Репликация ДНК

Репликация ДНК происходит так называемым полуконсервативным способом: на каждой цепи старой молекулы образуется новая, комплементарная цепь (рис. 6.1). В качестве элементарных блоков для построения новой ДНК в клетке синтезируются трифосфаты четырех дезоксирибонуклеозидов – dG, dC, dT и dA. В качестве матрицы («шаблона») для синтеза ДНК служит имеющаяся видоспецифичная двухцепочечная молекула ДНК. К обеим цепям пристраиваются комплементарные нуклеозидтрифосфаты (dNTP) по принципу спаривания оснований; с помощью полимераз они связываются в новую нуклеотидную цепь, причем от каждого из них отщепляется пирофосфат (рис. 6.2).

Рис. 6.1. Теоретически вероятные механизмы репликации

(—–– – нити материнской ДНК, - - - – вновь синтезированные нити ДНК)

А	Б	В	Г

Рис. 6.2. Репликация ДНК. А. Исходная молекула ДНК. Б. Репликация в результате спаривания комплементарных оснований и образования полинуклеотидной цепи при участии полимеразы. В. Связывание фрагментов Оказаки лигазой. Г. Две дочерние молекулы ДНК – результат полуконсервативной репликации

При репликации из одной молекулы двухцепочечной ДНК образуются две молекулы, идентичные друг другу и исходной молекуле. Это служит предпосылкой сохранения видоспецифической наследственной информации в ряду поколений клеток и организмов, предпосылкой значительного постоянства видов.

Репликация бактериальных геномов и других кольцевых молекул ДНК начинается в определенной, генетически фиксированной «точке старта». В хромосомах эукариот имеется по нескольку таких начальных точек.

Репликация ДНК происходит по частям. Реплицированные последовательности из 1000-2000 нуклеотидов называют фрагментами Оказаки. На обеих старых цепях новаяполинуклеотидная цепь синтезируется в направлении 5'→3' (рис. 6.2, В). Начинаясь от точки старта, репликация осуществляется последовательно на отдельных участках; при этом у эукариот и многих бактерий она идет вдоль двойной спирали ДНК не только в одном направлении, но и в противоположном. ДНК-полимеразы могут присоединять нуклеотиды только к свободному 3'-ОН-концу нуклеотида, уже связанного со старой цепью ДНК. Только РНК-полимеразы в состоянии связать первый нуклеотид с ДНК и начать новую полинуклеотидную цепь. Поэтому для того, чтобы мог синтезироваться фрагмент Оказаки, сначала должен быть пристроен короткий отрезок РНК (как при транскрипции). Эта последовательность РНК из 1-10, реже около 50 нуклеотидов называется затравкой (или праймером) и синтезируется РНК-полимеразой, или примазой. От 3'-конца затравки с помощью ДНК-полимеразы IIIначинается синтез ДНК-фрагмента Оказаки, продолжающийся до конца данного фрагмента. Следующий фрагмент Оказаки опять начинается с РНК-затравки. ДНК-полимераза I удаляет затравки, а пропуски заполняются путем синтеза цепи ДНК (как при репарации с удалением участка), присоединяемой к предыдущему фрагменту Оказаки. Затем фермент лигаза связывает между собой синтезированные отрезки ДНК.

Для репликации двойная спираль ДНК раскручивается ферментами. Репликация на старой цепи, идущей от точки старта в направлении 3'→5' (правая цепь на рис. 6.2), может идти непрерывно вдоль двойной спирали, раскрывающейся подобно застежке-молнии. Репликация на другой цепи происходит отдельными фрагментами, так как на этой цепи новая цепь должна синтезироваться в противоположном направлении (тоже соответствующем направлению 3' → 5' старой цепи).

Спаривание оснований при участии ДНК-полимеразы происходит почти безошибочно. Перед связыванием нового нуклеотида дополнительно проверяется, правильным ли было предыдущее спаривание. Если оно было ошибочным, неподходящий нуклеотид удаляется благодаря 3'→5'-эндонуклеазной активности полимеразы.

При репликации бактериальных ДНК и других кольцевых ДНК-структур в конечном итоге получаются две идентичные кольцевые молекулы ДНК. У эукариот различные репликационные участки хромосомы в конце концов объединяются (рис. 6.3), так что после завершения фазы S в каждой хромосоме находятся две молекулы двухцепочечной ДНК, которые становятся двумя идентичными хроматидами.

Рис. 6.3. Репликация ДНК.Отрезок эукариотической хромосомы с несколькими стартовыми пунктами

Структура, способная к репликации (например, хромосома, плазмида, вирусный геном), называется репликоном. Только структуры со свойствами репликона могут сохраняться в ряду поколений, т.е. наследоваться. ДНК способна к репликации благодаря наличию специфического участка, который может служить стартовым пунктом для репликации. Наименьшие встречающиеся в природе репликоны – это мелкие плазмиды. Для инициации процесса репликации необходимы только 436 нуклеотидов. Их последо­вательность установлена. Кроме этой начальной последовательности нужен еще участок, кодирующий структуру белка, который распознает эту последовательность.

У эукариот репликация ДНК происходит в интерфазе. У бактерий репликация ДНК начинается в условиях, благоприятных для роста (причем несколько циклов репликации один за другим).