ЦИКЛ РЕПЛИКАЦИИ ДНК ВКЛЮЧАЕТ АНАЛИЗ NMO И МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ РЕПЛИКАЦИИ ДНК

Репликация ДНК. Механизмы

Деление клеток происходит посредством митоза, при этом, во избежание потери генетической информации, вначале удваивается весь ядерный геном в S-фазе клеточного цикла. Продолжительность S-фазы составляет 8 ч. Д НК центромер хромосом реплицируется во время средней стадии митоза, что предшествует процессу сегрегации хромосом.

Репликация митохондриальной и ядерной ДНК происходит в разные фазы клеточного цикла. Несмотря на то что общая последовательность стадий при репликации ядерной ДНК у высших существ (эукариот) и у бактерий (прокариот) одинакова, сам процесс имеет незначительные отличия. Так, у эукариот во время репликации ДНК (ядерная) остаётся в нуклеосомной конфигурации.

Фрагменты ДНК, богатые парами оснований Г—Ц (R-полосы эухроматина в уплотнённом хроматине), экспрессируют гены «домашнего хозяйства», которые функционируют во всех клетках организма. Данные фрагменты реплицируются на ранней стадии S-фазы. Участки гетерохроматина, богатые парами оснований А—Т (G-полосы), экспрессируют небольшое количество генов и реплицируются на поздней стадии S-фазы.

Гены с большим содержанием пар А—Т, кодирующие различные свойства и функционирующие лишь в определённых клетках, входят в состав факультативного гетерохроматина. Их репликация происходит на ранней стадии S-фазы только в тех клетках, в которых они экспрессируются, и на поздних стадиях — в клетках, где экспрессии не происходит.

Область спирали ДНК, которая в начале репликации раскручивается в первую очередь, называют участком начала репликации (репликоном). В этом месте двойную нить расплетает фермент хеликаза, раскрывающий последовательность оснований. Процесс репликации происходит вдоль одной цепи со скоростью примерно 40-50 нуклеотидов в секунду одновременно в обоих направлениях. У высших существ имеется множество репликонов, расположенных на расстоянии 50 000—300 000 п.н. В месте разделения нити ДНК возникают репликационные вздутия, на каждом конце которого формируется репликационная вилка.

Новая ДНК синтезируется при участии ферментов, называемых ДНК-полимеразами, из дезоксирибонуклеотидтрифосфатов (АТФ, ГТФ и др.), которые превращаются в монофосфатные нуклеотиды (АМФ, ГМФ и др.). Отщепление и гидролиз пирофосфатов из трифосфатов обеспечивают процесс энергией и обусловливают его полную необратимость, делая молекулу ДНК достаточно устойчивой.

Все ДНК-полимеразы могут выстраивать новую ДНК только в направлении от 5′- к 3′-концу. Это означает, что ферменты должны двигаться вдоль матричной цепи от 3′- к 5′-концу. В связи с этим репликация может непрерывно происходить от репликона только по одной цепи, называемой опережающей. Из-за расположения Сахаров репликация по второй, отстающей цепи происходит только на коротких отрезках, известных как фрагменты Оказаки.

Длина новых фрагментов ДНК, образующихся вдоль отстающей цепи, в среднем составляет 100—200 пар нуклеотидов. Во время синтеза фрагменты Оказаки сшивает между собой фермент ДНК-лигаза. В ожидании репликации стабильность первичной одноцепочечной нуклеотидной последовательности отстающей цепи поддерживается белком, связывающим одноцепочечную ДНК (или спиральдестабилизирующим белком).

Для синтеза опережающей цепи необходим фермент ДНК-полимераза S, а для синтеза отстающей — ДНК-полимераза а. Последняя имеет субъединицу, называемую ДНКпраймазой, которая синтезирует короткую РНК-затравку, играющую роль праймера. Репликация мито-хондриальной ДНК происходит независимо от процессов в ядре. При этом используется ряд других ферментов, один из которых — ДНК-полимераза у.

В геноме присутствует большое количество копий пяти гистонных генов, благодаря чему происходит синтез множества гистонов (особенно во время S-фазы), которые сразу после репликации связываются с новой цепью ДНК.
Следует отметить, что процесс репликации носит название полуконсервативного, так как в состав дочерних молекул ДНК входит одна первичная цепь и одна синтезированная.

