17 Механизм репликации днк и сохранения нуклеотидной последовательности.

Одним из основных свойств материала наследственности является его способность к самокопированию – репликации. Оно обеспечивается существованием двух комплементарных нуклеотидных цепей ДНК: в процессе репликации на каждой из двух комплементарных цепей материнской молекулы синтезируется комплементарная ей цепь; образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называется полуконсервативным. Он заключается в разделении двойной спирали ДНК на две самостоятельные молекулы с последующим синтезом возле каждой из них комплементарной молекулы. В результате возникают две идентичные двойные спирали.

Репликация начинается с разделения цепей материнской молекулы. Расплетание в отдельных зонах осуществляется ферментом геликазой. Образующиеся одноцепочечные участки связываются специальными дестабилизирующими белками, которые выстраиваются вдоль полинуклеотидных цепей и делают азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами. Область расхождения полинуклеотидной цепи в зоне репликации называется репликационной вилкой. В каждой такой зоне при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется ДНК двух новых дочерних молекул. В процессе синтеза репликационаня вилка движется вдоль материнской спирали, захватывая новые области. Репликация молекулы ДНК представлена на рисунке 1.

При разделении каждого репликона остающаяся неразделенной материнская молекула должна сделать один полный оборот вокруг своей оси, что должно вызвать ее вращение. Однако это не происходит благодаря тому, что белок топоизомераза разрывает одну из цепей ДНК. Таким образом это позволяет молекуле вращаться вокруг второй цепи и снять накопившееся в ней напряжение.

Рис.1 –Репликация молекулы ДНК. После разделения двух Рис.2 – Белки, участвующие в процессе репликации ДНК

комплементарных полинуклеотидных цепей, к каждой из

них достраивается дочерняя комплементарная цепь

К свободным водородным связям разделенных нуклеотидных цепей с помощью фермента ДНК-полимеразы подсоединяются свободные нуклеотиды из нуклеоплазмы (внутриядерной плазмы), где они присутствуют в виде дезоксирибонуклеотидтрифосфатов дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ. Нуклеотид дАТФ образует водородную связь АТ с комплиментарным тимином (Т). Аналогично образуются связи: ТА (дТТФ и А - аденин), ГЦ (дГТФ и Ц - цитозином), ЦГ (дЦТФ и Г - гуанин).

Далее вновь подсоединенный нуклеотид при участии ДНК-полимеразы связывается фосфорнодиэфирной связью с предшествующим нуклеотидом вновь синтезируемой цепи, отдавая органический пирофосфат. Реакция протекает в две стадии. Сначала в результате гидролиза от молекулы дезоксирибонуклеозидтрифосфата (ДФ) отделяется пирофосфат, а к освободившейся валентной связи атома кислорода нуклеотида присоединяется атом водорода, отнятый от молекулы воды. Далее образовавшийся остаток фосфорной кислоты нуклеотида соединяется с концом 3^/ ранее построенной нуклеотидной цепи, образуя диэфирную связь. При этом выделяется молекула воды. Поскольку фермент ДНК-полимераза присоединяет очередной нуклеотид к ОН-группе 3^/-положения предшествовавшего нуклеотида, цепь постепенно удлиняется на ее 3^/-конце.

Способность ДНК-полимеразы осуществлять сборку полинуклеотидной цепи только в одном направлении - от конца 5^/ к концу 3^/ означает, что процесс репликации в комплементарных цепях происходит по-разному. Синтез первой цепи идет непрерывно. Синтез второй цепи ДНК производится короткими фрагментами Оказаки по принципу шитья «назад иголкой» – также от конца 5^/ к концу 3^/.

Репликационная вилка является асимметричной: из двух синтезируемых цепей первая строится быстрее – она называется лидирующей. Синтез второй – запаздывающей цепи идет медленнее. Конечным результатом процесса репликации является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых идентична последовательности нуклеотидов в каждой из двух комплементарных цепей материнской молекулы. Скорость синтеза ДНК в области репликационной вилки у эукариот составляет 100 нуклеотидов/секунду.

Такая высокая скорость обусловлена координированной работой системы, состоящей из многих ферментов – в общей сложности в процессе репликации молекулы ДНК принимает участие более шести различных видов белковых молекул, совместно действующих в области репликационной вилки.

ДНК-геликаза расплетает двойную спираль ДНК, разделяя ее полинуклеотидные цепи. Дестабилизирующие белки выпрямляют участок цепи ДНК. ДНК-топоизомераза разрывает фосфодиэфирную связь в одной из полинуклеотидных цепей, снимая напряжение, вызванное расплетением спирали и расположением цепей в репликационной вилке. РНК-праймаза синтезирует РНК-затравки. ДНК-полимераза осуществляет непрерывный синтез лидирующей цепи и синтез фрагментов Оказаки отстающей цепи; ДНК-лигаза сшивает фрагменты Оказаки после удаления РНК-затравки. Фрагмент ДНК от точки начала репликации до ее окончания образует репликон. Однажды начавшись, процесс репликации продолжается до тех пор, пока весь репликон не будет дуплицирован.

Эукариотические клетки содержат большое число репликонов, и удвоение молекулы ДНК, расположенной вдоль хромосомы, начинается в нескольких точках. В разных репликонах удвоение может идти в разное время или одновременно.