Суть и специфика процесса репликации ДНК

Суть процесса репликации ДНК

Репликация ДНК происходит в ядре клетки. В ходе репликации молекулы ДНК рвутся водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями: аденином и тимином, а также гуанином и цитозином. Этот разрыв происходит за счет специального фермента: хеликазы. В результате цепи расходятся.

После разрыва водородных цепей на каждой из цепей синтезируется новая цепь ДНК — в этом процессе непосредственное участие принимает фермент ДНК-полимеразы. К каждому нуклеотиду разошедшихся нитей ДНК ферментом ДНК-полимеразы подстраивается комплементарный ему нуклеотид. Исходный материал такого синтеза — свободные нуклеотиды, которые содержатся в цитоплазме клеток.

Особенность процесса репликации ДНК в том, что ее молекулы формируются из двух цепей, образующих двойную спираль. В процессе репликации происходит расхождение молекул ДНК, после чего дочерняя цепь получает возможность пристроить к себе новую цепь ДНК согласно принципу комплементарности. Как результат — образование из одной двойной спирали сразу двух. Эти две дочерние цепи ничем не отличаются от исходной цепи. Одна молекула тоже образует две идентичные друг другу молекулы.

Таким образом, можно сказать, что механизм репликации ДНК носит полуконсервативный характер. У каждой дочерней молекулы ДНК есть одна материнская цепь и одна вновь синтезированная.

Если говорить кратко о репликации ДНК — ее механизмы и основные ферменты свойственны большинству существующих на планете организмов. Исключения есть только среди бактерий и вирусов.

Важно, что расхождение цепей исходный молекул ДНК зависит от фермента геликазы. В определенных местах этот фермент способствует разрыву водородных связей, которые располагаются между азотистыми основаниями и ДНК. Для перемещения этих ферментов затрачивается энергия.

Геликаза представляет собой фермент, обеспечивающий расхождение цепей ДНК в ходе репликации.

Специфика репликации ДНК

Есть и другие ферменты, принимающие участие в репликации ДНК — в образовании новой дочерней цепочки они играют не менее важную роль.

По окончании процесса репликации цепочки ДНК не должны соединяться. Есть специальные дестабилизирующие белки, которые удерживают их друг от друга на расстоянии. Они выстраиваются в ряд, образуя зоны репликации — репликационные вилки. Их формирование происходит довольно закономерно, однако не в любом месте ДНК. Они образуются исключительно в точках начала процесса репликации из определенной последовательности нуклеотидов. Всего насчитывается более 300 таких нуклеотидов. Эти точки или места распознают специализированные белки, образуя нечто наподобие репликационного глазка. Две молекулы ДНК расходятся именно в таком репликационном глазке.

Точка, в которой начинается процесс репликации, может находиться в прямом и обратном направлении по всей длине хромосомы. В последнем случае имеет место расхождение цепи ДНК и вперед, и назад. Из одного репликационного глазка развивается две репликационные вилки.

Цепи ДНК характеризуются спиральной закрученностью. При разделении хеликазой они способствуют формированию новых завитков: они располагаются перед репликационной вилкой. Репликация ДНК отличается большим напряжением. Чтобы снять это напряжение, молекула ДНК должна поворачиваться вокруг своей оси один раз при каждом расхождении 10-й пары расходящихся нуклеотидов. Один виток спирали формируется как раз таким количеством. Однако это не самый эффективный способ нейтрализовать напряжение при репликации спирали.

Ключевые процессы репликации

Выделим несколько ключевых процессов репликации:

• разрыв одной цепи ДНК ферментом топоизомеразы. Этот участок подвергается инверсии: он прокручивается вокруг своей цепи и устраняет витки напряжения;
• отдельная часть ДНК старой молекулы превращается в матрицу для синтеза новой цепи — по принципу комплементарности;
• ДНК-полимераза обеспечивает присоединение нуклеотидов к растущей дочерней цепи. Такой фермент существует в различных видах.

Особенности полимеразы

Благодаря ДНК-полимеразе образуются водородные связи, после чего нуклеотид связывается с последним нуклеотидом дочерней цепи. В ходе этого процесса отделяются пирофосфаты и расщепляются на отдельные фосфаты.

Энергетически отщепление пирофосфата в ходе гидролиза выгодна. Благодаря этому формирующие реакцию связи направляются в цепь. Полимераз использует полученную энергию.

Для полимеразы характерно:

• удлинение растущей цепи;
• отсоединение ошибочных нуклеотидов;
• корректирующая способность.

Полимераза удаляет нуклеотиды, которые должны быть последними присоединены к новой цепи в случае, если они не комплементарны матричным.

У полимеразы есть и минус: она не способна самостоятельно запустить синтез участка дочерней цепи. Это объясняется тем, что для этой задачи ей нужен —OH- конец нуклеотида, который уже соединены с цепью. В этом случае не обойтись без затравки или праймера.

Сборка молекулы ДНК может быть фрагментарной или непрерывной. Намного быстрее происходит непрерывная сборка, которая сопровождается формированием лидирующей и запаздывающей цепей ДНК.

У прокариот процесс репликации ДНК протекает быстро: со скоростью до 1000 нуклеотидов в секунду. Для сравнения, у эукариот этот показатель за аналогичное время равен 100. У прокариот есть кольцевые молекулы ДНК, представляющие собой один репликон. По этой причине начало синтеза ДНК — в разных точках (и не всегда в одно время).

Ферменты вместе с другими белками репликации действуют совместно: они формируют комплексы и направляются по всей ДНК. В подобном процессе принимает участие около 20 различных белков.

Как видно, репликация в биологии — это основа множества генетически обусловленных процессов. Благодаря ей наследственный материал реализуется в полной мере и по заранее определенным процессам. Редупликация ДНК — это один из самых важных процессов в организме.