О.О. Фаворова - Сохранение ДНК в ряду поколений - репликация ДНК (статья) (1117904), страница 2
Текст из файла (страница 2)
3. ДНК-полимеразы катализируют при наличии РНК-затравки синтез ДНК из дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (дНТФ), комплементарных нуклеотидам ДНК-матрицы, наращивая цепь по одному звену (стадия 1а). Онипроверяют правильность подбора последней пары оснований и в случае присоединения неправильно спаренногонуклеотида (стадия 1б) вырезают его (стадия 2).
РНК-затравка отличается от ДНК структурой сахарного остатка(содержит вместо 2'-дезоксирибозы рибозу, что схематически отражено как наличие ОН-группы) и присутствиемоснования урацила (U) вместо тимина (T).страиваются ДНК-полимеразой, а следовательно, свысокой точностью.ê‡ÒÔÎÂÚ‡ÌË ‰‚ÓÈÌÓÈ ÒÔˇÎË ÑçäПоскольку синтез ДНК происходит на одноцепочечной матрице, ему должно предшествоватьобязательное разделение (хотя бы на время) двухцепей ДНК. Исследования, проведенные в начале60-х годов на реплицирующихся хромосомах, выявили особую, четко ограниченную область репликации, перемещающуюся вдоль родительской спиралиДНК и характеризующуюся местным расхождениемдвух ее цепей. Эта активная область из-за своейY-образной формы была названа репликационнойвилкой. Именно в ней ДНК-полимеразы синтезируют дочерние молекулы ДНК. С помощью электронной микроскопии реплицирующейся ДНК удалосьустановить, что область, которая уже реплицирована, имеет вид глазка внутри нереплицировавшейсяДНК.
Важно отметить, что репликационный глазокобразуется только в тех местах молекулы, где находятся специфические нуклеотидные последовательности. Эти последовательности, получившиеназвание точек начала репликации, состоят прибли-14зительно из 300 нуклеотидов. В зависимости от того, в одном или в двух направлениях происходитрепликация (а это зависит от природы организма),глазок содержит одну или две репликационные вилки (рис. 4).
Последовательное движение репликационной вилки приводит к расширению глазка.Двойная спираль ДНК весьма стабильна; для того чтобы она раскрылась, необходимы особые белки. Специальные ферменты ДНК-хеликазы быстродвижутся по одиночной цепи ДНК, используя дляперемещения энергию гидролиза ATФ. Встречая напути участок двойной спирали, они разрывают водородные связи между основаниями, разделяют цепи и продвигают репликационную вилку. Вслед заэтим с одиночными цепями ДНК связываются специальные дестабилизирующие спираль белки, которые не позволяют одиночным цепям ДНК сомкнуться.
При этом они не закрывают основанийДНК, оставляя их доступными для спаривания.Не следует забывать, что комплементарные цепи ДНК закручены друг вокруг друга в спираль.Следовательно, для того чтобы репликационнаявилка могла продвигаться вперед, вся еще не удвоенная часть ДНК должна была бы очень быстро вращаться. Эта топологическая проблема решаетсяëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996другая в направлении 3'–5'. В действительности, однако, оказалось, что дочерние цепи растут только внаправлении 5'–3', то есть всегда удлиняется 3'-конец затравки, а матрица считывается ДНК-полимеразой в направлении 3'–5'. Это утверждение на первый взгляд кажется несовместимым с движениемрепликационной вилки в одном направлении, сопровождающемся одновременным считываниемдвух антипараллельных нитей. Разгадка секрета заключается в том, что синтез ДНК происходит непрерывно только на одной из матричной цепей.
Навторой матричной цепи ДНК синтезируется сравнительно короткими фрагментами (длиной от 100до 1000 нуклеотидов, в зависимости от вида), названными по имени обнаружившего их ученогофрагментами Оказаки (рис. 5). Вновь образованнаяТочка началарепликацииРодительская ДНКТочка началарепликацииРепликационный глазокс одной вилкойТочка началарепликацииРепликационный глазокс двумя вилкамиРепликационнаявилка3'5'Ведущаяцепь5'3'Репликационнаявилкапутем образования в спирали своего рода “шарниров”, позволяющих цепям ДНК раскрутиться.
Принадлежащие к особому классу белки, называемыеДНК-топоизомеразами, вносят в цепь ДНК одноили двухцепочечные разрывы, позволяющие цепямДНК разделиться, а затем заделывают эти разрывы.Топоизомеразы участвуют также в расцеплении зацепленных двухцепочечных колец, образующихсяпри репликации кольцевых двунитевых ДНК. С помощью этих важных ферментов двойная спиральДНК в клетке может принимать “недокрученную”форму с меньшим числом витков; в такой ДНК легче происходит расхождение двух цепей ДНК в репликационной вилке.èÂ˚‚ËÒÚ˚È ÒËÌÚÂÁ ÑçäЛегко вообразить, что репликация происходитпутем непрерывного роста нуклеотида за нуклеотидом обеих новых цепей по мере перемещения репликационной вилки; при этом, поскольку две цепив спирали ДНК антипараллельны, одна из дочернихцепей должна была бы расти в направлении 5'–3', аРНК-затравки5'3'5'РепликационнаявилкаРис.