Репликация теломер ДНК

Основной проблемой синтеза ДНК на конце отстающей цепи служит то, что ДНК-полимеразе а необходимо прикрепиться выше конца последовательности, которая реплицирована, и работать проксимально в направлении от 5′- к 3′-концу. Для решения этой проблемы нужен ДНК-синтетический фермент теломераза, который продлевает отстающую цепь.

Теломераза — рибонуклеопротеин, содержащий матричную РНК с последовательностью 3′-ААУЦЦЦААУ-5′, которая комплементарна полутора повторам шестиосновной теломерной ДНК (5′-ГГГТТА-3′). Фрагмент последовательности 3′-ААУ РНК-теломеразы связывается с терминальным концом ТТА-5′ матричной отстающей цепи, при этом остальная часть РНК остаётся свободной. Затем к этой матричной РНК присоединяются дезоксирибонуклеотиды, тем самым продлевая повторяющуюся последовательность в ДНК на один сегмент.

После этого теломераза отщепляется и направляется к другому терминальному концу с последовательностью ТТА-5′, и процесс повторяется. Как только возникает достаточно длинный терминальный повтор, ДНК-полимераза а прикрепляется к полученному одноцепочечному фрагменту и достраивает вторую цепь по методу комплементарности в проксимальном 5’—3′-направлении, двигаясь к уже существующему двухцепочечному участку, последующее слияние с которым происходит благодаря действию ДНК-лигазы.

Репаративные механизмы ДНК

Иногда в растущую цепь случайно вклинивается неправильное основание, однако, к счастью, у здоровых клеток присутствуют пострепликационные репаративные ферменты и система коррекции ошибочного спаривания оснований, которые исправляют подобные ошибки. В основе механизма действия данных систем лежат удаление и замена ошибочно вставленных оснований в соответствии с последовательностью матричной цепи. Для их функционирования необходимы ДНК-полимеразы b и е.

Значение ДНК для медицины. Патология пострепликационных механизмов репарации иногда обусловливает предрасположенность пациентов к некоторым онкологическим заболеваниям. К ним относят синдром множественной ломкости хромосом (синдром Блума), наследственную предрасположенность к раку молочной железы, вызванную мутациями генов BRCA1 и BRCA2, и аутосомно-доминантную форму рака кишечника (наследственный неполипозный рак толстой кишки).

Существует теория, утверждающая, что после каждого клеточного цикла теломеры укорачиваются на один повтор, а следовательно, количество делений клетки ограничено числом повторов в теломерной цепи. Согласно этому бесконечный рост и деление опухолевых клеток происходят из-за присутствия активных мутантных теломераз, которые препятствуют разрушению теломер.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

— Вернуться в содержание раздела «генетика» на нашем сайте

Механизмы исправления ошибок во время репликации ДНК и ее репарация вследствие повреждений на протяжении всего жизненного цикла клетки.

Основные моменты

Как ДНК связана с раком? Рак возникает при неконтролируемом делении клеток, когда игнорируются клеточные «стоп»-сигналы, что приводит к образованию опухоли. Это неправильное поведение клеток вызвано накопившимися мутациями — необратимыми изменениями последовательности ДНК клетки.

На самом деле, ошибки в процессе репликации и повреждения ДНК возникают в клетках нашего тела постоянно. Однако в большинстве случаев они не приводят к раку и даже не вызывают мутаций, такие ошибки обычно обнаруживаются и исправляются в процессе репарации ДНК. Если же повреждение исправить не удаётся, то в клетке включается механизм самоуничтожения — (апоптоз), который предотвращает передачу поврежденной ДНК дочерним клеткам.

Мутации возникают и передаются дочерним клеткам только тогда, когда эти механизмы не справляются. В частности, рак возникает в случае накопившихся в одной клетке мутаций генов, связанных с делением.

В этой статье мы подробно рассмотрим механизмы, используемые клетками для исправления ошибок, которые возникают в процессе репликации. К ним относятся:

Исправление ошибок

ДНК-полимеразы — это ферменты, участвующие в репликации ДНК. Во время копирования ДНК большинство ДНК-полимераз «проверяют», корректный ли нуклеотид они добавляют. Этот процесс называется исправлением ошибок. Если полимераза обнаружит, что был добавлен неправильный нуклеотид, она сразу же удалит и заменит его и только после этого продолжит синтез ДНК.

