Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow ГЕНЕТИКА В 2 Ч. ЧАСТЬ 1
Посмотреть оригинал

Репликация ДНК

Расшифровка структуры молекулы ДНК помогла объяснить и принцип ее репликации (удвоения) в клетке. Этот принцип состоит в том, что каждая из двух полинуклеотидных нитей молекулы ДНК служит в качестве программы (матрицы) для синтеза новой (комплементарной) нити. В результате на основе одной двухцепочечной молекулы образуются две одинаковые двухцепочечные молекулы, в каждой из которых одна цепочка является старой, а другая - новой (вновь синтезированной). Такой принцип репликации ДНК был назван полуконсервативным (рис. 5.12). В соответствии с этим принципом нуклеотидная последовательность матричной (родительской) нити считывается в направлении 3'—>5’, тогда как синтез новой (дочерней) нити идет в направлении 5'—?З'. Поскольку две комплементарные цепочки родительской молекулы ДНК являются антипараллельными, то синтез новой полинуклеотидной цепочки на каждой из них идет в противоположном направлении.

Принцип полуконсервативной репликации ДНК

Рис. 5.12. Принцип полуконсервативной репликации ДНК

Механизм репликации ДНК является достаточно сложным и, вероятно, различается в случае организмов, содержащих относительно небольшие по размерам молекулы ДНК в замкнутой (кольцевой) форме (многие вирусы и бактерии), и эукариот, клетки которых имеют молекулы огромных размеров, находящиеся в линейной (незамкнутой) форме.

Небольшая кольцевая молекула ДНК представляет собой одну структурную единицу репликации (репликон), имеющую единственную точку начала (инициации) репликации (0-пункт, состоящий примерно из 300 нуклеотидов), в которой начинается процесс расхождения (расплетания) двух нитей родительской молекулы и матричного синтеза комплементарных копий (реплик) дочерней ДНК. Этот процесс продолжается непрерывно по длине копируемой структуры и заканчивается в этом же репликоне образованием двух молекул «полуконсервативного» типа. В больших линейных молекулах ДНК эукариот имеется много точек начала репликации и соответствующих им репликонов (от нескольких сотен до десятков тысяч), т. е. такая ДНК является полирепликонной.

При рассмотрении современных представлений о механизме репликации ДНК эукариот можно условно выделить гри последовательных этапа этого процесса, происходящего в репликоне, в каждом из которых принимают участие те или иные белки (ферменты).

Первый этап связан с быстрым раскручиванием двух полинуклеотидных нитей спирализованной молекулы ДНК на определенном ее участке (в границах работающего репликона) и с их разделением путем разрушения водородных связей между парами комплементарных оснований. При этом образуются два одноцепочечных фрагмента родительской молекулы, каждый из которых может высту пать в роли матрицы для синтеза комплементарной (дочерней) нити. Этот этап инициируется в соответствующей точке начата репликации и обеспечивается комплексным участием нескольких различных белков. В результате их действия формируется У-образная структура, названная вилкой репликации, в которой две родительские цепочки ДНК уже отделены друг от друга (рис. 5.13). Образовавшаяся вилка репликации быстро продвигается вдоль двойной спирали родительской молекулы ДНК благодаря активности «расплетающего» фермента ДНК-гсликазы и при участии группы дестабилизирующих белков. Эти белки обладают способностью связываться только с одноцепочечными (уже раскрученными и разделенными) участками молекулы, препятствуя возникновению на них вторичных складчатых образований («шпилек») за счет случайных соединений между комплементарными нуклеотидами однони- тевой структуры. Следовательно, они способствуют выпрямлению однони- тевьгх участков молекулы, что необходимо для нормального выполнения ими матричных функций.

Схема образования репликационной вилки ДНК

Рис. 5.13. Схема образования репликационной вилки ДНК

Быстрое расплетание ДНК с помощью геликазы без дополнительного вращения нитей по отношению друг к другу должно приводить к образованию на участках родительской молекулы перед движущейся вилкой репликации новых витков (узлов), создающих на них повышенное топологическое напряжение. Такое напряжение устраняется еще одним белком (ДНК-топоизомеразой), который, перемещаясь вдоль двухспиральной родительской ДНК перед вилкой репликации, вызывает временные разрывы в одной из цепочек молекулы, разрушая фосфодиэфирные связи и присоединяясь к разорванному концу. Возникший разрыв обеспечивает последующее вращение нити двойной спирали, что, в свою очередь, приводит к расплетанию образующихся супервитков (узлов). Поскольку разрыв поли- нуклеотидной цепочки, вызванный топоизомеразой, носит обратимый характер, то разорванные концы быстро воссоединяются сразу после разрушения комплекса этого белка с разорванным концом.

