генетически запрограммированные особенности строения и метаболизма передаются в ряду поколений.

В процессе деления клетки каждая молекула ДНК из пары идентичных отходит в свою дочернюю клетку. Таким образом обеспечивается точная передача наследственной информации.

При синтезе ДНК потребляется энергия, т. е. это энергозатратный процесс.

Механизм репликации ДНК

Молекула ДНК сама по себе (без удвоения) представляет собой двойную спираль. В процессе редупликации водородные связи между двумя ее комплементарными цепями разрываются. И на каждой отдельной цепи, которая теперь служит шаблоном-матрицей, строится новая комплиментарная ей цепь. Таким образом образуются две молекулы ДНК. У каждой одна цепь достается ей от материнской ДНК, вторая - вновь синтезированная. Поэтому механизм репликации ДНК является полуконсервативным (одна цепь старая, одна новая). Такой механизм репликации был доказан в 1958 году.

В молекуле ДНК цепи антипараллельны. Это значит, что одна нить идет в направлении от 5" конца к 3", а комплементарная ей - наоборот. Цифры 5 и 3 обозначают номера атомов углерода в дезоксирибозе, входящей в состав каждого нуклеотида. Через эти атомы нуклеотиды связаны между собой фосфодиэфирными связями. И там, где у одной цепи 3" связи, у другой - 5", так как она перевернута, т. е. идет в другом направлении. Для наглядности можно представить, что вы положили руку на руку, как первоклашка, сидящий за партой.

Основной фермент, который выполняет наращивание новой нити ДНК, способен делать это только в одном направлении. А именно: присоединять новый нуклеотид только к 3" концу. Таким образом, синтез может идти только в направлении от 5" к 3".

Цепи антипараллельны, значит синтез должен идти на них в разных направлениях. Если бы цепи ДНК сначала полностью расходились, а потом на них уже строилась новая комплементарная, то это не было бы проблемой. В действительности же цепи расходятся в определенных точках начала репликации , и в этих местах на матрицах сразу начинается синтез.

Формируются так называемые репликационные вилки . При этом на одной материнской цепи синтез идет в сторону расхождения вилки, и этот синтез происходить непрерывно, без разрывов. На второй матрице синтез идет в обратную сторону от направления расхождения цепей исходной ДНК. Поэтому такой обратный синтез может идти только кусками, которые называются фрагментами Оказаки . Позже такие фрагменты «сшиваются» между собой.

Дочерняя цепь, которая реплицируется непрерывно, называется лидирующей, или ведущей . Та, которая синтезируется через фрагменты Оказаки, - запаздывающей, или отстающей , так как фрагментарная репликация выполняется медленнее.

На схеме нити родительской ДНК постепенно расходятся в направлении, в котором идет синтез ведущей дочерней цепи. Синтез отстающей цепи идет в обратную расхождению сторону, поэтому вынужден выполняться кусками.

Другой особенностью основного фермента синтеза ДНК (полимеразы) является то, что он не может сам начать синтез, только продолжить. Ему необходима затравка, или праймер . Поэтому на родительской нити сначала синтезируется небольшой комплементарный участок РНК, потом уже происходит наращивание цепи с помощью полимеразы. Позже праймеры удаляются, дыры застраиваются.

На схеме затравки показаны только на отстающей цепи. На самом деле они есть и на лидирующей. Однако здесь нужен только один праймер на вилку.

Поскольку цепи материнской ДНК не всегда расходятся с концов, а в точках инициализации, то на самом деле формируются не столько вилки, сколько глазки, или пузыри.

В каждом пузыре может быть две вилки, т. е. цепи будут расходиться в двух направлениях. Однако могут только в одном. Если все же расхождение двунаправлено, то из точки инициализации на одной нити ДНК синтез будет идти в двух направлениях - вперед и назад. При этом в одну сторону будет выполняться непрерывный синтез, а в другую - фрагментами Оказаки.

ДНК прокариот не линейна, а имеет кольцевую структуру и лишь одну точку начала репликации.

На схеме красным и синим цветом показаны две нити родительской молекулы ДНК. Новые синтезирующиеся нити показаны пунктиром.

У прокариот самокопирование ДНК выполняется быстрее, чем у эукариот. Если скорость редупликации у эукариот составляет сотни нуклеотидов в секунду, то у прокариот достигает тысячи и более.

Ферменты репликации

Репликацию ДНК обеспечивает целый комплекс ферментов, который называется реплисомой . Всего ферментов и белков репликации более 15. Ниже перечислены наиболее значимые.

