Загальна характеристика реплікації днк Основні принципи
Реплікація ДНК має ряд принципових особливостей.
а) По-перше, субстратами, з яких синтезуються нові ланцюги ДНК, є дезоксинуклеозидтрифосфати (дНТФ), а не дезоксинуклеозидмонофосфати (дНМФ), які входять до складу ДНК.
Тому в ході включення в ланцюг ДНК від кожного нуклеотиду відщепляються 2 фосфатні залишки (у вигляді пірофосфату, який незабаром гідролізується до фосфатів) :
вільні дНМФ →залишки дНТФ в нових ланцюгах ДНК + пірофосфат
Використання саме дНТФ, а не дНМФ, пояснюється енергетичними причинами: утворення міжнуклеотидного зв'язку вимагає енергії; джерелом її і служить розрив міжфосфатного зв'язку.
б) По-друге, реплікація ДНК - матричний процес: кожен ланцюг ДНК, що синтезується (дочірня), будується, використовується як матриця один з ланцюгів початкової (батьківської) ДНК.
Основою при цьому є принцип комплементу: з чотирьох можливих нуклеотидів (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ) до складу зростаючого ланцюга включається в даний момент той, який комплементарний нуклеотиду у відповідному положенні і батьківському ланцюгу.
в) В третіх, процес (на відміну, наприклад від синтезу РНК) є симетричним: матрицями служать обидва ланцюги батьківської ДНК (мал. 1.9).
Також його можна назвати напівконсервативним: після закінчення процесу вихідні молекули ДНК будуть наполовину оновленними. У кожній з дочірних молекул один ланцюг - батьківський (на мал. 1.9 показана суцільною лінією), а друга – новосинтезована (пунктирна лінія).
г) Нарешті, дуже важливий момент торкається напрямку зростання і полярності ланцюгів ДНК.
Подовження ланцюга ДНК (чи окремого її фрагмента) завжди відбувається в напрямі від 5'- кінця до 3'- кінця. Це означає, що черговий новий нуклеотид приєднується до 3'- кінця зростаючого ланцюга.
Крім того, оскільки в будь-якій молекулі ДНК комплементарні ланцюги антипараллельні, то і зростаючий ланцюг антипараллельна матричному ланцюгуа. Отже, остання прочитується у напрямі 3' → 5'.
Особливості механізму
Відмітимо ще декілька менш принципових, але достатньо важливих особливостей, які можна віднести до механизму реплікації ДНК.
а) Процес реплікації здійснюється складним ферментним комплексом (що налічує до 15-20 різних білків). Ключові компоненти цього комплексу ми вкажемо пізніше. Зараз же підкреслимо, що при реплікації ДНК у еукаріот на кожній хромосомі працює не один, а відразу велика кількість таких комплексів.
Іншими словами, на хромосомі є багато точок початку реплікації ДНК. І подвоєння ДНК здійснюється не послідовно від одного кінця до іншого, а одночасно в багатьох місцях відразу.
Це значно скорочує тривалість процесу. Так, в сперматогоніях на одній хромосомі в середньому близько 40 точок початку реплікації, і S-фаза триває, як вже відзначалося, 15 годин. На відміну від цього, в прелептотенних сперматоцитах хромосоми мають в середньому всього по 5-6 таких точок, тому реплікація подовжується до 100 годин.
б) В кожній вказаній точці починають працювати два ферментних комплекси: один переміщається по молекулі ДНК в одну сторону, другий - в протилежну.
При цьому кожен комплекс реплікує не лише один ланцюг ДНК, але і іншу. Найскладніше питання: як при цьому вдається для обох батьківських ланцюгів (незважаючи на їх антипаралельність) дотримувати принцип комплементарності у напрямі 3' →5'. Можливі механізми ми коротко обговоримо нижче.
Але який би не був механізм, реплікація поширюється в обидві сторони від кожної точки початку реплікації (мал. 1.10).
