Властивості ДНК як речовини спадковості
Одним з базових властивостей матеріалу спадковості є його здатність до самокопірованія -реплікація. Це властивість забезпечується особливостями хімічної організації молекули ДНК, що складається з двох комплементарних ланцюгів. У процесі реплікації на кожній полінуклеотидних ланцюга материнської молекули ДНК синтезується комплементарна їй ланцюг. В результаті з однієї подвійної спіралі ДНК утворюються дві ідентичні подвійні спіралі. Такий спосіб подвоєння молекул, при якому кожна дочірня молекула містить одну материнську і одну знову синтезовану ланцюг, називають напівконсервативним (див. Рис. 2.12).
Для здійснення реплікації ланцюга материнської ДНК повинні бути відділ ?? єни один від одного, щоб стати матрицями, на яких будуть синтезуватися комплементарні ланцюга дочірніх молекул.
Ініціація реплікації здійснюється в особливих ділянках ДНК, які охоплюють ori (від англ. Origin -початок). Οʜᴎ включають послідовність, що складається з 300 нуклеотидних пар, впізнавану специфічними білками. Подвійна спіраль ДНК в цих локусах розділяється на два ланцюги, при цьому, як правило, по обидва боки від точки початку реплікації утворюються області розбіжності полінуклеотидних ланцюгів - реплікацчонние вилки, які рухаються в протилежних від локусу ori напрямках. Між вилки реплікації утворюється структура, звана реплікація-онним оком, де на двох ланцюгах материнської ДНК утворюються нові полінуклеотидні ланцюга (рис 3.8, А).
За допомогою ферменту гелікази, що розриває водневі зв'язки, подвійна спіраль ДНК розплітається в точках початку реплікації. Утворені при цьому одинарні ланцюга ДНК зв'язуються спеціальними дестабілізуючими білками, які розтягують остови ланцюгів, роблячи їх азотисті основи доступними для зв'язування з комплементарними нуклеотидами, що знаходяться в нуклеоплазмі. На кожній з ланцюгів, що утворюються в області вилки реплікації, за участю ферменту ДНК-полімерази здійснюється синтез комплементарних ланцюгів (рис 3.8, Б).
Мал. 3.8. Область початку реплікації. репликационная вилка
А. Освіта Реплікаційний вічка.
В. Область вилки реплікації в молекулі ДНК
У процесі синтезу Реплікаційний вилки рухаються уздовж материнської спіралі в протилежних напрямках, захоплюючи нд ?? е нові зони.
Розділ ?? ення спірально закручених ланцюгів батьківської ДНК ферментом геліказу викликає поява супервитки перед репликационной виделкою. Це пояснюється тим, що при розбіжності кожних 10 пар нуклеотидів, що утворюють один виток спіралі, батьківська ДНК повинна зробити один повний оберт навколо своєї осі. Отже, для просування вилки реплікації вся молекула ДНК перед нею повинна була б швидко обертатися, що вимагало б великої затрати енергії. Насправді це не спостерігається завдяки особливому класу білків, званих ДНК-топоізомеразами. Топоізомераза розриває одну з ланцюгів ДНК, що дає їй можливість обертатися навколо другого ланцюга. Це послаблює напругу, що нагромадилася в подвійної спіралі ДНК (рис. 3.9).
До вивільняються водневим зв'язкам нуклеотиднихпослідовностей розділ ?? енних батьківських ланцюгів приєднуються вільні нуклеотиди з нуклеоплазми, де вони присутні у вигляді дезоксірібонуклеозідгріфосфатов: дАТФ, ДГТФ, дЦТФ, дТТФ. Комплементарний нуклеозидтрифосфат утворює водневі зв'язки з определ ?? енним підставою материнської ланцюга ДНК. Далі за участю ферменту ДНК-полімерази він зв'язується фосфодіефірних зв'язком з попереднім нуклеотидом знову синтезованої ланцюга, віддаючи при цьому неорганічний пірофосфат (рис. 3.10).
Оскільки ДНК-полімераза приєднує черговий нуклеотид до ОН-групі в 3'-положенні попереднього нуклеотиду, ланцюг поступово подовжується на її 3'-кінці.
Особливістю ДНК-полімерази є її нездатність почати синтез нової полінуклеотидних ланцюга шляхом простого скріплення двох нуклеозидтрифосфатів: необхідний 3'-ОН-кінець будь-якої полінуклеотидних ланцюга, спареної з матричної ланцюгом ДНК, до якої ДНК-полімераза може лише додавати нові нуклеотиди. Таку полінук-леотіднуй ланцюг називають запалом або праймером.
