Основи загальної біології

 

Рис. 6.2. Реплікація ДНК

А – вихідна молекула ДНК; Б – реплікація у результаті спаровування комплементарних основ та утворення полінуклеотидного ланцюга за  участю полімерази; В – зв'язування фрагментів Оказаки лігазою; Г – дві дочірні молекули ДНК – результат напівконсервативної реплікації

 

Реплікація бактеріальних геномів та інших кільцевих молекул ДНК починається в певній, генетично фіксованій «точці старту». У хромосомах еукаріот є декілька таких початкових точок.

Реплікація ДНК відбувається вроздріб. Репліковані  послідовності з 10002000 нуклеотидів називають фрагментами Оказаки. На обох старих ланцюгах новий полінуклеотидний ланцюг синтезується в напрямку 5'→3' (рис. 6.2, В). Реплікація здійснюється послідовно на окремих ділянках від точки старту, при цьому в еукаріот і багатьох бактерій вона йде уздовж подвійної спіралі ДНК не тільки в одному напрямку, але й у протилежному. ДНКполімерази можуть приєднувати нуклеотиди тільки до вільного 3'ОНкінця нуклеотиду, який вже зв'язаний зі старим ланцюгом ДНК. Тільки РНКполімерази можуть зв'язати перший нуклеотид із ДНК і почати новий полінуклеотидний ланцюг. Тому для синтезування фрагменту Оказаки, спочатку необхідно, щоб був прибудований короткий відрізок РНК (як під час транскрипції). Ця послідовність РНК із 110, рідше близько 50 нуклеотидів називається затравкою (або праймером) і синтезується РНКполімеразою, або примазою. Від 3'кінця затравки за допомогою ДНКполімерази III починається синтез ДНКфрагменту Оказаки, що триває до кінця даного фрагменту. Наступний фрагмент Оказаки знову починається із РНКзатравки. ДНКполімераза I видаляє затравки, а пропуски заповнюються шляхом синтезу ланцюга ДНК (як у разі репарації з видаленням ділянки), що приєднується до попереднього фрагменту Оказаки. Потім фермент лігаза зв'язує між собою синтезовані відрізки ДНК.

Для реплікації подвійна спіраль ДНК розкручується за допомогою ферментів. Реплікація на старому ланцюзі, що йде від «точки старту» в напрямку 3'→5' (правий ланцюг на рис. 6.2), може йти безупинно уздовж подвійної спіралі, що розкривається подібно застібкиблискавки. Реплікація на іншому ланцюзі відбувається окремими фрагментами, тому що на цьому ланцюзі новий ланцюг повинен синтезуватися в протилежному напрямку (теж відповідно до напрямку 3'→5' старого ланцюга).

Спарювання основи за участю ДНКполімерази відбувається майже безпомилково. Перед зв'язуванням нового нуклеотида додатково перевіряється, чи правильним було попереднє спарювання. Якщо воно було помилковим, невідповідний нуклеотид видаляється завдяки 3'→5'ендонуклеазній активності полімерази.

Під час реплікації бактеріальних ДНК та інших кільцевих ДНКструктур в остаточному підсумку утворюються дві ідентичні кільцеві молекули ДНК. В еукаріот різні реплікаційні ділянки хромосоми зрештою об’єднуються (рис. 6.3), так що після завершення фази S у кожній хромосомі знаходяться дві молекули дволанцюгової ДНК, які представляють собою дві ідентичні хроматиди.

 

Рис. 6.3. Реплікація ДНК. Відрізок еукаріотичної хромосоми з декількома стартовими пунктами

 

Структура, яка здатна до реплікації (наприклад, хромосома, плазміда, вірусний геном), називається репліконом. Тільки структури із властивостями реплікона можуть зберігатися в ряді поколінь, тобто успадковуватися. ДНК здатна до реплікації завдяки наявності специфічної ділянки, що може служити стартовим пунктом для реплікації. Найменші реплікони, що зустрічаються у природі – це дрібні плазміди. 

У еукаріот реплікація ДНК відбувається в інтерфазі. У бактерій реплікація ДНК починається в умовах, сприятливих для росту (причому кілька циклів реплікації один за іншим). 

 

Після того як з генома в результаті ідентичної реплікації утворяться дві дволанцюгові молекули ДНК (плазміди, якщо вони є, теж подвоюються), ці дочірні молекули ДНК розташовуються так, щоб у разі клітинного поділу вони могли розійтися у дві дочірні клітини. Останні будуть, таким чином, містити повний геном. Плазміди теж діляться так, що кожна клітина одержує щонайменше одну з них.

 

Інтерфазою називають період між двома поділами ядра. Її підрозділяють на фази G1 S й G2. S – це фаза синтезу ДНК, фази G (від англ. gap – проміжок) – це фази до (G1) і після (G2) синтезу ДНК. Тільки в G1 інтерфазна клітина містить характерну для даного виду кількість ДНК; в G2 ця кількість вже подвоєна (рис. 6.4).

 

Рис. 6.4. Реплікація й поділ ДНК у еукаріот

А – схема мітозу; Б – реплікація й поділ ДНК у хромосомі; В – процес мітозу

У мітозі (непрямому поділі ядра, каріокінезі) відбувається впорядкований розподіл ДНК між дочірніми ядрами (рис. 6.4). У процесі мітозу з одного ядра з певним числом хромосом утворюються два дочірніх ядра з тим же числом хромосом кожне. Після того як у фазі S ДНК реплікується, кожна хромосома містить дві ідентичні молекули ДНК, які разом з білками стають хроматидами – двома половинками однієї подовжньо розщепленої хромосоми. Мітоз приводить до того, що ядро кожної з дочірніх клітин містить одну таку хроматиду (половинку кожної подвоєної хромосоми).

Щоб цей поділ було можливим, хромосоми в профазі сильно скорочуються. До кінця профази ядерна оболонка розчиняється. Утворюється апарат веретена поділу із двома полюсами. У метафазі хромосоми розташовуються в екваторіальній площині веретена. В кожній хромосомі видні дві хроматиди, які скріплені між собою центромерою. До кожної хроматиди