4. Образование репликационного глазка содной или двумя репликационными вилками.Стрелки показывают направление, в которомрасплетается родительская ДНК. Красным обозначены новосинтезированные цепи дочернихмолекул ДНК.3'Отстающаяцепь5'3'Рис. 5. Строение репликационной вилки. Направление синтеза ДНК совпадает с направлениемрасплетания двойной спирали лишь для одной изновосинтезированных цепей (ведущей). Втораяцепь (отстающая) синтезируется прерывисто, ввиде коротких фрагментов Оказаки. В результатеобе дочерние цепи растут в направлении от 5' к 3'.цепь, которая синтезируется непрерывно, называется ведущей, а другая, собираемая из фрагментовОказаки, отстающей.
Синтез каждого из этих фрагментов начинается с РНК-затравки. Через некоторое время РНК-затравки удаляются, бреши застраиваются ДНК-полимеразой и фрагменты сшиваютсяв одну непрерывную цепь ДНК специальным ферментом.äééèÖêÄíàÇçéÖ ÑÖâëíÇàÖ ÅÖãäéÇêÖèãàäÄñàéççéâ ÇàãäàДо сих пор мы говорили об участии отдельныхбелков в репликации так, как будто бы они работают независимо друг от друга. Между тем в действительности большая часть этих белков объединена вкрупный комплекс, который быстро движетсявдоль ДНК и согласованно осуществляет процессрепликации с высокой точностью.
Этот комплекссравнивают с крошечной “швейной машиной”:îÄÇéêéÇÄ é.é. ëéïêÄçÖçàÖ Ñçä Ç êüÑì èéäéãÖçàâ: êÖèãàäÄñàü Ñçä15ëéÉãÄëéÇÄççéëíú èêéñÖëëéÇêÖèãàäÄñàà Ñçä à äãÖíéóçéÉé ÑÖãÖçàü“деталями” его служат отдельные белки, а источником энергии – реакция гидролиза нуклеозидтрифосфатов [2].Независимо от того, содержит клетка только одну хромосому (как у прокариот) или много хромосом (как у эукариот), за период времени, соответствующий одному клеточному делению, весь геном,то есть вся ДНК клетки, должен быть реплицировантолько один раз [4]. Сигналом к удвоению репликонаслужит связывание со специфической последовательностью точки начала репликации особого регуляторного белка, получившего название инициаторного; только после этого становится возможнымформирование репликационной вилки (см.
рис. 4).На рис. 6, где изображена репликационная вилка, показано, как работают отдельные части такой“репликационной машины”. Спираль расплетаетсяДНК-хеликазой; этому процессу помогают ДНКтопоизомераза, раскручивающая цепи ДНК, и множество молекул дестабилизирующего белка, связывающихся с обеими одиночными цепями ДНК. Вобласти вилки действуют две ДНК-полимеразы –на ведущей и отстающей цепи. На ведущей цепиДНК-полимераза работает непрерывно, а на отстающей фермент время от времени прерывает и вновьвозобновляет свою работу, используя короткиеРНК-затравки, синтезируемые ДНК-праймазой.Молекула ДНК-праймазы непосредственно связана с ДНК-хеликазой, образуя структуру, называемую праймосомой. Праймосома движется в направлении раскрывания репликационной вилки и походу движения синтезирует РНК-затравку дляфрагментов Оказаки.
В этом же направлении движется ДНК-полимераза ведущей цепи и, хотя напервый взгляд это трудно представить, ДНК-полимераза отстающей цепи. Для этого, как полагают,последняя накладывает цепь ДНК, которая служитей матрицей, саму на себя, что и обеспечивает разворот ДНК-полимеразы отстающей цепи на 180градусов. Согласованное движение двух ДНК-полимераз обеспечивает координированную репликацию обеих нитей. Таким образом, в репликационной вилке одновременно работают около двадцатиразных белков (из которых мы назвали толькочасть), осуществляя сложный, высокоупорядоченный и энергоемкий процесс [3].Процесс репликации хромосомы бактерий начинается, как уже говорилось выше, в одной определенной области ДНК (в точке начала репликации) и продолжается до тех пор, пока не удвоитсявся ДНК хромосомы.
Поэтому можно сказать, чтобактериальная хромосома представляет собой единицу репликации, получившую название репликон.Начало репликации неизбежно влечет за собойдальнейшее деление клетки, однако происходитоно только после завершения репликации. Удвоенные геномы разделяются по одному в каждую дочернюю клетку.Эукариотическая клетка перед каждым делениемдолжна синтезировать копии всех своих хромосом.Репликация ДНК эукариотической хромосомы осуществляется посредством разделения хромосомы намножество отдельных репликонов. Такие репликоныактивируются не все одновременно, однако клеточному делению должна предшествовать обязательнаяоднократная репликация каждого из них. Из сказанного ясно, что по хромосоме эукариот в каждыймомент времени может двигаться независимо другМатрица для синтезаведущей цепиНовосинтезированнаяцепьДНК-полимеразана ведущей цепиТопоизомеразаНаправление движениярепликационной вилкиСинтез следующего фрагментаОказаки начинается здесь.....аквтра-за......
РНК...............ДНК-хеликазаДестабилизирующий белокПраймазаМатрица для синтеза отстающей цепиДНК-полимераза, заканчивающая синтезфрагмента Оказаки на отстающей цепиРис. 6. Схематическое расположение в репликационной вилке основных белков, осуществляющих репликациюДНК.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
