Репликация ДНК
Репликация (редупликация) – процесс синтеза ДНК по матрице ДНК (самоудвоение обоих цепей ДНК)Основные характеристики:
1) Происходит в синтетический (S) период интерфазы клеточного цикла;
2) Обеспечивает точное копирование генетического материала в клетке;
3) Происходит с большой скоростью и точностью, однако могут возникать ошибки, которые устраняются в процессе репарации (восстановление ДНК) с помощью специальных корректирующих белков;
4) Протекает: у эукариот – в ядре и полуавтономных органоидах (митохондрии и хлоропласты) у прокариот – в цитоплазме.
В основе процесса лежат четыре основных принципа:
1) Комплементарность
2) Антипараллельность
Две цепи в молекуле ДНК антипараллельны:
цепь 1: 3’–ТТТ–ААА–ГГГ–5’цепь 2: 5’–ААА–ТТТ–ЦЦЦ–3’.
3) Полуконсервативный синтез
На каждой цепи исходной молекулы ДНК синтезируется вторая, недостающая цепь по принципу комплементарности. Каждая новая ДНК состоит из одной исходной и одной новой цепи ДНК.
4) Челночный синтез
Синтез новой цепи на одной из исходных (материнских) цепей идёт непрерывно, а на другой — фрагментами (фрагменты Оказаки) в обратном направлении. Затем фрагменты соединяются между собой в непрерывную цепь.
Процессы репликации протекают в 3 стадии
I. Инициация (запуск/начало)
1) Фермент хеликаза (геликаза) присоединяется к молекуле и разрушает водородные связи между комплементарными парами нуклеотидов двух цепей (т.е. происходит расплетание нитей двуспиральной ДНК);
2) Образуются точки начала репликации (точки Ориджин «Ori») и репликационные (репликативные) вилки – Y–подобные участки (у прокариот одна точка начала репликации, у эукариот много точек начала репликации (скорость репликации увеличивается));
3) Белки, связывающие одноцепочечную ДНК (SSB–белки), присоединяются к каждой из цепей и стабилизируют раскрученную материнскую цепь, препятствуют ее разрушению и восстановлению двуцепочечной структуры;
4) Фермент РНК–праймаза присоединяется к исходной цепи и осуществляет интез короткого фрагмента (5–10 нуклеотидов) – РНК–праймера (затравки).
II. Элонгация (удлинение/наращивание дочерних цепей ДНК)
1) Фермент ДНК–полимераза присоединяется к точке начала репликации и, передвигаясь по репликационной вилке, соединяет между собой нуклеотиды в направлении 5’–3’, тем самым достраивая новые (дочерние) цепи;
2) При синтезе дочерних цепей, одна из них оказывается лидирующей (ведущей), а другая – отстающей (запаздывающей):
- Лидирующая (ведущая) цепь – исходная материнская цепь имеет направление 3’–5’, по правилу антипараллельности синтез (сшивка фрагментов) на ней идет непрерывно в направлении от 5' конца нуклеотида к 3' концу нуклеотида;
- Отстающая (запаздывающая) цепь – исходная материнская цепь уже имеет направление 5’–3’. Поскольку у дочерней цепи всегда удлиняется 3’– конец (синтез идет в направлении 5’–3’), то для соблюдения правила антипараллельности синтез ее идет в обратном исходной (материнской) цепи направлении фрагментами – фрагменты Оказаки, которые позже (после синтеза нескольких фрагментов) сшиваются с помощью фермента ДНК–лигазы.
Следовательно, синтез на лидирующей цепи идет быстрее, чем на отстающей.
III. Терминация (окончание)
1) С вновь синтезированных молекул ДНК снимаются все белковые факторы, ферменты;
2) Обе молекулы приобретают соответствующую вторичную структуру (двойную спираль);
3) Процесс синтеза ДНК окончен.
*Раскручивание двойной спирали в точке начала репликации способствует более сильному скручиванию (суперскручиванию/ сверхспирализации), которое распространяется в направлении от репликационных вилок, вызывает напряжение в связях в молекуле и может привести к разрывам в ДНК. Топоизомераза делает однонитевой разрыв в таком суперскрученном месте, даёт ДНК раскрутиться, и сшивает этот разрыв обратно. То есть данный фермент ослабляет напряжение, вызванное расплетением двойной спирали.
После открытия структуры ДНК было выдвинуто 3 гипотезы ее самоудвоения (репликации):
1) Консервативная репликация
Двуцепочечная молекула ДНК служит матрицей для синтеза новой молекулы ДНК, т.е. новая ДНК является полной копией исходной материнской молекулы ДНК.
2) Полуконсервативная репликация
На каждой цепи исходной материнской молекулы ДНК синтезируется вторая недостающая цепь по принципу комплементарности. Каждая новая ДНК состоит из одной исходной (материнской) и одной новой (дочерней) цепи ДНК.
3) Фрагментарная (дисперсионная) репликация
Молекула ДНК распадается на короткие фрагменты, которые используются в качестве матрицы для достройки недостающих фрагментов новых молекул ДНК. Образованные таким способом молекулы ДНК должны состоять из чередующихся фрагментов исходной молекулы и вновь синтезированных.
В 1958 году М. Мезельсон и Ф. Сталь провели экспериментальную проверку этих гипотез:
• На протяжении нескольких поколений они выращивали бактерию кишечной палочки Escherichia coli на питательной среде, содержащей «тяжелый» азот 15N. Через несколько поколений ДНК всех бактерий содержал азот 15N;
• Методом центрифугирования эти ДНК были выделены из клеток в виде отдельной фракции, что доказывало следующее: ДНК всех бактерий имеют одинаковый изотопный состав (азот 15N);
• Бактерии, содержащие в ДНК только изотоп 15N, были перенесены на питательную среду с обычным изотопом азота 14N. После первого деления было проведено центрифугирование ДНК, в результате которого выяснилось, что ДНК дочерних клеток первого поколения имела массу, среднюю между «легкой» ДНК, содержащей только 14N, и «тяжелой», включающей только 15N. То есть такая «гибридная» ДНК содержала одновременно 14N и 15N. Это противоречило гипотезе о консервативном механизме репликации, согласно которой ДНК должна была разделиться на две фракции — «легкую» и «тяжелую»;
• Для проверки оставшихся гипотез выделили ДНК дочерних клеток 2-го поколения, которая разделилась на «легкую» (14N) и «гибридную» (14N/15N). Так отпала версия о фрагментарной репликации ДНК, так как согласно ей новые ДНК должны были содержать только смесь изотопов 14N/15N.
Теория — это только половина успеха. Закрепите знания на практике, решив задания по репликации ДНК в Банке заданий для ЕГЭ.
Популярные статьи
Дата публикации: 09.10.2025 21:50
Поделиться