На втором этапе происходит матричный синтез новых (дочерних) Полину клеотидных цепей на основе принципа комплементарного соответствия нуклеотидов старой (матричной) и новой цепей. Этот процесс осуществляется путем соединения (полимеризации) нуклеотидов новой цепи с помощью ферментов ДНК-полимераз нескольких типов (ферменты Pol a, Pol р, Pol у, Pol 6, Pol е). Следует отметить, что ни одна из известных сегодня ДНК-полимераз не способна начать синтез нового полинуклеотида путем простого соединения двух свободных нуклеотидов. Инициация этого процесса требует наличия свободного З'-конца какой-либо полинуклеотидной цепочки ДНК (либо РНК), которая соединена с другой (комплементарной) цепочкой ДНК. Иными словами, ДНК-полимераза способна лишь добавлять новые нуклеотиды к свободному З'-концу имеющегося полинуклеотида и, следовательно, наращивать эту структуру только в направлении 5*—*?3'.

С учетом указанного обстоятельства становится понятным асимметричный характер функционирования вилки репликации (рис. 5.13, 5.14). Как видно из приведенных схем, на одной из матричных нитей вилки (3'-*5') идет относительно быстрый и непрерывный синтез дочерней нити (ведущей, или лидирующей, цепочки) в направлении 5'—>3’, тогда как на другой матрице (5'—>3') идет более медленный и прерывистый синтез отстающей цепочки короткими фрагментами (100-200 нуклеотидов), получившими название фрагментов Оказаки, и также в направлении 5’—?3'. Считается, что синтез ведущей и отстающей цепочек осуществляют ДНК-полимеразы разных типов. Свободный З’-конец, необходимый для начала синтеза фрагмента Оказаки, обеспечивается короткой нитью РНК (около 10 нуклеотидов), получившей название РНК-праймера (РНК-затравки), которая синтезируется с помощью фермента РНК-праймазы. РНК- праймеры могут комплементарно спариваться сразу с несколькими участками на матричной нити ДНК, создавая условия для одновременного синтеза нескольких фрагментов Оказаки при участии ДНК-полимеразы Ш (рис. 5.14). Когда синтезированный фрагмент Оказаки достигает 5'-конца очередного РНК-праймера, начинает проявляться 5'-экзонуклеазиая активность ДНК-полимеразы I, которая последовательно выщепляет нуклеотиды РНК в направлении 5*—?З*. При этом удаляемый РНК-праймер замещается соответствующим фрагментом ДНК.

Последний (третий) этап рассматриваемого процесса связан с действием фермента ДНК-лигазы, который соединяет З'-ОН-конец одного из фрагментов Оказаки с 5'-Р04-концом соседнего фрагмента с образованием фос- фодиэфирной связи, восстанавливая таким образом первичную структуру отстающей цепочки, синтезируемой в функционирующем репликоне. Дальнейшая спирализация появившегося «полуконсервативного» участка ДНК (закручивание спирали) происходит с участием ДНК-гиразы (катализирует формирование негативных супервитков в ДНК) и некоторых других белков.

Синтез ведущей и отстающей цепей ДИК в области репликационной вилки

Рис. 5.14. Синтез ведущей и отстающей цепей ДИК в области репликационной вилки

Полирепликонный принцип организации молекулы ДНК различных эукариот, в том числе человека, обеспечивает возможность последовательного копирования генетического материала этих организмов без одновременного раскручивания (деспирализации) всей огромной по размерам и сложно упакованной молекулы, что значительно сокращает время ее репликации.

Генетический анализ процесса репликации ДНК у эукариот по сравнению с прокариотами выявил в основных чертах общность синтеза ДНК у этих объектов. В эукариотических клетках были выявлены и выделены в чистом виде ферменты, обладающие геликазной и топоизомеразной активностями, а также белки, специфически связывающиеся с одноцепочечными участками ДНК. Обнаружено три вида ДНК-полимеразной активности: ферменты Pol а (основная полимераза), Pol р (участвует в репарационных процессах), Pol у (митохондриальная полимераза).

Иными словами, в тот или иной момент времени в одной группе репликонов молекулы процесс копирования может быть уже завершен объединением и спирализацией соответствующих участков, тогда как в другой группе - только начинаться расплетанием двухнитевых структур.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы