Репликация днк, биологическая роль процесса. Механизм репликации. Роль ферментов и белков, не обладающих каталитической активностью в механизме репликации.

В ходе процесса репликации происходит удвоение молекулы ДНК. В каждой из идентичных дочерних молекул ДНК содержится тот же самый объем генетической информации, что и в материнской молекуле, поэтому при последующем делении клеток каждая из двух новых клеток получает эквивалентный объем генетической информации, что в конечном итоге и обеспечивает стабильность клеток и вида в ряду поколений.

На первом этапе репликации происходит раскручивание двойной спирали ДНК и расхождение ее цепей. На следующем этапе на каждой из материнских цепей ДНК синтезируется новая вторая дезоксирибополинуклеотидная цепь. Каждый следующий дезоксирибонуклеотид будет присоединяться к синтезируемой цепи лишь в том случае, если его азотистое основание будет комплементарно азотистому основанию очередного дезоксирибонуклеотидного остатка материнской цепи. По завершению процесса синтеза мы будем иметь две молекулы ДНК, в каждой из которых одна из дезоксирибонуклеотидных цепей происходит из материнской ДНК, а вторая — вновь синтезированная:

Такой механизм получил название полуконсервативного механизма репликации ДНК, поскольку в состав каждой из двух дочерних молекул ДНК входит неизмененная дезоксирибополинуклеотидная цепь материнской молекулы ДНК. Пластическим материалом для синтеза служат молекулы дезоксирибонуклеозидтрифосфатов четырех главных нуклеотидов ДНК: д(дезокси)АТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ (ТТФ). Суммарное уравнение синтеза ДНК может быть представлено в виде нескольких вариантов.

Материнская цепь ДНК + n(дАТФ) + m(дГТФ) + р(дЦТФ) + q(дТТФ) -->

Репликазный комплекс-------------------> Дочерняя молекула ДНК + Ф~Ф(n+m+p+q)

В определенном участке хромосомы, который получил название сайта инициации репликации, одновременно формируется два репликационных комплекса, которые движутся по молекуле ДНК в противоположных направлениях, образуя две репликационные вилки. Репликационные вилки соседних репликационных глазков сталкиваются и при их слиянии высвобождаются удвоенные участки хромосомной ДНК.

Ферментом, непосредственно катализирующим синтез дочерних цепей ДНК является ДНК-полимераза. В клетке имеется три ДНК-полимеразы: это a‑ДНК‑полимераза, принимающая непосредственное участие в репликации хромосомной ДНК; b-ДНК-полимераза, участвующая в процессах репарации поврежденной хромосомной ДНК и g-ДНК-полимераза, обеспечивающая репликацию митохондриальной ДНК.

Реплицируемая молекула ДНК не удовлетворяет ни одному из этих требований, поскольку представляет собой двойную плотно скрученную структуру из антипараллельных цепей без каких-либо разрывов, в районе которого мог бы присоединиться и начать работу фермент. Все перечисленные сложности разрешаются в ходе работы репликазного комплекса.

Расплетение двойной спирали ДНК осуществляется с помощью фермента - ДНК-хеликазы, способной связываться с одной из цепей ДНК и двигаться по этой цепи, расплетая по ходу своего движения двойную спираль ДНК. Энергия, необходимая для такого перемещения фермента, обеспечивается гидролизом АТФ.

К образовавшимся одноцепочечным участкам молекулы ДНК присоединяются особые белки, препятствуя обратному скручиванию расплетенного участка.

При расплетении молекулы ДНК на нераскрученной части может возникать множество супервитков. Эта проблема решается с помощью фермента топоизомеразы типа I. Фермент присоединяется к участку ДНК, имеющему супервиток, разрезает одну из цепей ДНК, что сопровождается ликвидацией супервитка, а затем вновь восстанавливает целостность разрезанной цепи. Таким образом, фермент выполняет функцию “шарнира” ликвидирующего супервитки, возникающие в ходе расплетения двойной спирали ДНК.

Поскольку ДНК-полимераза неспособна начать синтез дочерней цепи ДНК с нуля, на одной из цепей материнской ДНК, идущей в направлении 3'®5', синтезируется небольшой (порядка десятка нуклеотидных остатков) олигонрибоуклеотид, который и служит затравкой или праймером для ДНК-полимеразы. Праймер синтезируется с помощью фермента праймазы, в дальнейшем этот олигорибонуклеотид будет удален из дочерней цепи ДНК.

ДНК-полимераза присоединяется к праймеру и начинает последовательно присоединять к его 3'- концу новые дезоксирибонуклеотидные остатки, обеспечивая непрерывный рост дочерней цепи ДНК в направлении 5'®3'.

По современным представлениям репликация второй цепи материнской ДНК идет небольшими участками, получившими название “фрагменты Оказаки” по фамилии ученого, обнаружившего данный феномен.

дочерняя цепь ДНК, синтезируемая на материнской цепи ДНК, идущей в направлении 3'®5' по ходу движения репликационной вилки, синтезируется несколько раньше и в виде непрерывной цепи; она получила название “ведущей” цепи. Тогда как синтез дочерней цепи на материнской цепи ДНК, идущей в направлении 5'®3' по ходу движения репликационной вилки, несколько запаздывает во времени и идет в виде фрагментов Оказаки, она носит название “отстающей” цепи.