Роль затравки для синтезу полінуклеотидних ланцюгів ДНК в ході реплікації виконують короткі послідовності РНК, утворені за участю ферменту РНК-ПРАЙМАЗИ (рис. 3.11). Зазначена особливість ДНК-полімерази означає, що матрицею при реплікації може служити лише ланцюг ДНК, що несе спарену з нею приманку, яка має вільний 3'-ОН-кінець.
Мал. 3.9. Розрив однієї з ланцюгів ДНК
за допомогою ферменту ДНК-топоізомерази:
I - ДНК-топоізомераза утворює ковалентаую зв'язок з однією з фосфатних груп ДНК (верхня ланцюг); II - в результаті розриву фосфодіефірних зв'язку в одній полінуклеотидних ланцюга навколо відповідної їй зв'язку інший ланцюга здійснюється обертання, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ знімає напруження, викликане розбіжністю двох ланцюгів ДНК в області вилки реплікації; III - після зняття напруги в спіралі ДНК відбувається спонтанне відділ ?? ення ДНК-топоізомерази і відновлення фосфодіефірних зв'язку в ланцюзі ДНК
Здатність ДНК-полімерази здійснювати збірку полинуклеотида в напрямку від 5'до 3 '-кінців при антипаралельними з'єдн ?? еніі двох ланцюгів ДНК означає, що процес реплікації повинен протікати на них по-різному. Дійсно, в разі якщо на одній з матриць (3 '→ 5') збірка нового ланцюга відбувається безперервно від 5'- до 3'-кінця і вона поступово подовжується на 3'-кінці, то інша ланцюг, що синтезується на матриці (5 ' → 3 '), повинна була б зростати від 3'до 5'-кінця. Це суперечить напрямку дії ферменту ДНК-полімерази.
Мал. 3.10. Приєднатися ?? ення чергового нуклеотиду до дочірньої ланцюга ДНК, що синтезується за участю ДНК-полімерази:
У зв'язку з зазначеними особливостями репликационная вилка є асиметричною. З двох синтезованих дочірніх ланцюгів одна будується безперервно, її синтез йде швидше і цей ланцюг називають лідируючої. Синтез інший ланцюга йде повільніше, так як вона збирається з окремих фрагментів, які потребують освіти, а потім видалення РНК-затравки. З цієї причини такий ланцюг називають запізнілої (відстає). Хоча окремі фрагменти утворюються в напрямку 5 '→ 3', в цілому ця ланцюг росте в напрямку 3 '→ 5' (рис. 3.12, А).
З причини того, що від локусу ori як правило починаються дві Реплікаційний вилки, що йдуть в протилежних напрямках, синтез лідируючих ланцюгів в них йде на різних ланцюгах материнської ДНК (рис 3.12, Б).
Кінцевим результатом процесу реплікації є утворення двох молекул ДНК, нуклеотидная послідовність яких ідентична такій в материнській подвійної спіралі ДНК.
Мал. 3.11. Схема реакції синтезу короткою РНК-затравки,
Розглянута послідовність подій, що відбуваються в ході репликативного синтезу, передбачає участь цілої системи ферментів: гелікази, топоізомерази, дестабілізуючих білків, ДНК-полімерази та інших, спільно діючих в області вилки реплікації (рис 3.13).
Реплікація ДНК у про- і еукаріот в базових рисах протікає схоже, однак, швидкість синтезу у еукаріот (близько 100 нуклеотидів / с) на порядок нижче, ніж у прокаріот (1000 нуклеотидів / с). Причиною цього повинна бути освіту ДНК еукаріот досить міцних з'єдн ?? ень з білками (див. Гл 3.5.2.), Що ускладнює її деспіралі-цію, необхідну для здійснення репликативного синтезу.
Фрагмент ДНК від точки початку реплікації до точки її закінчення утворює одиницю реплікації - реплікон. Одного разу почавшись в точці початку (локус on), реплікація продовжується до тих пір, поки весь реплікон НЕ буде дупліціроваться. Кільцеві молекули ДНК прокаріотичних клітин мають один локус on і вдають із себяцеліком окремі реплікони. Еукаріотичні хромосоми містять велику кількість репліконов. У зв'язку з цим подвоєння молекули ДНК, розташованої уздовж еукаріотичної хромосоми, починається в декількох точках. У різних РЕПЛІКОН подвоєння може йти в різний час або одночасно.
Мал. 3.12. Синтез двох дочірніх ланцюгів ДНК
на різних ланцюгах материнської молекули
А. У зв'язку з антипаралельними ланцюгів ДНК синтез дочірніх ланцюгів йде по-різному, на верхній материнської ланцюга дочірня мета синтезується безперервно-лідируюча ланцюг, на нижній материнської ланцюга дочірня ланцюг збирається з фрагментів Окадзакі -отстающая ланцюг
Б. Синтез лідируючих ланцюгів в раенонаправленних вилках відбувається на різних ланцюгах материнської ДНК