Репликация ДНК – это механизм самокопирования молекулы, а также основное свойство наследственного материала живых клеток.
Сущность процесса репликации ДНК
При репликации молекулы ДНК водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями (аденином — тимином и гуанином — цитозином) рвутся при помощи специального фермента — хеликазы, и цепи расходятся.
После того, как водородные связи разорвутся, при участии фермента ДНК-полимеразы на каждой из цепей синтезируется новая («дочерняя») цепь ДНК (к каждому нуклеотиду разошедшихся нитей ДНК фермент ДНК-полимераза подстраивает комплементарный ему нуклеотид). Исходным материалом для такого синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток.
Особенностью процесса репликации ДНК является тот факт, что ее молекулы сформированы из двух цепей и образуют двойную спираль. В ходе репликации молекулы ДНК расходятся, и каждая дочерняя цепь может пристроить к себе новую цепь ДНК по принципу комплементарности. В результате этого из одной двойной спирали образуется две. Обе дочерние цепи идентичны исходной цепи и одна молекула образует две идентичные друг другу.
Тем самым репликация ДНК имеет полуконсервативный характер, каждая дочерняя молекула ДНК имеет одну материнскую цепь и одну вновь синтезированную. Репликация эукариот начинается в подготовительном этапе клеточного деления или в S-фазе клеточного цикла.
Механизм репликации ДНК и участвующие в нем основные ферменты характерны для большинства существующих ныне организмов. Однако существует ряд исключений среди бактерий или вирусов.
При этом расхождение цепей исходных молекул ДНК обеспечивается ферментом геликазой. Этот фермент в определенных местах способствует разрыву водородных связей, находящихся между азотистыми основаниям и ДНК. Эти ферменты перемещаются с затратой энергии.
Геликаза – это фермент, который обеспечивает расхождение цепей ДНК при процессе репликации.
Особенности репликации ДНК
В процессе репликации ДНК также участвуют и другие ферменты, которые имеют не менее важное значение в процессе образования новой дочерней цепочки.
Цепочки ДНК не должны соединяться после процесса репликации, для их удержания на расстоянии друг от друга существуют дестабилизирующие белки. Они выстраиваются в ряд и образуют зоны репликации, которые именуются репликационными вилками. Репликационные вилки формируются достаточно закономерно, но не в любых местах ДНК. Их образование происходит строго в точках начала процесса репликации из определенной последовательности нуклеотидов. Таких нуклеотидов существует более трехсот штук. Эти места могут распознаваться специализированными белками и образовывать своего рода «репликационный глаз». В нем и расходятся две молекулы ДНК.
Точка начала репликации может идти в прямом и обратном направлении по всей длине хромосомы. Последний случай способствует расхождению цепи ДНК как вперед, так и назад. Один репликационный глазок дает две репликационные вилки.
Репликон – это единица репликации молекулы ДНК от точки начала процесса и до момента ее окончания.
Так как цепи ДНК имеют спиральную закрученность, то они разделяются хеликазой и формируют появление дополнительных витков, находящихся перед репликационной вилкой. Процесс репликации ДНК сопровождается весьма высокой степенью напряжения. Для снятия этого напряжения молекула ДНК должна проворачиваться вокруг собственной оси один раз при расхождении каждой из 10 пар расходящихся нуклеотидов. Именно такое их количество формирует один виток спирали. Такая ситуация не происходит потому, что находит весьма более эффективный способ нейтрализации напряжения при репликации спирали.
Далее происходят несколько ключевых процессов:
- фермент топоизомераза разрывает одну цепь ДНК и этот участок подвергается инверсии и прокручиваясь вокруг своей цепи устраняет успервитки напряжения;
- отдельная цепь ДНК старой молекулы становится матрицей для синтеза новой цепи по принципу комплементарности;
- присоединение нуклеотидов к растущей дочерней цепи обеспечивается ДНК – полимеразой. Этот фермент может существовать в различных видах.
Фермент ДНК – полимераза способствует образованию водородных связей и после этого нуклеотид связывается с последним нуклеотидом дочерней цепи. При этом происходит отделение пирофосфата и их расщепление на отдельные фосфаты.
Реакция отщепления пирофосфата в результате гидролиза выгодна энергетически, так как формирующие ее связи уходят в цепь. Полученная энергия используется полимеразой.
Полимераза обладает возможностью:
- удлинять растущую цепь;
- отсоединять ошибочные нуклеотиды и обладать корректирующей способностью.
Если нуклеотид, который должен быть последним присоединен к новой цепи, не комплементарен матричному, то полимераза его удалит.
Недостатком полимеразы является то обстоятельство, что она не может самостоятельно запустить синтез участка дочерней цепи. Причина этого явления состоит в том, что ей требуется -OH-конец нуклеотида, уже соединенного с цепью. Поэтому необходима затравка, или праймер.
Таким праймером выступает кроткая молекула РНК, которая синтезируется РНК праймазой и спаренной матричной цепью ДНК. Существует два типа сборки молекулы ДНК фрагментарная и непрерывная. Непрерывная сборка молекулы ДНК проходит гораздо быстрее. При этом формируется лидирующая и запаздывающая цепь ДНК.
Процесс репликации ДНК у прокариот протекает быстро до тысячи нуклеотидов в секунду. У эукариот в секунду репликации подвергается только сто нуклеотидов. У прокариот существует кольцевые молекулы ДНК, который являются по сути одним репликоном. В связи с этим синтез ДНК начинается в нескольких точках, но не всегда одновременно.
Ферменты и другие белки репликации действуют совместно, образуют комплексы и двигаются по всей ДНК. В этом процессе участвует около 20 - ти различных белков.
Таким образом, репликация ДНК лежит в основе многих генетически обусловленных процессов и позволяет наследственному материалу реализоваться в полной мере и по заранее «закрепленным» процессам.
