Репликация - это удвоение ДНК. Каждая из вновь молекул содержит одну цепь выходного ДНК (материнской) и один вновь синтезированный цепь (дочерний). Иначе говоря, репликация полуконсервативная - половина материнской молекулы сохраняется в дочерней молекуле.

 

Сначала процесс репликации представлялся просто: на цепях ДНК, расплетаются, выстраиваются по принципу комплементарности нуклеотиды, а потом они сшиваются друг с другом фосфодиефирны-ми связями с помощью специального фермента ДНК-полимеразы. Оказалось, что этот процесс намного сложнее, в нем участвуют многочисленные ферменты и регуляторные белки. Лучше процессы репликации изучены для простейших организмов - бактерий, бактериофагов.

 

Для репликации ДНК необходимо наличие:

 

1) четырех видов дезоксирибонуклеозид-5-трифосфата;

 

2) матрицы в виде двухцепочечной ДНК;

 

3) затравки (праймера);

 

4) ферментов и регуляторных факторов;

 

5) ионов металлов (Mg ^ +, Mn2 +).

 

Механизм репликации в прокариот. Процесс репликации состоит из трех основных стадий: инициирование (начало), элонгация (удлинение цепи) и терминации (конец образования дочерних ДНК). Каждая стадия репликации происходит при участии соответствующих ферментов и белковых факторов.

 

1. Расплетая белки разрывают водородные связи между комплементарными основаниями двойной спирали ДНК. В последнее время установлено, что цепи ДНК раскручиваются не полностью, а на коротком участке под влиянием расплетая ферментов. Здесь образуется Распущенные участок, напоминает своей формой латинскую букву V и получила название «ре-пликативнои вилки». Характерно и то, что дальнейшее перемещение ре-пликативнои вилки возможно только при раскрутке материнской ДНК и одновременном синтезе обеих новых цепей ДНК (рис. 72).

 

2. Затравочный ДНК-зависимая РНК-полимераза (РНК-полимераза или праймазы) - образует небольшую РНК-затравку (примерно 10 нук-леотидив) на одном из расплетенных цепей ДНК в направлении 5 '^ 3'. Состав и порядок нуклеотидов в затравци задается ДНК-матрицей, а сшивка их 3 ', 5'-фосфодиефирнимы связями осуществляется РНК-полимеразой. Необходимость синтеза РНК-затравки обусловлена тем, что основной фермент репликации - ДНК-полимераза - не способна самостоятельно начать синтез новой ДНК в направлении 5 '^ 3 "без затравки, она может только удлинять новый полинуклеотидной цепи.

 

3. ДНК-полимеразы. У прокариот в процессе репликации участвуют три формы ДНК-полимераз (I, II, III). Все они проявляют два вида активности: полимеразную - сшивают дезоксирибонуклеотидов 3 ', 5'-фосфодиефирнимы связями и нуклеазну - гидролизуют фосфодиефир-ни связи в случае образования ошибок в полинуклеотидных цепи.

 

ДНК-полимераза I действует как РНК-аза, расщепляя РНК-затравку, и синтезируя на ее месте комплементарный фрагмент ДНК, которого не хватает.

 

ДНК-полимераза II проявляет очень низкую полимеразную активность. Ее функции в репликации мало изучены.

 

ДНК-полимераза III играет ведущую роль в процессе репликации. Для того, чтобы она могла начать синтез, необходимо существование уже готового небольшого фрагмента ДНК или РНК (затравки), что является комплементарным матрице ДНК и содержит свободную 3'-ОН-группу, которая в дальнейшем участвует в полимеразной реакции. ДНК-полимераза III проявляет также 5 '^ 3' и 3 '^ 5-ендонуклеазну активность.

 

4. Рибонуклеаза Н. Участие в гидролизе РНК-затравки вместе с ДНК-полимеразой I.

 

5. ДНК-лигазы - сшивающие ферменты. Они участвуют в процессе соединения друг с другом новосинтезированных фрагментов ДНК, образуя фосфодиефирни связи.

