А реплікація ДНК

Оскільки ДНК є молекулою спадковості, то для реалізації цієї якості вона повинна точно копіювати саму себе і таким чином зберігати всю наявну в вихідної молекулі ДНК інформацію у вигляді певної послідовності нуклеотидів. Це забезпечується за рахунок особливого процесу, що передує поділу будь-якої клітини організму, який називається реплікацією ДНК.

Для початку реплікації ДНК фрагментів цієї нитки потрібно синтез коротких фрагментів РНК (про характерні особливості РНК буде сказано нижче) як запалів, для чого використовується особливий фермент - РНК-полімераза (праймаза). Згодом праймери РНК видаляються, в проломи, що утворилися вбудовується ДНК за допомогою ДНК полімерази I. Таким чином, кожна ланцюг ДНК використовується як матриця або шаблон для побудови комплементарної ланцюга і реплікація ДНК є напівконсервативної (тобто одна нитка в новій молекулі ДНК - «стара », а друга - нова). Для реплікації лідируючої і відстає ланцюгів кліткою використовують різні ферменти. В результаті реплікації утворюються дві нові абсолютно ідентичні молекули ДНК, ідентичні також вихідної молекулі ДНК до початку її редуплікації (більш докладно процес реплікації ДНК показаний на рис. 3.5). ДНК-полімераза, як і будь-який інший фермент, істотно прискорює процес приєднання комплементарних нуклеотидів до вільного ланцюга ДНК, проте хімічна спорідненість аденіну до тимін, а цитозину до гуаніну настільки велике, що вони з'єднуються один з одним і під час відсутності ДНК-полімерази в простій реакційної суміші1. Можна сказати, дещо спрощуючи, що феномен точного подвоєння молекули ДНК, в основі якого лежить комплек-плементарним підстав цієї молекули, становить молекулярну основу спадковості. Швидкість реплікації ДНК у людини відносно низька і для того, щоб забезпечити реплікацію ДНК будь-якої хромосоми людини, були потрібні б тижні, якби реплікація починалася з однієї точки. Насправді в молекулі ДНК будь-якої хромосоми, а-кожна хромосома людини містить тільки одну молекулу ДНК, є безліч місць ініціації реплікації (репліконов). Від кожного реплікону реплікація йде в обох напрямках доти, поки сусідні реплікони не зливаються. Тому реплікація ДНК в кожній хромосомі протікає відносно швидко.

Реплікація (від лат. Replicatio - відновлення) - процес синтезу дочірньої молекули ДНК на матриці батьківської молекули ДНК. В ході подальшого поділу материнської клітини кожна дочірня клітина отримує по одній копії молекули ДНК, яка є ідентичною ДНК вихідної материнської клітини. Цей процес забезпечує точну передачу генетичної інформації з покоління в покоління. Реплікацію ДНК здійснює складний ферментний комплекс, що складається з 15-20 різних білків, званий реплісомой (англ. Replisome)

Реплікація ДНК - ключова подія в ході поділу клітини. Принципово, щоб до моменту розподілу ДНК була реплицирована повністю і при цьому тільки один раз. Це забезпечується певними механізмами регуляції реплікації ДНК. Реплікація проходить в три етапи:

1. ініціація реплікації

3. термінація реплікації.

Регуляція реплікації здійснюється в основному на етапі ініціації. Це досить легко можна здійснити, тому що реплікація може починатися не з будь-якої ділянки ДНК, а зі строго певного, званого сайтом ініціації реплікації. У геномі таких сайтів може бути як всього один, так і багато. З поняттям сайту ініціації реплікації тісно пов'язане поняття реплікон. Реплікон - це ділянка ДНК, який містить сайт ініціації реплікації і реплицируется після початку синтезу ДНК з цього сайту. Геноми бактерій, як правило, представляють собою один реплікон, це означає, що реплікація всього генома є наслідком всього одного акта ініціації реплікації. Геноми еукаріот (а також їх окремі хромосоми) складаються з великого числа самостійних репліконов, це значно скорочує сумарний час реплікації окремої хромосоми. Молекулярні механізми, які контролюють кількість актів ініціації реплікації в кожному сайті за один цикл поділу клітини, називаються контролем копийности. У бактеріальних клітинах крім хромосомної ДНК часто містяться плазміди, які представляють собою окремі реплікони. У плазмід існують свої механізми контролю копийности: вони можуть забезпечувати синтез як всього однієї копії плазміди за клітинний цикл, так і тисяч копій.

Реплікація починається в сайті ініціації реплікації з розплітання подвійної спіралі ДНК, при цьому формується репликационная вилка - місце безпосередній реплікації ДНК. В кожному сайті може формуватися одна або дві Реплікаційний вилки в залежності від того, чи є реплікація одно- або двобічної. Більш поширена двунаправленная реплікація. Через деякий час після початку реплікації в електронний мікроскоп можна спостерігати реплікаційний вічко - ділянка хромосоми, де ДНК вже реплицирована, оточений більш протяжними ділянками нерепліцірованной ДНК [1].

У вилці реплікації ДНК копіює великий білковий комплекс (реплісома), ключовим ферментом якого є ДНК-полімераза. Репликационная вилка рухається зі швидкістю близько 100 000 пар нуклеотидів в хвилину у прокаріотів і 500-5000 - у еукаріот.

Молекулярний механізм реплікації:

Ферменти (ХЕЛІКАЗИ, топоізомераза) і ДНК-зв'язуючі білки розплітає ДНК, утримують матрицю в розведеному стані і обертають молекулу ДНК. Правильність реплікації забезпечується точною відповідністю комплементарних пар основ і активністю ДНК-полімерази, здатної розпізнати і виправити помилку. Реплікація у еукаріот здійснюється кількома різними ДНК-полімерази (на відміну від реплікації ДНК у прокаріотів). ДНК-полімераза I діє на запізнілої ланцюга для видалення РНК-праймерів і дореплікаціі очищених місць ДНК. ДНК полімераза III - основний фермент реплікації ДНК, який здійснює синтез провідної ланцюга ДНК і фрагментів Окадзакі при синтезі запізнілої ланцюга (фрагменти Окадзакі - відносно короткі фрагменти ДНК, які утворюються на відстає ланцюга в процесі реплікації ДНК). Далі відбувається закручування синтезованих молекул за принципом суперспіралізації і подальшої компактизації ДНК. Синтез енерговитратний.

Ланцюги молекули ДНК розходяться, утворюють вилку реплікації, і кожна з них стає матрицею, на якій синтезується нова комплементарна ланцюг. В результаті утворюються дві нові двоспіральні молекули ДНК, ідентичні батьківській молекулі.