Формирование репликативной вилки
Подготовка к синтезу начинается со снятия напряжения в скрученной молекуле ДНК. Для этого фермент ДНК-топоизомераза (действуя как обратимая нуклеаза) расщепляет 3',5'-фосфодиэфирную связь одной из цепей и временно присоединяется к 5'-концу. Это убирает суперспирализацию хроматина.
Затем в работу вступают две молекулы ДНК-хеликазы. Затрачивая энергию АТФ, они локально расплетают двойную спираль. Чтобы расплетенные матричные цепи не слиплись обратно (ренатурация) и не образовали «шпильки», к ним присоединяются SSB-белки. Они удерживают цепи порознь, но не закрывают сами азотистые основания, чтобы полимеразы могли их «читать».
Синтез лидирующей и отстающей цепей
Дочерние цепи ДНК строятся антипараллельно материнским (матрицы читаются от 3' к 5'). Из-за этого процесс синтеза на двух цепях кардинально различается.
- Лидирующая цепь: строится непрерывно вслед за движущейся репликативной вилкой. Синтез здесь ведет ДНК-полимераза $\delta$.
- Отстающая цепь: вынуждена синтезироваться в направлении, противоположном движению вилки. Синтез идет прерывисто, кусками — фрагментами Оказаки. Каждый такой фрагмент состоит из короткой РНК-затравки (около 10 нуклеотидов) и участка ДНК (около 150 нуклеотидов).
Для запуска синтеза полимеразам нужна отправная точка. Эту роль играет РНК-праймер, который создает праймаза (субъединица ДНК-полимеразы $\alpha$). Затем фермент переключается на удлинение цепи, а после передает эстафету полимеразам $\delta$ или $\epsilon$.
Сшивание фрагментов и коррекция ошибок
На отстающей цепи необходимо удалить РНК-праймеры и соединить разрозненные куски в единую нить. Праймеры удаляются эндонуклеазами или РНКазами, а образовавшиеся пустоты застраивает ДНК-полимераза $\beta$. В финале ДНК-лигаза, используя АТФ, сшивает фрагменты, восстанавливая фосфодиэфирный остов.
Важным этапом является контроль качества. ДНК-полимеразы $\delta$ и $\epsilon$ имеют экзонуклеазную активность. Если они замечают неправильно встроенный нуклеотид, то отщепляют его, обеспечивая высокую точность удвоения генетического материала.
Регуляция и особенности у эукариот
У эукариот молекулы ДНК огромны, поэтому процесс начинается не в одной, а во множестве точек — ориджинах (точках инициации). Участок между соседними ориджинами называют репликоном. В каждом ориджине формируются две вилки, которые расходятся в разные стороны, пока не столкнутся с вилками соседнего репликона.
Запуск репликации строго контролируется белками циклинами. Например, циклин D отвечает за переход клетки в S-фазу, а циклины E и A запускают сам синтез ДНК. Они активируют циклин-зависимые киназы, которые фосфорилируют белки, необходимые для продвижения по клеточному циклу.
Запомнить направление легко: полимеразы — как строители, работают «на пятерку с плюсом», поэтому строят от 5' к 3'.
Вопросы с занятий и экзамена
В чем отличие лидирующей цепи от отстающей?
Лидирующая цепь синтезируется непрерывно по ходу движения репликативной вилки. Отстающая цепь образуется прерывисто, в виде коротких фрагментов Оказаки, против движения вилки.
Какую функцию выполняют SSB-белки?
Они связываются с расплетенными одноцепочечными участками ДНК, не давая им снова соединиться (ренатурировать) или образовать шпильки до начала синтеза.
Для чего нужна праймаза?
ДНК-полимеразы не могут начать синтез с нуля. Праймаза синтезирует короткий РНК-праймер, к которому затем присоединяются дезоксирибонуклеотиды.
Что ещё разобрать по теме
- Подробный механизм работы ДНК-топоизомеразы
- Специфичность циклинов на разных этапах клеточного цикла
- Механизмы коррекции ошибок (proofreading) полимеразами
- Роль ионов магния в активном центре полимераз
- Структура реплисона и взаимодействие белков в комплексе
Разберите тему целиком в курсе «Биохимия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Репликация ДНК» и ещё 3 574 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 115 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Матричные биосинтезы»
Бесплатные видеоуроки: биохимияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.