Основным ферментом репликации является уже упомянутая ДНК-полимераза (на самом деле существует несколько разных), которая непосредственно осуществляет наращивание цепи. Это не единственная функция фермента. Полимераза способна «проверять», какой нуклеотид пытается присоединиться к концу. Если неподходящий, то она его удаляет. Другими словами, частичная репарация ДНК, т. е. ее исправление ошибок репликации, происходит уже на этапе синтеза.

Нуклеотиды, находящиеся в нуклеоплазме (или цитоплазме у бактерий), существуют в форме трифосфатов, т. е. это не нуклеотиды, а дезоксинуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дТТФ, дГТФ, дЦТФ). Они похожи на АТФ , у которой три фосфатных остатка, два из которых связаны макроэргической связью. При разрыве таких связей выделяется много энергии. Также и у дезоксинуклеозидтрифосфатов две связи макроэргические. Полимераза отделяет два последних фосфата и использует выделяющуюся энергию на реакцию полимеризации ДНК.

Фермент хеликаза разделяет нити матричной ДНК, разрывая водородные связи между ними.

Поскольку молекула ДНК представляет собой двойную спираль, то разрыв связей провоцирует еще большее ее скручивание. Представьте канат из двух закрученных относительно друг друга веревок, и вы с одной стороны за концы тянете одну вправо, другую - влево. Сплетенная часть станет еще больше скручиваться, будет более тугой.

Для устранения подобного напряжения необходимо, чтобы еще неразошедшаяся двойная спираль быстро крутилась вокруг своей оси, «сбрасывая» возникающую сверхспирализацию. Однако это слишком энергозатратно. Поэтому в клетках реализуется другой механизм. Фермент топоизомераза разрывает одну из нитей, пропускает через разрыв второю и снова сшивает первую. Чем и устраняются возникающие супервитки.

Разошедшиеся в результате действия хеликазы нити матричной ДНК пытаются опять соединиться своими водородными связями. Чтобы этого не произошло, в действие вступают ДНК-связывающие белки . Это не ферменты в том понимании, что реакций они не катализируют. Такие белки прикрепляются к нити ДНК на всем ее протяжении и не дают комплементарным цепям матричной ДНК сомкнуться.

Праймеры синтезируются РНК-праймазой . А удаляются экзонуклеазой . После удаления праймера «дыру» застраивает другой тип полимеразы. Однако при этом отдельные участки ДНК не сшиваются.

Отдельные части синтезируемой цепи сшиваются таким ферментом репликации как ДНК-лигаза .

Информация, записанная в ДНК, должна быть не только реализована в процессе развития клеток и организмов, но и в полном объеме передана следующему поколению. С этой целью перед делением клетки в ней осуществляется процесс репликации , т.е. удвоения количества ДНК.

Информация о механизме репликации содержится в самой ДНК: одни гены кодируют ферменты, синтезирующие предшественники ДНК — нуклеотиды, другие — ферменты, обеспечивающие соединение активированных нуклеотидов в единую цепочку. Механизм репликации был впервые постулирован Дж. Уотсоном и Ф. Криком, которые отмечали, что комплементарность цепей ДНК наводит на мысль, что эта молекула может удваивать саму себя. Они предположили, что для удвоения необходим разрыв водородных связей и расхождение цепей, каждая из которых играет роль матрицы при синтезе комплементарной цепи. В результате одного акта удвоения образуются две двунитиевые молекулы ДНК, в каждой из которых имеется одна материнская нить и одна новая (см. рис.).

Механизм получил название полуконсервативной репликации . Позже матричная природа и постулированный принцип репликации ДНК были подтверждены многочисленными экспериментальными данными.

Репликация ДНК начинается в специфических точках хромосомы — сайтах инициации репликации (origin). Процесс репликации обслуживается большим количеством ферментов. Наиболее полно изучен аппарат репликации бактериальной ДНК, особенно E. coli. Функцию расплетания молекулы ДНК у прокариот выполняют специфические ферменты геликазы , которые используют для работы энергию гидролиза АТФ до АДФ. Они часто функционируют в составе белкового комплекса, осуществляющего перемещение вилки и репликацию расплетенных нитей. Удерживают нити ДНК от воссоединения другие специфические белки, связывающиеся с одноцепочечными участками. Эти участки, разошедшиеся в разные стороны, образуют характерную структуру — репликативную вилку (вилку Кернса). Это — та часть молекулы ДНК, в которой в данный момент осуществляется синтез новой цепи. В продвижении вилки большую роль играет белок гираза , относящийся к разряду топологических изомераз. Он обнаружен только у бактерий. Гираза — это релаксирующий фермент, который, производя двунитиевые разрывы, снимает положительные (перед вилкой) и способствует образованию отрицательных (сзади вилки) супервитков в релаксированной ДНК.