Репарация ошибочно спаренных нуклеотидов

Процесс исправления избавляет от основной массы ошибок, но не от всех. После создания новой ДНК запускается механизм репарации ошибочно спаренных нуклеотидов — удаления и замены ошибочно спаренных нуклеотидов, оставшихся в результате репликации. Исправление несоответствий между парами оснований также может включать в себя исправление небольших вставок и делеций, возникающих вследствие «соскальзывания» полимеразы с исходной цепи .

Как происходит восстановление неправильно спаренных нуклеотидов? Во-первых, белковый комплекс распознаёт неправильно спаренный нуклеотид и связывается с ним. Другой комплекс разрезает ДНК в области несовпадения, а ещё одна группа ферментов отщепляет некорректный нуклеотид вместе с небольшим участком вокруг него. Затем ДНК-полимераза заполняет этот пробел правильными нуклеотидами, а фермент ДНК-лигаза сшивает разрывы в цепи.

Удивительно: как белки, участвующие в восстановлении ДНК, определяют, «кто прав» во время репарации ошибочно спаренных нуклеотидов? То есть, когда два основания неправильно соединены (как G (гуанин) и T (тимин) на рисунке выше), какое из этих двух оснований должно быть удалено и заменено?

У бактерий можно отличить исходную и дочернюю цепи ДНК по метилированным основаниям. На исходной цепи ДНК есть метильные () группы, присоединенные к некоторым из ее оснований, а у дочерней цепи таких групп еще нет.

У эукариот процессы, позволяющие идентифицировать исходную цепь при устранении несоответствий, включают распознавание одноцепочечных разрывов, которые обнаруживаются только у дочерней цепи .

Механизмы репарации ДНК

С ДНК может что-нибудь случиться практически в любой момент жизни клетки, а не только во время репликации. Фактически, ДНК постоянно повреждается из-за воздействия внешних факторов: ультрафиолетового излучения и радиации, химических веществ, не говоря уже о спонтанных процессах, которые протекают даже без вмешательства окружающей среды!

К счастью, наши клетки имеют механизмы восстановления, с помощью которых они находят и исправляют большинство повреждений ДНК. Можно выделить несколько типов репарации:

Прямая репарация

В некоторых случаях клетка может исправить повреждение ДНК, обратив вызвавшую его реакцию. Дело в том, что «повреждение ДНК» — это, как правило, присоединение к ней лишней группы в результате химической реакции.

Например, гуанин (G) может подвергаться реакции с присоединением метильной () группы к атому кислорода в азотистом основании. Если это не исправить, метил-содержащий гуанин будет связываться с тимином (Т), а не с цитозином (С) во время репликации ДНК. К счастью, у людей и многих других организмов есть фермент, который может удалить метильную группу, обратив реакцию, и тем самым вернуть азотистое основание в нормальное состояние.

Эксцизионная репарация оснований

Эксцизионная репарация оснований — это механизм, используемый для обнаружения и удаления определенных типов поврежденных азотистых оснований. Ключевую роль в нем играет группа ферментов, называемых гликозилазами. Каждая гликозилаза обнаруживает и удаляет определенный вид поврежденных оснований.

Например, в процессе реакции дезаминирования цитозин может превратиться в урацил — основание, обычно встречающееся только в РНК. Во время репликации ДНК урацил будет соединяться с аденином, а не с гуанином (в отличие от цитозина), поэтому такое превращение может привести к возникновению мутации.

Для предотвращения подобных изменений гликозилаза, являющаяся частью сигнального пути эксцизионной репарации, обнаруживает и удаляет дезаминированные цитозины. После того, как основание было удалено, удаляется и оставшаяся часть нуклеотида, а другие ферменты заполняют пробел.

Эксцизионная репарация нуклеотидов

Эксцизионная репарация нуклеотидов — это еще один способ удаления и замены поврежденных оснований. В результате нее обнаруживаются и корректируются повреждения, которые искажают форму двойной спирали ДНК. Например, азотистые основания могут измениться, присоединив к себе громоздкие группы атомов, в частности, в результате воздействия химических веществ, содержащихся в сигаретном дыме.

