Репликация

Репликация - процесс передачи генетической информации от ДНК к ДНК. Протекает в S-фазу клеточного цикла.

Репликация происходит полуконсервативным способом. Полуконсервативный способ означает, что цепи материнской молекулы ДНК расходятся и каждая служит матрицей для синтеза новой комплементарной последовательности. Две образовавшиеся двуспиральные молекулы ДНК, каждая из которых состоит из одной родительской и одной вновь синтезированной комплементарной цепи, распределяются между двумя дочерними клетками. Таким образом, каждая из дочерних клеток получают информацию, идентичную той, которой обладала родительская клетка.

Полуконсервативный механизм репликации у бактерий E.coli был однозначно продемонстрирован в классическом эксперименте М.Мезельсона и Ф.Сталя в 1957 г. с применением тяжелого изотопа азота в сочетании с равновесным центрифугированием. E.coli выращивали в течение ряда поколений на среде, содержащей в качестве источника азота хлористый аммоний (NH₄Cl) с "тяжелым" изотопом ¹⁵N. Вследствие этого все азотсодержащие соединения, в том числе и основания ДНК, включали этот изотоп в свой состав. Затем E.coli переносили на среду, в которой находился NH₄Cl с изотопом ¹⁴N. После первого деления обе молекулы ДНК содержали одну "легкую" и одну "тяжелую" цепи. После второго удвоения образовались две молекулы "легкой" ДНК и две гибридные (одна "легкая" и одна "тяжелая" цепи).

Механизм репликации. Механизм репликации у прокариот изучен лучше, чем у эукариот. Основные условия и компоненты репликации ДНК одинаковы у прокариот, таких как E.coli, и эукариот, включая человека. Основное функциональное значение процесса репликации ДНК заключается в снабжении потомства генетической информацией. Для обеспечения генетической стабильности организма и вида ДНК должна реплицироваться полностью и с очень высокой точностью.

Условия, необходимые для репликации

1. Матрица, которой является неспаренная цепь ДНК.

2. Субстраты синтеза, которыми являются дезоксинуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, ТТФ). Синтез идет по схеме: d(НМФ)n+dНТФ=d(НМФ)n+1+PPn, где d(НМФ)n – ДНК до удлинения, d(НМФ)n+1 – ДНК после удлинения, dНТФ – дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, РРn – пирофосфат. Нуклеозидтрифосфаты необходимы в качестве источника энергии, т.к. при расщеплении пирофосфата выделяется энергия для образования фосфодиэфирных связей.

3. Ферменты и белковые факторы, участвующие в синтезе ДНК:

1) ДНК-полимеразы I и III (у прокариот), которые участвуют в образовании 3',5'-фосфодиэфирных связей и обладают 3'®5' и 5'®3' экзонуклеазными активностями; ДНК-полимераза II является минорной ДНК-полимеразой, которая может участвовать в процессе репарации у эукариот найдено пять типов ДНК-полимераз: α, ε, β, γ и δ;

2) rep-белок (хеликаза) – расплетает двойную спираль ДНК;

3) ДНК-связывающий белок – стабилизирует расплетенные одноцепочечные участки ДНК и повышает активность хеликазы

4) ДНК-гираза (топоизомераза II) вводит отрицательные супервитки в ДНК, выполняя функцию шарнира при продвижении репликационных вилок;

5) праймаза (ДНК-зависимая РНК-полимераза) синтезирует РНК-затравку (праймер);

6) dnaB-белок, определяющий возможность праймазе инициировать синтез фрагмента РНК – праймера;

7) ДНК-лигаза - соединяет концы фрагментов ДНК.

Все ферменты и белковые факторы, участвующие в репликации, образуют макромолекулярный комплекс, называемый реплисомой.

Различают 3 стадии репликации: инициации, элонгации и терминации.