Каждая цепь материнской ДНК служит матрицей для синтеза дочерних молекул. На одной цепи синтез осуществляется непрерывно в направлении от 5" к 3" концу. Эта цепь называется лидирующей. Вторая цепь с противоположной направленностью, называемая отстающей, синтезируется в виде отдельных фрагментов, которые затем сшиваются лигазами в непрерывную молекулу. Фрагменты названы по имени американского ученого Р. Оказаки, впервые постулировавшего такой способ синтеза ДНК, фрагментами Оказаки . В ходе синтеза репликативная вилка перемещается вдоль матрицы, и при этом новые участки ДНК последовательно расплетаются до тех пор, пока вилка не дойдет до точки окончания синтеза (точка терминации).

Синтез новой цепи ДНК требует затравки в виде небольшого фрагмента РНК, т.к. ведущий его фермент ДНК-полимераза для работы нуждается в свободной 3"OH группе. У прокариот обнаружены три разных ДНК-полимеразы с аналогичными функциями, обозначаемые как polI, polII и polIII. Наиболее полно изучена ДНК-полимераза I. Она представляет собой одиночный полипептид с мультифункциональной активностью (полимеразной, 3" → 5" экзонуклеазной и 5" → 3" экзонуклеазной). Синтез затравки (праймера) осуществляет фермент праймаза, который иногда входит в состав комплекса — праймосомы из 15-20 белков, активирующих матрицу. Затравка состоит из 10-60 рибонуклеотидов. После того как ключевой фермент синтеза ДНК у E. coli — polIII — присоединяет к затравке первые дезоксирибонуклеотиды, она удаляется с помощью polI, обладающей 3" → 5" экзонуклеазной активностью, т.е. способностью отщеплять концевые нуклеотиды с 3"-конца цепи. Затравка синтезируется также и в отстающей цепи в начале каждого фрагмента Оказаки. Ее отщепление, а также удлинение фрагментов, синтезированных polIII, осуществляет polI. Роль polII в репликации ДНК E. coli до сих пор не совсем ясна.

При репликации ДНК эукариот процесс репликации осложняется присутствием в составе хромосом белков. Чтобы расплести ДНК, необходимо разрушить сильно конденсированный комплекс ДНК и гистонов, а после репликации вновь осуществить компактизацию дочерних молекул. Раскручивание ДНК вызывает суперспирализацию участков, расположенных рядом с репликационной вилкой. Для снятия возникающего напряжения и свободного продвижения вилки здесь работают специфические ферменты релаксации — топоизомеразы . В различных организмах идентифицированы два типа топоизомераз: I и II типов. Они изменяют степень сверхспирализации и тип сверхспирали, производя разрывы в одной (топоизомеразы I типа) или обеих цепях ДНК (топоизомеразы II типа), и устраняют риск спутывания нитей ДНК.

Репликация бактериальной ДНК является двунаправленным процессом с одним сайтом инициации. В отличие от этого хромосома эукариот состоит из отдельных участков репликации — репликонов и имеет много сайтов инициации. Репликоны могут реплицироваться в разное время и с разной скоростью. Скорость репликации ДНК в эукариотических клетках значительно ниже, чем в прокариотических. У E. coli скорость приблизительно равна 1500 п.н. в секунду, у эукариот — 10-100 п.н. в секунду. Двуцепочечные кольцевые ДНК некоторых вирусов реплицируются по типу катящегося кольца. В этом случае одна цепь ДНК надрезается в одном месте специфическим ферментом и к образовавшемуся свободному 3"ОН-концу с помощью фермента polIII начинают присоединяться нуклеотиды. Матрицей служит внутренняя кольцевая молекула. Надрезанная цепь при этом вытесняется, а затем удваивается по типу отстающей цепи E. coli с образованием фрагментов, которые сшиваются лигазами.

1. Инициация.