Эксцизионная репарация нуклеотидов также используется для устранения повреждений, вызванных ультрафиолетовым излучением, например, при получении солнечного ожога. Под воздействием УФ-излучения цитозин и тимин могут вступать в реакцию с соседними основаниями, которые также являются цитозином или тимином, образуя при этом связи, изменяющие форму двойной спирали и вызывающие ошибки в процессе репликации ДНК. Наиболее распространенный тип таких связей — тиминовый димер — он состоит из двух тиминовых оснований, вступающих в реакцию друг с другом и образующих химическую связь.

При эксцизионной репарации нуклеотидов поврежденные нуклеотиды удаляются вместе с соседними нуклеотидами. В этом процессе хеликаза (фермент, раскручивающий ДНК) раскрывает ДНК, образуя пузырь, а ферменты, разрезающие ДНК, отсекают поврежденную часть пузыря. Полимераза заполняет пробел, а лигаза сшивает разрыв в цепи.

Репарация двухцепочечных разрывов

Некоторые факторы окружающей среды, например, радиация, могут вызывать разрывы обеих цепочек ДНК (разделение хромосомы на две части). Такие повреждения ДНК, если верить комиксам, ведут к появлению супергероев, но могут встречаться и после реальных катастроф, например, Чернобыльской.

Двухцепочечные разрывы опасны, потому что большие сегменты хромосом и сотни содержащихся в них генов могут быть потеряны, если разрыв не будет восстановлен. Существует два способа восстановления двухцепочечных разрывов ДНК: негомологичное соединение концов и гомологичная рекомбинация.

При негомологичном соединении концов два разорванных конца хромосомы просто склеиваются обратно. Этот механизм восстановления является «грубым» и неточным, в результате в месте разрыва, как правило, либо теряются нуклеотиды, либо добавляются лишние, что может привести к мутациям. Но это в любом случае лучше потери целого фрагмента хромосомы.

При гомологичной рекомбинации для восстановления разрыва используется фрагмент из гомологичной хромосомы, который соответствует поврежденной хромосоме (или из сестринской хроматиды, если ДНК была реплицирована). В этом процессе две хромосомы объединяются, и неповрежденная область гомологичной хромосомы или хроматиды используется в качестве матрицы для замены поврежденной области. Гомологичная рекомбинация работает «чище», точнее, чем негомологичное соединение концов, и обычно не приводит к образованию мутаций.

Репарация ДНК и заболевания человека

Доказательства важности механизмов репарации получены на основе генетических заболеваний человека. Во многих случаях мутации в генах, которые кодируют белки, участвующие в репарации, связаны с наследственным раком. Например:

У этого термина существуют и другие значения, см. Репликация.

Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены:

запаздывающая нить,

лидирующая нить,

ДНК-полимераза (Polα),

ДНК-лигаза,

РНК-праймер,

праймаза,

фрагмент Оказаки,

ДНК-полимераза (Polδ),

хеликаза,

белки, связывающие одноцепочечную ДНК,

топоизомераза

Процесс репликации: раскручивание двойной спирали ДНК — синтез комплементарных цепей ДНК-полимеразой — образование двух молекул ДНК из одной

Репликация ДНК — ключевое событие в ходе деления клетки. Принципиально, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определёнными механизмами регуляции репликации ДНК. Репликация проходит в три этапа:

Молекулярный механизм репликации

Цепи молекулы ДНК расходятся, образуют репликационную вилку, и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.

Процесс репликации состоит из трех этапов: инициация, элонгация и терминация.

Бактериальная клетка должна завершить репликацию ДНК, прежде чем она сможет начать процесс клеточного деления. Условия среды, в которых поддерживается быстрый рост бактерий, также соответствует более быстрому завершению стадии инициации, то есть время удвоения в быстро растущих клеточных культурах меньше по сравнению с медленно растущими. Другими словами, возможно, что в благоприятных условиях для быстрого роста клетки начинают реплицировать свою ДНК для следующего поколения после своих дочерних клеток. Чтобы этого не происходило, инициация репликации ДНК строго регулируется.