Говорять, що при цьому утворюються дві репликативні вилки, які рухаються в протилежних напрямах. Між цими вилками з'являється "вздуття", що поступово розширюється, або "очко" : це вже репліковані відділи ДНК.
Кінець кінцем сусідні зони реплікації ("вздуття") зливаються і уся молекула ДНК виявляється подвоєною.
в) Ферментний комплекс функціонує так, що один з двох синтезуємих ним ланцюгів, росте з деяким випередженням в порівнянні з іншим ланцюгом. Відповідно, перший ланцюг називается лідируючим, а другий – запізнюючим.
Найважливіше полягає в тому, що лідируючий ланцюг утворюється ферментним комплексом у вигляді безперервного дуже довгого фрагмента. Його довжина (у нуклеотидах), очевидно, дорівнює половині відстані між двома сусідніми точками початку реплікації. Для сперматогоній це близько 1 600 000 нуклеотидів. На мал. 1.10 такі фрагменти показані довгими переривчастими стрілками.
Запізнюючий ланцюг утворюється у вигляді серії відносно коротких фрагментів - приблизно по 1500 нуклеотидів. Це так звані фрагменти Оказаки (на малюнку зображені короткими переривчастими стрілками).
З мал. 1.10 видно: у вигляді фрагментів Оказаки синтезується ферментним комплексом той ланцюг, напрямок утворення якого протилежний напряму руху відповідної реплікативної вилки.
Так, крайня ліва на малюнку вилка переміщується теж вліво. Для верхньої із зростаючих ланцюгів це співпадає з напрямом її росту : 5' → 3'. Тому цей ланцюг є таким, що лідирує і росте у вигляді довгого безперервного фрагмента.
А для нижньої із зростаючих ланцюгів те ж, єдино разрешенное, напрям зростання (5´ → 3') протилежний до напряму руху лівої вилки. Відповідно, цей ланцюг - запізнюється і формується у вигляді коротких фрагментів Оказаки. Очевидно, таким чином ферментній системі легше здолати утруднення, пов'язані з неспівпаданням вказаних напрямів.
Відмітимо, що у разі сусідньої реплікативної вилки положенння лідируючого і запізнюючого ланцюгів обернено попередньому. Тут вже нижній ланцюг є лідируючим, а верхній - запізнюючим і представлений фрагментами Оказаки.
г) Нарешті, остання в цій групі подія.
Утворенню кожного фрагмента ДНК (як довгого, так і будь-якого з фрагментів Оказаки) передує синтез короткої послідовності (з 10-15 нуклеотидів) РНК-приманки (РНК-затравки).
Річ у тому, що основний фермент, що синтезує ДНК (ДНК-полімераза), не може починати процес "з нуля", тобто у відсутністі олігонуклеотидної послідовності. На противагу цьому, фермент синтезу РНК (РНК-полімераза) таку здатність має. Через те цьому ферменту і "доводиться" починати утворення кожного нового фрагмента ДНК.
Для синтезу РНК-приманки необхідні рибонуклеозидтрифосфати (рНТФ), а їх включення відбувається теж за принципом комплементу відповідній ділянці ДНК.
РНК-послідовності відрізняються від ДНК-послідовностей лише двома відмінностями: в нуклеотидах пентоза містить в положенні 2´ гідроксильну групу, а в четвірці азотистих основ тимін замінений на урацил (позбавлений, в порівнянні з тиміном, метильної групи).
Але ці дві відмінності істотно позначаються на здатності утворювати дволанцюгову структуру. Тому послідовність РНК-приманки після завершення синтезу фрагментів ДНК видаляється. Замість них відбувається добудовування (шляхом подовження попереднього фрагмента ДНК) "проломів", що утворилися.
І, нарешті, усі численні фрагменти ДНК, утворені на одному батьківському ланцюзі, зшиваються в єдиний ланцюг.