Репликация начинается в строго определенных участках ДНК – точках начала репликации – ori (от англ. origin - начало). Здесь находятся специфические последовательности нуклеотидов – ДНК-боксы, распознаваемые инициаторным белком, с которым связываются впоследствии другие ферменты репликации. Поскольку синтез ДНК происходит только на одноцепочечной матрице, ему должно предшествовать обязательное разделение двух цепей ДНК, т.е. подготовка матрицы, которая включает в себя следующие процессы:

· ДНК-геликазы расплетают двойную спираль ДНК с использованием энергии АТФ. Участок начала расхождения цепей называется репликативной вилкой из-за характерной Y-образной формы.

· ДНК-топоизомеразы снимают топологическое напряжение (суперспирализацию) при раскручивании ДНК. Для этого фермент сначала разрывает цепь ДНК, затем ковалентно присоединяется к разорванному концу. Эта связь обладает значительной энергией, поэтому реакция обратима и не требует дополнительных энергетических затрат. Обнаружено 2 типа топоизомераз: топоизомераза I (вносит однонитевые разрывы) и топоизомераза II (вносит двунитевые разрывы в ДНК).

· SSB-белки (от англ. single-strand DNA-binding proteins) связываются с одноцепочечными участками и стабилизируют расплетенный дуплекс, препятствуя образованию шпилек.

ДНК-матрица готова. Теперь необходимо к каждой из цепей материнской молекулы ДНК достроить из имеющихся в клетке дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (dNTP) комплементарную цепь. Ферменты, катализирующие детерминируемую ДНК-матрицей реакцию присоединения дезоксирибонуклеотидов, называются ДНК-полимеразами (ДНКП).

Первая ДНК-полимераза была обнаружена в 1957 г. А. Корнбергом, а в 1959 г. за открытие механизма биосинтеза ДНК ему была присуждена Нобелевская премия.

Наиболее хорошо изучены ДНКП у прокариот:

· ДНКП I. Функции:

5’-3’ – экзонуклеаза (может удалять 5’-концевой нуклеотид)

· ДНКП II. Роль до конца неясна. В репликации не участвует.

· ДНКП III. Основной фермент репликации. Функции:

Полимераза (соединяет нуклеотиды фосфодиэфирными связями),

3’-5’ – экзонуклеаза (может удалять 3’-концевой нуклеотид)

ДНКП обладают двумя особенностями:

Во-первых, ДНК-полимеразы не могут начинать синтез ДНК, а способны только добавлять новые дезоксирибонуклеотидные звенья к 3’-концу уже имеющейся полинуклеотидной цепи. Следовательно, ДНКП нуждается в затравке. Затравка (праймер), необходимая для работы ДНКП, состоит из РНК (примерно 15-17 нуклеотидов) и синтезируется ферментом праймазой. Праймаза связывается с геликазой и ДНК, формируя структуру, называемую праймосомой. Затем ДНКП III присоединяется к праймеру и удлиняет цепь.

Во-вторых, синтез новой цепи полимеразы осуществляют только в направлении 5’-3’ вдоль матричной цепи, ориентированной антипараллельно, т.е. 3’-5’. Синтез цепей в обратном направлении не происходит никогда, поэтому синтезируемые цепи в репликативной вилке должны расти в противоположных направлениях. Синтез одной цепи (ведущей, лидирующей) происходит непрерывно, а другой (отстающей) – фрагментами. Ведущая цепь растет от 5’- к 3’ – концу в направлении движения репликативной вилки и нуждается только в одном акте инициации. Рост отстающей цепи также идет от 5’ - к 3’ –концу, но в направлении, противоположном движению репликативной вилки. Для синтеза отстающей цепи должно происходить несколько актов инициации, в результате чего образуется множество коротких цепей (фрагменты Оказаки), длина которых у прокариот составляет 1000-2000 нуклеотидов.

В начале каждого фрагмента Оказаки находится РНК-праймер, который необходимо удалить, т.к. рибонуклеотиды не должны присутствовать в составе ДНК. ДНКП I за счет своей 5’-3’-экзонуклеазной активности удаляет праймер и замещает его дезоксирибонуклеотидами. Брешь между двумя соседними фрагментами Оказаки зашивается ферментом ДНК-лигазой с использованием энергии АТФ.

2. Элонгация (удлинение цепи).

Комплекс ферментов репликации, называемый реплисомой, движется вдоль молекулы ДНК-матрицы, расплетая ее и наращивая комплементарные цепи ДНК.

3. Терминация (окончание репликации).

В ДНК имеются сайты терминации репликации, содержащие специфические последовательности, с которыми связываются терминаторные белки, препятствующие дальнейшему продвижению репликативной вилки. Синтез ДНК заканчивается.