ДНК прокариот включает в себя две точки origin. Первая называется сайтом узнавания репликации (English. Replication recognition sequence), который состоит из 4 одинаковых повторов (каждый по 9 пар нуклеотидов). Именно этот участок является ответственным за начало раскручивания цепочки ДНК и запуск всего последующего механизма репликации. На него прикрепляются DnaA белки, которые начинают создавать отрицательное напряжение, и в этом месте ДНК происходит отрицательная сверхспирализация ДНК. Отрицательная сверхспирализация способствует облегчению локального плавления двойной спирали, что обеспечивает нормальную инициацию репликации.

У DnaA есть четыре домена, у каждый из которых имеет свою собственную функцию. Существует 11 сайтов связывания DnaA на месте репликации E. coli, из которых три бокса R1, R2 и R4 (которые имеют высококонсервативную консенсусную последовательность 9 ‘bp 5’ — TTATC / ACACA) сиквенса с высоким сродством к DnaA. На этих 3 боксах DnaA белки образуют комплексы с АТФ (DnaA-ADP и DnaA-ATP) с одинаковым сродством и находятся в таком состоянии на протяжении большей части клеточного цикла образуя каркас, на котором собирается остальная часть репликативного белкового комплекса. Остальные восемь боксов DnaA являются сайтами с низким сродством, которые преимущественно связываются с DnaA-ATP только непосредственно перед инициацией репликации в АТФ-связанном состоянии.

Связывание сайта узнавания DnaA белками изменяет изначальную конформацию двойной цепи ДНК. Предполагается, что происходящее растяжение ДНК с помощью DnaA способствует разделению нитей. Это позволяет большему количеству DnaA связываться с разматываемой областью. Затем фермент DnaC (схожий по функциям с хеликазой эукариот) взаимодействует с DnaA белками, которые связаны с одноцепочечной ДНК. С этим комплексом соединяется фермент хеликаза DnaB, которая будет продолжать разматывать ДНК. В этот момент DnaC отсоединяется из ориджина и DnaB связывает DnaG — праймазу, которая синтезирует праймер рибонуклеиновой природы, так как ДНК-полимераза нуждается в праймере, к которому она могла бы добавить первый нуклеотид, с которого она сможет начинать стадию элонгации. Основная функция фермента DnaG — синтез праймеров фрагментов Оказаки у E. coli.

Как только прайминг завершен, в ДНК загружается ДНК-полимераза III, и начинается репликация. Каталитический механизм ДНК-полимеразы III задействует два иона магния в качестве кофактора в его активном центре той его области, которая может различать дезоксирибонуклеотиды и рибонуклеотиды. Ионы металлов являются двухвалентными катионами, которые помогают 3′-ОН инициировать нуклеофильное присоединение альфа-фосфат дезоксирибонуклеотида, скоординировать и стабилизировать отрицательно заряженный трифосфат на дезоксирибонуклеотиде. Нуклеофильное присоединение 3′-ОН к альфа-фосфату высвобождает пирофосфат, который затем гидролизуется (неорганической фосфатазой) в два фосфата. Этот гидролиз приводит к завершению синтеза ДНК.

Кроме того, ДНК-полимераза III должна различать правильно спаренные основания и неправильно спаренные основания. Это достигается путем отличию пар оснований Уотсона-Крика посредством использования активному центру фермента, который по форме соответствует структуре правильно спаренных нуклеотидов. Этот участок содержит остаток тирозина, который способен образовывать Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия с правильно спаренным нуклеотидом. Кроме того, дцДНК (двухцепочечная ДНК) в активном центре имеет более широкую большую бороздку и маленькую бороздку, что позволяет образовывать водородные связи с третьим азотом пуриновых оснований и вторым кислородом пиримидиновых оснований на краях оснований в большой бороздке, где те более доступны. Наконец, активный центр создает крепкие водородные связи с основной цепью ДНК. Эти взаимодействия приводят к тому, что ДНК-полимераза III замыкается вокруг правильно спаренного основания. Если основание вставлено но спарено неправильно, то эти взаимодействия не смогут произойти из-за нарушений водородной связи и Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий.