 

Согласно электронно-микроскопическими и радиоавтографичнимы данным, в репликативной вилке с большой скоростью осуществляется синтез двух противоположно направленных полинуклеотидных цепей ДНК. Направление одной цепи 5 '^ 3' совпадает с направлением движения репликативной вилки (рис. 73). Эта цепь называют лидирующим, ведущим. Вторая цепь называется отстающим (или который опаздывает) - его синтез также идет в направлении 5 '^ 3'. Чтобы последнее исполнилось, на втором цепи ДНК в направлении, противоположном движению репликативной вилки, строятся короткие фрагменты, которые затем сшиваются с образованием цепи запаздывает. Это было показано в 1968 г. Р.Оказаки, который установил, что часть синтезированной ДНК находится в виде фрагментов, состоящих из 1000-2000 нуклеотидов. В дальнейшем эти фрагменты получили название фрагментов Оказаки. Предполагают, что ведущий цепь растет непрерывно, постепенно передвигаясь по репликативной вилке. Начинается репликация (стадия инициации) по образованию в нескольких местах ДНК (чаще всего на внутренних ее участках) репликативных вилок под влиянием расплетая белков (рис. 73). Как уже отмечалось, необходимым условием является наличие в начале новой цепи затравки (праймера), которая содержит на конце свободной 3'-ОН-группу. После окончания синтеза РНК-затравки к ее 3'-ОН-конца присоединяется ДНК-полимераза III. Далее с участием этого фермента происходит присоединение к РНК-затравки дезоксирибонуклеозид-5'-трифосфат с высвобождением пирофосфатов (элонгация). Одновременно ДНК-полимераза III синтезирует на втором материнском цепи репликативной вилки короткие фрагменты Оказаки (синтез происходит челночно). Важным является тот факт, что при синтезе ДНК-полимераза III может исправлять ошибки в случае неправильного включения нуклеотидов. Если произойдет ошибка, то этот нуклеотид сразу отщепляется ферментом благодаря нуклеазний активности, а при правильном включении нового нуклеотида присоединяет его к уже образованного фрагмента ДНК. Затем РНК-затравка удаляется или рибонуклеазы Н, или ДНК-полимеразой I, а на ее месте достраивается цепь ДНК с участием ДНК-полимеразы I.

 

Сочетание синтезированных фрагментов происходит с помощью ДНК-лигазы.

 

Терминации, или процесс завершения синтеза молекул ДНК, изучена недостаточно. В геноме некоторых бактерий терминацию осуществляет специальный участок - терминатор, в других же она отсутствует. Предполагается, что двусторонняя репликация заканчивается сразу же после встречи двух репликативных вилок. Процесс репликации происходит с достаточно большой скоростью: 1000-2000 нуклеотидов в секунду. Характерна очень большая точность. Так, на 1010 пар нуклеотидов встречается лишь одна ошибка. Исправление ошибок происходит мгновенно путем их устранения и замены. Например, если в нуклеотиде вместо тимина появляется урацил, то с синтезированного полинуклеотидной цепи этот нуклеотид удаляется и на его место вводится тимидилова кислота.

 

Репликация ДНК в эукариот. Детали репликации хромосом эукариот изучены недостаточно. Отличительной свойством репликации в эукариот является то, что реплицируются именно нуклеосомы. При синтезе дочерних цепей они на некоторое время разрушаются, но позади репликативной вилки снова собираются, причем в сборке участвуют как старые, так и новые гистоны.

 

Репликация ДНК в хромосомах эукариот происходит также на-пивконсервативним путем и состоит из трех основных стадий: инициации, элонгации и терминации. В эукариотических клетках содержатся разнообразные расплетая ферменты и регуляторные факторы, ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы. Известно о наличии трех типов ДНК-полимераз в клетках эукариот: а ?, у. Предполагают, что репликацию основной клеточной ДНК осуществляет ДНК-полимераза а восстановление повреждений - ДНК-полимераза ?, а репликацию ДНК митохондрий-ДНК-полимераза в. Как и в прокариот, в репликативной вилке один из цепей - лидирующий, а второй - отстающий. Ведущий цепь синтезируется непрерывно, тогда как цепь отстающий - фрагментами Оказаки. Инициация начинается с образования РНК-затравки, которая синтезируется, возможно, РНК-полимеразой I. Скорость движения реплика-ных вилок медленнее - около 60-100 нуклеотидов в секунду, но в эукариотических хромосомах одновременно работают тысячи или даже большее количество репликативных вилок.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+