Мы с вами ранее отметили, что кроме полимеразной активности, ДНКП обладают еще и 3’-5’ – экзонуклеазной. Она необходима для коррекции, т.е. удаления неправильно встроенного нуклеотида. ДНКП дважды проверяет соответствие каждого нуклеотида матрице: один раз перед включением его в состав растущей цепи, второй раз перед тем, как включить следующий нуклеотид.

Скорость репликации у прокариот составляет 500 нуклеотидов /сек.

Способы репликации

· θ-тип. Репликативный глазок расширяется в противоположных направлениях вдоль кольцевой молекулы ДНК. При этом образуется промежуточная структура, напоминающая греческую букву θ. Характерен для прокариот и некоторых вирусов.

· σ-тип (механизм «катящегося кольца»). Репликация начинается с разрыва фосфодиэфирной связи в одной из цепей родительской кольцевой молекулы. ДНКП присоединяется к свободному 3’ –концу и наращивает новую цепь. Промежуточная структура имеет форму буквы σ. Этот тип репликации обнаружен у некоторых вирусов, в частности, у бактериофага лямбда.

· Репликация линейных молекул с образованием нескольких репликативных вилок, движущихся друг к другу. Характерна для всех эукариот и вирусов с линейными молекулами ДНК.

Особенности репликации у эукариот

1. Репликация идет в S-период митотического цикла клетки.

2. В одной молекуле ДНК много репликонов, т.е. имеется несколько точек начала репликации.

3. ДНП-полимеразы:

· α – ДНК-полимераза. Основной фермент репликации. Обладает также и активностью праймазы. Синтезирует фрагменты Оказаки.

· β – ДНК-полимераза – фермент репарации (устраняет повреждения ДНК).

· γ – ДНК-полимераза обеспечивает синтез митохондриальной ДНК

· δ – ДНК-полимераза участвует в синтезе ведущей цепи.

4. Длина фрагментов Оказаки составляет 100-200 нуклеотидов.

5. Скорость репликации 50 нуклеотидов / сек.

6. Есть фермент теломераза, удлиняющий перед репликацией 3’-конец ДНК, т.к. каждый раз после репликации длина 3’-конца линейной молекулы ДНК уменьшается на размер праймера. Нарушения удлинения теломер связаны с канцерогенезом и старением.

Таким образом, из рассмотренного выше материала мы можем сделать вывод, что биологический смысл репликации заключается в точном воспроизведении генетической информации, что необходимо для того, чтобы наследственный материал дочерних клеток был идентичен наследственному материалу материнской клетки. Это очень важно как для развития и нормального функционирования многоклеточных организмов, так и для осуществления вегетативного размножения.

Является молекулой наследственности, то для реализации этого качества она должна точно копировать саму себя и таким образом сохранять всю имеющуюся в исходной молекуле ДНК информацию в виде определенной последовательности нуклеотидов. Это обеспечивается за счет особого процесса, предшествующего делению любой клетки организма, который называется репликацией ДНК.

Суть репликации днк заключается в том, что специальный фермент разрывает слабые водородные связи, которые соединяют между собой нуклеотиды двух цепей. В результате цепи ДНК разъединяются, и из каждой цепи «торчат» свободные азотистые основания (возникновение так называемой вилки репликации). Особый фермент ДНК-полимераза начинает двигаться вдоль свободной цепи ДНК от 5- к З-концу (лидирующая цепь), помогая присоединиться свободным нуклеотидам, постоянно синтезируемым в клетке, к З"-концу вновь синтезируемой цепи ДНК. На второй нити ДНК (отстающая нить) новая ДНК образуется в виде небольших сегментов, состоящих из 1000-2000 нуклеотидов (фрагменты Оказаки).

Для начала репликации днк фрагментов этой нити требуется синтез коротких фрагментов РНК (о характерных особенностях РНК будет сказано ниже) как затравок, для чего используется особый фермент — РНК-полимераза (праймаза). Впоследствии праймеры РНК удаляются, в образовавшиеся бреши встраивается ДНК с помощью ДНК полимеразы I. Таким образом, каждая цепь ДНК используется как матрица или шаблон для построения комплементарной цепи и репликация ДНК является полуконсервативной (т.е. одна нить в новой молекуле ДНК — «старая», а вторая — новая).

Для репликации лидирующей и отстающей цепей клеткой используют разные ферменты. В результате репликации образуются две новые абсолютно идентичные молекулы ДНК, идентичные также исходной молекуле ДНК до начала ее редупликации (более подробно процесс репликации ДНК показан на рис. 3.5). ДНК-полимераза, как и любой другой фермент, существенно ускоряет процесс присоединения комплементарных нуклеотидов к свободной цепи ДНК, однако химическое сродство аденина к тимину, а цитозина к гуанину столь велико, что они соединяются друг с другом и в отсутствие ДНК-полимеразы в простой реакционной смеси.

Можно сказать, несколько упрощая, что феномен точного удвоения молекулы ДНК, в основе которого лежит компле-ментарность оснований этой молекулы, составляет молекулярную основу наследственности. Скорость репликации ДНК у человека относительно низкая и для того, чтобы обеспечить репликацию ДНК любой хромосомы человека, требовались бы недели, если бы репликация начиналась из одной точки. На самом деле в молекуле ДНК любой хромосомы, а-каждая хромосома человека содержит только одну молекулу ДНК, имеется множество мест инициации репликации (репликонов). От каждого репликона репликация идет в обоих направлениях до тех пор, пока соседние репликоны не сливаются. Поэтому репликация ДНК в каждой хромосоме протекает относительно быстро.

Реплика?ция (от лат. replicatio — возобновление) — процесс синтеза дочерней молекулы ДНК на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15-20 различных белков, называемый реплисомой (англ. replisome)

Репликация ДНК — ключевое событие в ходе деления клетки. Принципиально, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определёнными механизмами регуляции репликации ДНК.

Репликация проходит в три этапа:

1. Инициация репликации

2. Элонгация

3. Терминация репликации.

Регуляция репликации осуществляется в основном на этапе инициации. Это достаточно легко осуществимо, потому что репликация может начинаться не с любого участка ДНК, а со строго определённого, называемого сайтом инициации репликации. В геноме таких сайтов может быть как всего один, так и много. С понятием сайта инициации репликации тесно связано понятие репликон. Репликон — это участок ДНК, который содержит сайт инициации репликации и реплицируется после начала синтеза ДНК с этого сайта. Геномы бактерий, как правило, представляют собой один репликон, это значит, что репликация всего генома является следствием всего одного акта инициации репликации.

Геномы эукариот (а также их отдельные хромосомы) состоят из большого числа самостоятельных репликонов, это значительно сокращает суммарное время репликации отдельной хромосомы. Молекулярные механизмы, которые контролируют количество актов инициации репликации в каждом сайте за один цикл деления клетки, называются контролем копийности. В бактериальных клетках помимо хромосомной ДНК часто содержатся плазмиды, которые представляют собой отдельные репликоны. У плазмид существуют свои механизмы контроля копийности: они могут обеспечивать синтез как всего одной копии плазмиды за клеточный цикл, так и тысяч копий.

Репликация начинается в сайте инициации репликации с расплетания двойной спирали ДНК, при этом формируется репликационная вилка — место непосредственной репликации ДНК. В каждом сайте может формироваться одна или две репликационные вилки в зависимости от того, является ли репликация одно- или двунаправленной. Более распространена двунаправленная репликация. Через некоторое время после начала репликации в электронный микроскоп можно наблюдать репликационный глазок — участок хромосомы, где ДНК уже реплицирована, окружённый более протяжёнными участками нереплицированной ДНК.

В репликационной вилке ДНК копирует крупный белковый комплекс (реплисома), ключевым ферментом которого является ДНК-полимераза. Репликационная вилка движется со скоростью порядка 100 000 пар нуклеотидов в минуту у прокариот и 500-5000 — у эукариот.

Молекулярный механизм репликации:

Ферменты (хеликаза, топоизомераза) и ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностью ДНК-полимеразы, способной распознать и исправить ошибку. Репликация у эукариот осуществляется несколькими разными ДНК-полимеразами (в отличие от репликации ДНК у прокариот).

ДНК-полимераза I действует на запаздывающей цепи для удаления РНК-праймеров и дорепликации очищенных мест ДНК. ДНК полимераза III — основной фермент репликации ДНК, осуществляющий синтез ведущей цепи ДНК и фрагментов Оказаки при синтезе запаздывающей цепи (фрагменты Оказаки - относительно короткие фрагменты ДНК, которые образуются на отстающей цепи в процессе репликации ДНК). Далее происходит закручивание синтезированных молекул по принципу суперспирализации и дальнейшей компактизации ДНК. Синтез энергозатратный.

Цепи молекулы ДНК расходятся, образуют репликационную вилку, и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.