У прокариот имеются специальные терминаторы, прекращающие синтез цепи ДНК. Участок ДНК у E. coli, на котором происходит терминация, имеет длину 350 тысяч пар нуклеотидов (350 килобаз). Эта область ограничена с двух сторон 10 идентичными непалиндромными сайтами терминации длиной ~23 нуклеотида: TerH, TerI, TerE, TerD, TerA (с одной стороны) и TerJ, TerG, TerF, TerB, TerC (с другой). Эти последовательности позволяют двум вилкам репликации проходить только в одном направлении, но не в другом. Как правило, репликативная вилка останавливается на одном из этих сайтов. В самом процессе терминации участвует Tus-белок, который связывается с одним из Ter-сайтов и блокирует действие белка DnaB (хеликазы) — препятствует раскручиванию двойной спирали ДНК.

Репликация ДНК первоначально дает два связанных между собой кольцевых дуплекса ДНК, каждый из которых содержит одну родительскую цепь и одну вновь синтезированную цепь (согласно полуконсервативному механизму репликации). Это можно представить как два взаимосвязанных кольца, которые не могут быть разделены. Топоизомераза IV в E.coli разрушает фосфодиэфирные связи, присутствующие в двух последовательных нуклеотидах или родительской ДНК, или вновь образованной ДНК, тем самым освобождает эти кольцевые дуплексы, а затем ДНК-лигаза катализирует ковалентное сшивание этой поврежденной цепи ДНК, и, таким образом завершается репликация ДНК в бактериальной клетке с образованием двух дочерних молекул.

В этом видео мы расскажем о роли ДНК-полимераз и других ферментов репликации. Также объясним различия между лидирующей и отстающей цепями, и расскажем о фрагментах Оказаки?

Репликация ДНК, или копирование ДНК клетки, не простая задача! В вашем геноме содержится около пар оснований ДНК, и все они должны быть точно скопированы в процессе деления любой из триллионов клеток вашего организма.

Основные механизмы репликации ДНК одинаковы для всех организмов. В данной статье мы рассмотрим репликацию ДНК в бактерии E. coli (кишечной палочки) — этот процесс протекает схожим образом у людей и других эукариотов

Давайте рассмотрим белки и ферменты, которые осуществляют репликацию, и увидим, как их совместная работа обеспечивает точную и полную репликацию ДНК.

Основная идея

Полуконсервативный механизм репликации ДНК заключается в том, что каждая цепь двойной спирали ДНК выступает в качестве матрицы для синтеза новой комплементарной цепи.

Этот процесс приводит к тому, что из одной исходной молекулы образуются две «дочерние», причем каждая вновь образованная двойная спираль содержит одну новую и одну старую цепь.

В общих чертах, это все, что нужно для репликации ДНК! Однако самое интересное в этом процессе — это как раз то, как он протекает

Клеткам необходимо копировать свою ДНК очень быстро и с минимальным количеством ошибок (во избежание риска развития рака). Для этого они используют различные ферменты и белки, которые действуют совместно для обеспечения бесперебойной и точной репликации ДНК.

ДНК-полимераза

Одной из ключевых молекул в репликации ДНК является фермент ДНК-полимераза. Д НК-полимеразы отвечают за синтез ДНК: они присоединяют нуклеотиды один за другим к растущей цепи ДНК, включая в неё только те нуклеотиды, которые комплементарны матрице.

Вот некоторые основные особенности ДНК-полимеразы:

Для присоединения нуклеотидов к цепи требуется энергия. Источником этой энергии являются сами нуклеотиды, к которым прикреплены три фосфата (подобно молекуле АТФ, несущей энергию). Когда связь между фосфатами разрушается, высвобождаемая энергия используется для образования связи между присоединяющимся нуклеотидом и растущей цепью.

У прокариот, таких как E. coli, есть две основные ДНК-полимеразы, участвующие в репликации ДНК: ДНК-полимераза III (основной фермент, участвующий в синтезе ДНК) и ДНК-полимераза I, играющая вспомогательную роль, которую мы рассмотрим позже.

Начало репликации ДНК

Как ДНК-полимеразы и другие факторы репликации узнают, откуда им начать? Репликация всегда начинается в определенных местах ДНК, так называемых точках начала репликации, которые распознаются по нуклеотидной последовательности.

E. coli, как и большинство бактерий, имеет единственную точку начала репликации на своей хромосоме. Длина этого фрагмента составляет около пар оснований и содержит в основном пары оснований A/T (которые удерживаются вместе меньшим количеством водородных связей, чем пары оснований G/C), что облегчает разделение цепей ДНК.

