Биосинтез ДНК. Репликация

Биосинтезы

Синтез новой дочерней цепи ДНК происходит на одной из цепей материнской ДНК как на матрице, поэтому последовательность оснований в цепи-матрице определяет последовательность оснований в новой цепи: против аденина в цепи матрицы в дочернюю цепь всегда пристраивается тимин, а против гуанина − цитозин и наоборот. В результате новая цепь ДНК является копией старой, поэтому этот процесс называется репликацией, то есть копированием. Репликация ДНК начинается с того, что её двойная спираль освобождается от гистонов, и обе цепи молекулы расходятся. После этого каждая из материнских цепей будет служить матрицей, на которой пойдёт синтез новой цепи ДНК. Раскручивание начинается в определенной точке ДНК, называемой точкой инициации. Инициация синтеза у простых организмов происходит в одной точке, а у животных в нескольких точках. Та часть молекулы ДНК, которая уже расплелась и в данный момент служит матрицей для синтеза дочерней цепи, называется репликационной вилкой.

Двойная спираль в обычных условиях довольно стабильна. Спаренные основания соединены так прочно, что для разделения двух цепей ДНК в пробирке нужна температура ~90^оС, а для того, чтобы спираль раскрутилась, в клетке необходимы специальные ферменты: белки ДНК – геликазы и белки, дестабилизирующие спираль (SSВ-белки). В ходе репликации ферменты перемещаются вдоль молекулы ДНК, при этом расплетаются всё новые участки родительской цепи до тех пор, пока репликационная вилка не дойдёт до точки окончания синтеза – точки терминации. Чтобы расплетённые цепи опять не соединились, каждая цепь связывается с несколькими молекулами дестабилизирующего белка, которые соединяются с одиночными цепями белка, не закрывая нуклеотидных оснований.

Мономерами для новой цепи ДНК являются одиночные дизокси нуклиозидтрифосфаты. В ходе реакции от каждого из них отщепляется пирофосфатный остаток, так как включение каждого мономера в молекулу ДНК требует затраты высокоэнергетических связей.

Способность азотистых оснований молекул различных нуклеиновых кислот узнавать друг друга путём нековалентного взаимодействия называется спариванием оснований. Спаривание оснований лежит в основе механизмов наследственности. Фермент, катализирующий соединения друг с другом свободных нуклеотидов с образованием новой цепи ДНК, называется ДНК-полимеразой. Она присоединяет дезоксирибонуклеозидтрифосфат к ОН-группе на 3¹ одной из цепей, при этом две концевые фосфатные группы (пирофосфат) отщепляются, а высвобождаемая энергия используется для связи между нуклеотидами. Так как считывание информации происходит от 3¹-конца цепи к ее 5¹-концу, то новая цепь растет в направлении 5¹→3¹ и антипараллельна цепи-матрице.

Поскольку две цепи родительской ДНК антипараллельны, то только одна из новых цепей может синтезироваться в направлении 5¹→3¹. На второй цепи-матрице синтез новой цепи должен был бы идти в направлении 3¹→5¹, однако, поскольку не существует фермента, катализирующего полимеризацию нуклеотидов в этом направлении, то и вторая цепь также синтезируется в напрвлении 5¹→3¹, но короткими фрагментами, называемыми фрагментами Оказаки по имени ученого, открывшего их. У бактериальной клетки число этих фрагментов достигае 1-2 тысяч, а у клеток эукариот – всего 100-200. Фрагменты потом сшиваются с помощью фермента ДНК-лигазы путем связывания 5¹-фосфата одного фрагмента с 3¹-ОН-группой другого, в результате чего образуется непрерывная вторая цепь ДНК.

Цепь ДНК, синтезируется непрерывно и называется лидирующей, а другая, синтезируемая короткими фрагментами − отстающей. Ведущая цепь растёт непрерывно, так как непрерывно работает ДНК-полимераза, а на отстающей цепи этот фермент работает через определенные промежутки времени, когда начинает действоваь РНК-затравка. Она синтезируется из рибонуклеозидтрифосфатов с помощью фермента ДНК-праймазы и состоит у эукариотов из 10 нуклеотидов. РНК-праймазы синтезируются с определенными интервалами на матрице и являются точками инициации синтеза фрагментов Оказаки, предоставляя свою свободную 3¹-ОН-группу для присоединения первого нуклеотида ДНК. ДНК-полимераза присоединяет один нуклеотид за другим до тех пор, пока не достигнет РНК-затравки, присоединенной к 5¹-концу предыдущего фрагмента ДНК.

Итак, в результате синтеза новой цепи ДНК происходит репликация (копирование), материнской цепи ДНК и ее удвоение, при этом каждая новая молекула состоит из одной «старой» и одной «новой» полинуклеотидной цепи. Т акая репликация называется полуконсервативной. Периодичность репликации ДНК совпадает с периодичностью митоза, то есть процесса деления клеток, при котором каждая из вновь возникающих клеток получает генетический материал, идентичный исходной клетке.

Дата добавления: 2014-01-04