7.Механизм и энзимология репликации днк.

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.