Специализированные белки распознают этот участок и связываются с ним, разъединяя цепи ДНК. В результате образуются две Y-образные структуры, называемые репликационными вилками, которые вместе образуют так называемый репликационный пузырь. В процессе репликации вилки двигаются в противоположных направлениях.

Как на самом деле происходит репликация в репликационных вилках? Хеликаза — первый фермент, прикрепляется к точке начала репликации. Задача Хеликазы — продвигать вилки репликации вперед, «расплетая» ДНК (разрывая водородные связи между азотистыми основаниями).

Специальные белки, связывающиеся с одноцепочечной ДНК, обволакивают отдельные нити ДНК возле репликационной вилки, предотвращая их повторное объединение в двойную спираль.

Праймеры и праймаза

ДНК-полимеразы могут добавлять нуклеотиды только к 3′-концу существующей цепи ДНК. Они используют свободную группу -ОН, находящуюся на 3′-конце, в качестве «крючка», прицепляя новый нуклеотид к этой группе в результате реакции полимеризации. Как же тогда ДНК-полимераза присоединяет первый нуклеотид на новой репликационной вилке?

В одиночку она это сделать не может! Эта проблема решается с помощью фермента праймазы. Праймаза создает РНК праймер или короткий фрагмент нуклеиновой кислоты, комплементарный матрице, который формирует 3′-конец для работы ДНК-полимеразы. Типичный праймер имеет длину от пяти до десяти нуклеотидов. Праймер способствует началу синтеза ДНК, то есть даёт ему старт.

Как только РНК-праймер синтезирован, ДНК-полимераза «удлинняет» его, добавляя нуклеотиды один за другим, чтобы получить новую цепь ДНК, которая комплементарна матричной цепи.

Лидирующая и отстающая цепи

У бактерии E. coli, ДНК-полимераза, которая осуществляет большую часть синтеза, является ДНК-полимеразой III. На репликационной вилке находятся две молекулы ДНК-полимеразы III, каждая из которых усердно работает над одной из двух новых цепей ДНК.

Одна новая цепь, которая проходит от 5′ к 3′-концу по направлению к вилке репликации, является простой. Эта цепь создается непрерывно, потому что ДНК-полимераза движется в том же направлении, что и вилка репликации. Эта непрерывно синтезируемая цепь называется лидирующей цепью.

В другой новой цепи, которая направлена от репликационной вилки от 5′-конца к 3′-концу, всё немного сложнее. Эта цепь строится фрагментами, потому что по мере движения вилки ДНК-полимераза удаляется от неё, и ей в какой-то момент приходится отрываться и снова присоединяться к новому открывшемуся фрагменту. Эта цепь, достраивающаяся фрагментами, называется отстающей цепью.

Маленькие фрагменты называются фрагментами Оказаки. Они названы в честь японского ученого, который их обнаружил. Лидирующая цепь может быть синтезирована на основании одного праймера, в то время как отстающая цепь нуждается в новом праймере для каждого из коротких фрагментов Оказаки.

Бригада по техническому обслуживанию и уборке

Существуют и другие белки и ферменты, помимо перечисленных выше основных, необходимые для обеспечения бесперебойной репликации ДНК. В частности, это так называемые белки скользящего зажима, которые во время синтеза ДНК удерживают молекулы ДНК-полимеразы III. « Скользящий зажим» — это белок в форме кольца, не дающий ДНК-полимеразе III отсоединиться при переходе к новому фрагменту Оказаки.

Топоизомераза также играет важную поддерживающую роль в репликации ДНК. Этот фермент предотвращает слишком плотное скручивание двойной спирали ДНК перед вилкой репликации при раскрытии ДНК. Он вносит временные разрывы в спирали, чтобы снять излишнюю спирализацию цепей, а затем восстанавливает их, чтобы избежать необратимых повреждений.

Наконец, после всех этих процессов нужно сделать небольшую уборку, если мы хотим, чтобы в ДНК не оставалось РНК или зазоров. Д НК-полимераза I, ещё одна участвующая в репликации полимераза, удаляет РНК-праймеры и заменяет их на ДНК. Разрывы, которые остаются после удаления праймеров, восстанавливаются ферментом ДНК-лигазой.