Основные принципы и стадии процесса
Репликация базируется на матричном механизме. Это значит, что одна молекула ДНК выступает в роли формы (матрицы), на основе которой синтезируется другая молекула с абсолютно комплементарной структурой. Процесс является полуконсервативным: каждая дочерняя спираль состоит из одной интактной (консервативной) цепи, доставшейся от родительской молекулы, и одной вновь синтезированной.
Глобально выделяют три стадии репликации:
- Инициация. Сборка ферментного комплекса на специфических стартовых участках ДНК. Именно на этом этапе преимущественно осуществляется регуляция всей репликации.
- Элонгация. Непосредственное удлинение полинуклеотидной цепи.
- Терминация. Завершение процесса удвоения.
Структура репликационной вилки и асимметричный синтез
Для начала синтеза инициирующие белки связываются с ДНК, двойная спираль расплетается, а водородные связи между азотистыми основаниями разрываются. Образуется репликационная вилка — Y-образная структура, которая последовательно движется вдоль ДНК. Из-за того, что ферменты могут строить новую цепь только в одном направлении (от 5'-конца к 3'-концу), синтез протекает асимметрично и является полунепрерывным:
- Ведущая цепь (Leading strand). Синтезируется непрерывно, так как её направление совпадает с направлением движения репликационной вилки. Требует лишь одного стартового акта инициации.
- Отстающая цепь (Lagging strand). Синтезируется прерывисто короткими фрагментами (они называются фрагментами Оказаки), так как направление синтеза здесь противоположно движению вилки. Длина таких фрагментов у прокариот составляет 1000–2000 пар нуклеотидов, а у эукариот — 100–200 пар нуклеотидов.
Ферментативный аппарат
Полуконсервативная модель обеспечивается сложной биохимической работой целого комплекса ферментов (с затратами энергии АТФ):
- ДНК-геликаза. Раскручивает двойную спираль, разрывая водородные связи между нитями.
- SSB-белки (дестабилизирующие белки). Связываются с образовавшейся одноцепочечной ДНК. Они не закрывают азотистые основания, но предотвращают обратное слипание цепей.
- ДНК-топоизомераза. Снимает суперспирализацию (механическое напряжение впереди вилки). Фермент делает одноцепочечный разрыв, позволяет нити провернуться и снова сшивает её.
- РНК-праймаза. Синтезирует короткую РНК-затравку (праймер). Это необходимо, так как главный фермент синтеза не может начать работу «с нуля» — ему нужен свободный 3'-ОН конец.
- ДНК-полимераза. Ведущий фермент, который наращивает полинуклеотидную цепь (строго 5' → 3'). Также обладает нуклеазной активностью: 5'-3'-эндонуклеазная активность нужна для удаления РНК-праймеров, а 3'-5'-эндонуклеазная выполняет корректорскую функцию (удаляет ошибочные нуклеотиды).
- ДНК-лигаза. Устраняет разрывы между фрагментами Оказаки на отстающей цепи, восстанавливая прочную фосфодиэфирную связь.
Особенности репликации у прокариот и эукариот
Прокариоты (например, E. coli) имеют монорепликонный механизм. У них есть только одна точка начала репликации (ori, от англ. origin), состоящая из тандемных высококонсервативных последовательностей. От этой точки синтез идет в двух направлениях с одинаковой скоростью вплоть до полного удвоения хромосомы. Известно 5 типов ДНК-полимераз (I, II, III, IV, V), отвечающих за репликацию и репарацию.
Эукариоты отличаются полирепликонным механизмом. Репликация стартует бидирекционально сразу в нескольких точках — ARS (автономно реплицирующиеся последовательности). Участок между соседними точками называется репликоном (в процессе участвуют сотни репликонов). По мере синтеза они формируют «репликационные глазки», которые затем сливаются. У эукариот работает 7 типов полимераз: $\alpha, \beta, \gamma, \delta, \epsilon, \zeta, \eta$, локализованных в ядре, митохондриях и пластидах.
Чтобы запомнить ферменты вилки по порядку: Геликаза «Гонит» (расплетает), Праймаза «Приглашает» (ставит затравку), Полимераза «Печатает» (строит цепь), Лигаза «Лепит» (сшивает фрагменты).
Вопросы с занятий и экзамена
Почему синтез на отстающей цепи идет прерывисто?
ДНК-полимераза способна присоединять нуклеотиды только в одном направлении — от 5'- к 3'-концу. Поскольку цепи ДНК антипараллельны, а вилка раскрывается в одну сторону, на отстающей матрице синтез вынужден идти «задом наперед» короткими участками (фрагментами Оказаки).
Зачем нужны РНК-праймеры, если синтезируется ДНК?
ДНК-полимераза не умеет начинать синтез цепи самостоятельно, ей обязательно нужен свободный 3'-ОН конец для прикрепления первого нуклеотида. РНК-праймаза лишена этого недостатка и может создать стартовую затравку на пустой матрице.
Что происходит с РНК-затравками в конце репликации?
Они не остаются в составе зрелой ДНК. Ферменты (за счет 5'-3'-эндонуклеазной активности) удаляют праймеры, образовавшиеся бреши застраиваются дезоксирибонуклеотидами, а ДНК-лигаза сшивает оставшиеся разрывы.
Что ещё разобрать по теме
- Механизм снятия суперспирализации с помощью ДНК-топоизомеразы
- Корректорская функция ДНК-полимераз (3'-5'-эндонуклеазная активность)
- Точки начала репликации: строение участков ori и ARS
- Специфические функции различных типов ДНК-полимераз (I–V у E. coli и α–η у эукариот)
- Слияние репликонов и пространственная конфигурация репликационного глазка
Разберите тему целиком в курсе «Биология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Репликация ДНК» и ещё 3 793 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 124 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Молекулярная генетика»
Бесплатные видеоуроки: биологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.