Этапы репликации

1. Инициация.

Репликация начинается в строго определенных участках ДНК – точках начала репликации – ori (от англ. origin - начало). Здесь находятся специфические последовательности нуклеотидов – ДНК-боксы, распознаваемые инициаторным белком, с которым связываются впоследствии другие ферменты репликации. Поскольку синтез ДНК происходит только на одноцепочечной матрице, ему должно предшествовать обязательное разделение двух цепей ДНК, т.е. подготовка матрицы, которая включает в себя следующие процессы:

· ДНК-геликазы расплетают двойную спираль ДНК с использованием энергии АТФ. Участок начала расхождения цепей называется репликативной вилкой из-за характерной Y-образной формы.

· ДНК-топоизомеразы снимают топологическое напряжение (суперспирализацию) при раскручивании ДНК. Для этого фермент сначала разрывает цепь ДНК, затем ковалентно присоединяется к разорванному концу. Эта связь обладает значительной энергией, поэтому реакция обратима и не требует дополнительных энергетических затрат. Обнаружено 2 типа топоизомераз: топоизомераза I (вносит однонитевые разрывы) и топоизомераза II (вносит двунитевые разрывы в ДНК).

· SSB-белки (от англ. single-strand DNA-binding proteins) связываются с одноцепочечными участками и стабилизируют расплетенный дуплекс, препятствуя образованию шпилек.

ДНК-матрица готова. Теперь необходимо к каждой из цепей материнской молекулы ДНК достроить из имеющихся в клетке дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (dNTP) комплементарную цепь. Ферменты, катализирующие детерминируемую ДНК-матрицей реакцию присоединения дезоксирибонуклеотидов, называются ДНК-полимеразами (ДНКП).

Первая ДНК-полимераза была обнаружена в 1957 г. А. Корнбергом, а в 1959 г. за открытие механизма биосинтеза ДНК ему была присуждена Нобелевская премия.

Наиболее хорошо изучены ДНКП у прокариот:

· ДНКП I. Функции:

- полимераза (соединяет нуклеотиды фосфодиэфирными связями),

- 3’-5’ – экзонуклеаза (может удалять 3’-концевой нуклеотид)

- 5’-3’ – экзонуклеаза (может удалять 5’-концевой нуклеотид)

· ДНКП II. Роль до конца неясна. В репликации не участвует.

· ДНКП III. Основной фермент репликации. Функции:

- полимераза (соединяет нуклеотиды фосфодиэфирными связями),

- 3’-5’ – экзонуклеаза (может удалять 3’-концевой нуклеотид)

ДНКП обладают двумя особенностями:

Во-первых, ДНК-полимеразы не могут начинать синтез ДНК, а способны только добавлять новые дезоксирибонуклеотидные звенья к 3’-концу уже имеющейся полинуклеотидной цепи. Следовательно, ДНКП нуждается в затравке. Затравка (праймер), необходимая для работы ДНКП, состоит из РНК (примерно 15-17 нуклеотидов) и синтезируется ферментом праймазой. Праймаза связывается с геликазой и ДНК, формируя структуру, называемую праймосомой. Затем ДНКП III присоединяется к праймеру и удлиняет цепь.

Во-вторых, синтез новой цепи полимеразы осуществляют только в направлении 5’-3’ вдоль матричной цепи, ориентированной антипараллельно, т.е. 3’-5’. Синтез цепей в обратном направлении не происходит никогда, поэтому синтезируемые цепи в репликативной вилке должны расти в противоположных направлениях. Синтез одной цепи (ведущей, лидирующей) происходит непрерывно, а другой (отстающей) – фрагментами. Ведущая цепь растет от 5’- к 3’ – концу в направлении движения репликативной вилки и нуждается только в одном акте инициации. Рост отстающей цепи также идет от 5’ - к 3’ –концу, но в направлении, противоположном движению репликативной вилки. Для синтеза отстающей цепи должно происходить несколько актов инициации, в результате чего образуется множество коротких цепей (фрагменты Оказаки), длина которых у прокариот составляет 1000-2000 нуклеотидов.

В начале каждого фрагмента Оказаки находится РНК-праймер, который необходимо удалить, т.к. рибонуклеотиды не должны присутствовать в составе ДНК. ДНКП I за счет своей 5’-3’-экзонуклеазной активности удаляет праймер и замещает его дезоксирибонуклеотидами. Брешь между двумя соседними фрагментами Оказаки зашивается ферментом ДНК-лигазой с использованием энергии АТФ.

2. Элонгация (удлинение цепи).

Комплекс ферментов репликации, называемый реплисомой, движется вдоль молекулы ДНК-матрицы, расплетая ее и наращивая комплементарные цепи ДНК.

3. Терминация (окончание репликации).

В ДНК имеются сайты терминации репликации, содержащие специфические последовательности, с которыми связываются терминаторные белки, препятствующие дальнейшему продвижению репликативной вилки. Синтез ДНК заканчивается.

Мы с вами ранее отметили, что кроме полимеразной активности, ДНКП обладают еще и 3’-5’ – экзонуклеазной. Она необходима для коррекции, т.е. удаления неправильно встроенного нуклеотида. ДНКП дважды проверяет соответствие каждого нуклеотида матрице: один раз перед включением его в состав растущей цепи, второй раз перед тем, как включить следующий нуклеотид.

Скорость репликации у прокариот составляет 500 нуклеотидов /сек.

Способы репликации

· θ-тип. Репликативный глазок расширяется в противоположных направлениях вдоль кольцевой молекулы ДНК. При этом образуется промежуточная структура, напоминающая греческую букву θ. Характерен для прокариот и некоторых вирусов.

· σ-тип (механизм «катящегося кольца»). Репликация начинается с разрыва фосфодиэфирной связи в одной из цепей родительской кольцевой молекулы. ДНКП присоединяется к свободному 3’ –концу и наращивает новую цепь. Промежуточная структура имеет форму буквы σ. Этот тип репликации обнаружен у некоторых вирусов, в частности, у бактериофага лямбда.

· Репликация линейных молекул с образованием нескольких репликативных вилок, движущихся друг к другу. Характерна для всех эукариот и вирусов с линейными молекулами ДНК.

Особенности репликации у эукариот

1. Репликация идет в S-период митотического цикла клетки.

2. В одной молекуле ДНК много репликонов, т.е. имеется несколько точек начала репликации.

3. ДНП-полимеразы:

· α – ДНК-полимераза. Основной фермент репликации. Обладает также и активностью праймазы. Синтезирует фрагменты Оказаки.

· β – ДНК-полимераза – фермент репарации (устраняет повреждения ДНК).

· γ – ДНК-полимераза обеспечивает синтез митохондриальной ДНК

· δ – ДНК-полимераза участвует в синтезе ведущей цепи.

4. Длина фрагментов Оказаки составляет 100-200 нуклеотидов.

5. Скорость репликации 50 нуклеотидов / сек.

6. Есть фермент теломераза, удлиняющий перед репликацией 3’-конец ДНК, т.к. каждый раз после репликации длина 3’-конца линейной молекулы ДНК уменьшается на размер праймера. Нарушения удлинения теломер связаны с канцерогенезом и старением.

Таким образом, из рассмотренного выше материала мы можем сделать вывод, что биологический смысл репликации заключается в точном воспроизведении генетической информации, что необходимо для того, чтобы наследственный материал дочерних клеток был идентичен наследственному материалу материнской клетки. Это очень важно как для развития и нормального функционирования многоклеточных организмов, так и для осуществления вегетативного размножения.

Дата добавления: 2014-01-05