Как ген воспроизводится: репликация ДНК
Репликация - это матричный процесс, лежащий в основе воспроизведения генетической информации и последующей передачи её следующему поколению клеток в процессе деления (митоза).
Структура молекулы ДНК - двойная спираль, основанная на водородных связях между комплементарными нуклеотидными основаниями - дает возможность точного воспроизводства, репликации молекул на своей же основе. Никакая другая органическая молекула к этому не способна.
Матрицей являются обе спирали ДНК, продуктами матричного синтеза - комплементарные им новые спирали.
Репликация в основном происходит в период S-интерфазы, но некоторые участки ДНК (район центромеры, например) имеют более растянутый во времени процесс, вплоть до начала профазы митоза.
Из трех имеющихся гипотез о принципе механизма репликации (Дельбрюк, Стент, 1957) наиболее распространенным в живом мире оказался полуконсервативный механизм репликации. Именно так представляли этот процесс Дж.Уотсон и Ф.Крик (1953г.)
Суть его в том, что молекула ДНК разделяется продольно с помощью ферментов на две спирали и по мере их отделения происходит присоединение к освободившимся нуклеотидам свободных, имеющихся в кариоплазме нуклеотидов. В результате каждая спираль достраивается снова до двойной, а вместо одной молекулы ДНК получается две, совершенно идентичных. Таким образом, хромосома становится двухроматидной.
Две другие гипотезы принципа репликации: консервативная (исходная молекула ДНК - матрица для образования совершенно новой другой двухцепочечной молекулы) и дисперсионная (распад исходной ДНК на фрагменты, их репликация и последующее соединение) оказались маловероятными и, возможно, встречаются лишь у некоторых вирусов, как исключение.
Полуконсервативный механизм репликации ДНК, доказанный М.Мезельсоном и Ф.Сталем (1957), оказался универсальным для воспроизведения генетического материала и показал справедливость модели структуры ДНК, описанной Дж.Уотсоном и Ф.Криком.
Процесс репликации протекает весьма сходно в клетках пpoll эукариот, однако имеются несущественные особенности, из которых можно выделить следующие:
□ У прокариот хромосома представлена одним репликоном, т.е. имеет одну начальную точку, или вилку редупликации. У эукариот хромосомы разделены на отдельные участки - репликоны, т.е. вилок редупликации может быть достаточно много.
□ Скорость репликации у прокариот выше, чем у зукариот. Так, у E.coli скорость репликации 1500-3000 п.н./сек, а у эукариот в среднем 160-300 п.н./сек. Одна из причин этого: ДНК прокариот не связана с гистонами, как у эукариот.
Энзимология репликации Механизм репликации ДНК требует участия в нем многих ферментов, так как нужно обеспечить разделение комплементарных цепей ДНК, закрученных одна вокруг другой, а также собрать из свободных нуклеотидов две новые спирали.
В разделении цепей ДНК участвуют ферменты, относящиеся к классу топоизомераз. Один из таких ферментов - топоизомераза II или гираза переводит ДНК в состояние отрицательной сверх- спирализации. Это необходимо для того, чтобы снять положительные сверхвитки, возникающие при раскручивании двойной спирали. Затем другая топоизомераза - хеликаза - раскручивает эту сверхспираль, происходит "плавление" ДНК или разъединение спиралей. Процессы АТФ-зависимы, т.е. требуют затрат энергии. Особые белки удерживают однонитевые участки ДНК, обеспечивая возможность репликации.Синтез новых цепей может происходить только в направлении 5'-~>3', поэтому только одна из разъединенных цепей может синтезироваться непрерывно. Это будет цепь 3' .5", и её называют лидирующей.
Другая цепь, 5'..... 3', называется отстающей и синтезируется
только в виде фрагментов из 100-200 нуклеотидов (фрагменты Оказаки).
Синтез как на лидирующей цепи, так и на фрагментах Оказа- ки начнется с синтеза короткого участка РНК (10-60 нуклеотидов) при участии РНК-полимеразы-праймазы. Этот участок, называемый РНК-затравкой или праймером. затем удаляется как с 5' конца модифицирующей цепи, так и с 5'-концов фрагментов Оказаки с помощью фермента ДНК-полимеразы I, действующей как 3'—>5' экзонуклеаза. У эукариот эту роль, вероятно, выполняет ДНК- полимераза р.
Основную работу по синтезу новых цепей ДНК выполняет фермент ДНК-полимераза III у прокариот, а у эукариот ДНК- полимераза а. ДНК-полимера за I (или р ■■ у эукариот), после уда~ ления праймеров заполняет получившиеся однонитевые бреши комплементарными нуклеотидами, а также выполняет корректорские функции: исправляет ошибки, допущенные ДНК- полимеразой III, удаляя неправильно поставленные нуклеотиды и заменяя их нужными.
Еще один класс ферментов - ДНК-лигазы осуществляют соединение фрагментов Оказаки, формируя целостную систему. У эукариот выделяют также ДНК-полимеразу-у, которая, видимо, участвует в репликации мтДНК.