Репликация ДНК

Самовоспроизведение ДНК называется репликацией (от лат. replicatio — возобновление, повторение). У этого термина есть синоним — редупликация. Репликация ДНК составляет основу многих основополагающих жизненных процессов, в частности деления клеток, размножения организмов, передачи наследственных признаков от одного поколения к другому. Естественно, репликация, будучи основополагающим биологическим процессом, заслуживает отдельного рассмотрения. На рис. 6.6 приведена популярная схема процесса репликации. Ее автором является мексиканка М. Р. Вильярреал.

Схема процесса репликации ДНК

Рис. 6.6. Схема процесса репликации ДНК1:

  • 1 отстающая нить; 2 — ведущая нить; 3 — ДНК-полимераза;
  • 4 ДПК-лигаза; 5 — РНК-праймер; 6 — праймаза; 7 — фрагмент Оказаки;
  • 8 ДНК-полимераза; 9 — хеликаза; 10 — одиночная нить со связанными белками; 11 — топоизомераза

Приведенная схема свидетельствует о том, что репликация осуществляется крупным комплексом, состоящим из ферментов, каждый из которых осуществляет некоторые функции, между которыми наблюдается высокой степени согласованность. В ее отсутствие процесс репликации нарушается и в конечном счете останавливается. Субстратом многих ферментов являются нуклеотид трифосфаты, которые состоят из трех остатков фосфорной кислоты, одного из пяти азотистых оснований и сахара (рибозы или дезоксирибоза). На рис. 6.3 изображен адениннуклеотид монофосфат. Нуклеотид трифосфаты устроены так же, как адениннуклеотид (но вме- [1]

сте одного остатка фосфорной кислоты присутствуют три). Наряду с ДНК и РНК нуклеотид трифосфаты (НТФ) являются важнейшими биомолекулами. Интересно, что подобно всем другим белкам они закодированы в ДНК. Следовательно, имеет место важнейшая в биологическом отношении обратная связь: ДНК направляют синтез белков, которые реплицируют ДНК[2].

Прежде чем обратиться непосредственно к механизму репликации ДНК, рассмотрим функции, выполняемые различными ферментами (табл. 6.3).

Таблица 63

Функции ферментов при репликации ДНК

Ферменты

Функции ферментов

ДНК-хеликазы

Дестабилизируют ДНК, разрывают водородные и межмолекулярные связи между азотистыми основаниями, в результате чего образуется рспликационная вилка

Д11К-топоизомераза

Обеспечивает расплетение ДНК путем создания разрывов в обеих цепях ДНК. Меняет топологию (геометрическое строение ДНК)

ДНК-гираза

Обеспечивает раскручивание суперспиралей ДНК, необходимое для ее репликации

Белки, связывающие одноцепочечную ДНК (ssb protein)

Связывают одноцепочечные фрагменты ДНК и предотвращают их комплементарное спаривание с другой ветвью ДНК

ДНК-нраймазы

Обеспечивают образование затравки, в отсутствие которой ДНК-полимераза не в состоянии начать синтез новой ветви ДНК

ДНК-нолимераза

Добавляя свободные нуклеотиды к З'-концу собираемой цепочки, образует новую цепь ДНК в направлении 5'3'. Выполняет также проверку и коррекцию ошибок

Белки скользящей застежки (DNA clamp)

Увеличивают скорость синтеза ДНК до тысяч раз

Д11К-лигазы

Соединяют фрагменты Оказаки (фрагменты ДНК, которые образуются на отстающей цепи)

Теломераза

Удлиняет концевые участки хромосом путем добавления повторяющихся нуклеотидных последовательностей

После разъяснения функций различных частей ферментативного комплекса нетрудно представить весь процесс репликации ДНК в виде последовательности некоторых этапов.

  • 1. Хеликаза образует репликационную вилку.
  • 2. Белки, связывающие одноцепочечную ДНК, предотвращают ее связывание с той цепью ДНК, от которой она отделилась.
  • 3. ДНК-тоиоизомеразы помогают разрешить проблемы кручения и спутывания ДНК.
  • 4. ДНК-праймазы образуют затравки (одну на лидирующей цепи и много на отстающей, необходимых для синтеза фрагментов Оказаки), праймеры, без которых не может начаться процесс синтеза новой ДНК.
  • 5. ДНК-полимеразы синтезируют новые ветви ДНК.
  • 6. Белки скользящей застежки увеличивают скорость репликации.
  • 7. ДНК-лигазы соединяют ДНК-фрагменты в единую непрерывную цепь.
  • 8. Теломеразы удлиняют старую ДНК, что позволяет синтезировать еще один или несколько фрагментов Оказаки с тем, чтобы вновь образованная ДНК не была короче прежней. Без введения в действие теломеразы новая цепь короче старой постольку, поскольку ДНК-полимсраза не способна начать с 5'-конца, а лишь достраивает З'-конец.

Первые шесть этапов обычно называют инициацией репликации. Пятый и шестой этапы представляют собой пролонгацию (от лат. prolongare — удлинять), шестой и седьмой этап образуют терминацию (окончание) репликации. На стадии пролонгации выявляется весьма характерная для нее особенность, связанная с антипараллельностью двух ветвей репликативной вилки (рис. 6.7).

Репликативная вилка и две цепи репликации

Рис. 6.7. Репликативная вилка и две цепи репликации1

Направление движения репликативной вилки является одним и тем же как для верхней, так и для нижней дочерней линии, синтез которых всегда осуществляется в направлении 5'—3'. Репликация начинается с затравки, праймера. Для верхней цепи достаточно одной затравки. После этого репликация осуществляется непрерывно вплоть до начала оси симметрии репликативной вилки. На нижней линии репликация не может осуществляться в сходном режиме, потому что движение к началу оси симметрии происходило бы в направлении 3'—5'. Природа нашла выход из затрудни- [3]

тельного положения. На нижней цепи образуется много затравок. Единым репликативным движением их невозможно охватить. Но возможно реализовать короткие переходы в 5'—3' направлениях, формируя фрагменты Оказаки. ДНК-полимераза удаляет РНК-затравки и заполняет бреши между фрагментами Оказаки. Затем все фрагменты ДНК нижней цепи сшиваются ДНК-лигазой в одну непрерывную цепь. Цепь, образованная посредством непрерывной репликации, называется ведущей, а другая, собранная из фрагментов Оказаки, отстающей.

В заключение параграфа отметим, что процесс репликации ДНК, равно как и набор ферментов с их функциональными особенностями, рассмотрен нами лишь в основных чертах. Многочисленные подробности пришлось опустить.

Выводы

  • • Репликация ДНК составляет основу многих основополагающих жизненных процессов, в частности передачи наследственных признаков от одного поколения к другому.
  • • Репликация проводится ферментативным комплексом. Каждый фермент выполняет специфические функции.
  • • Репликация ДНК осуществляется в несколько этапов, каковыми, в частности, являются инициация репликации, ее пролонгация и терминация.
  • • Одна из дочерних цепей ДНК является ведущей, а другая отстающей.

  • [1] URL: http:// www.upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/dO/DNA_replication_numbered.svg/513px-DNA_replication_numbered.svg.png/
  • [2] 2 Фаворова О. О. Репликация ДНК // Современное естествознание : энциклопедия : в 10 т. Т. 8. Молекулярные основы биологических процессов. М. : Издательской ДомМАГИСТР-ПРЕСС, 2000. С. 24.
  • [3] Фаворова О. О. Репликация ДНК. С. 28.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >