У процесі реплікації подвійна спіраль ДНК. що складається з двох комплементарних полінуклеотидних ланцюгів, розкручується на окремі ланцюги і одночасно починається синтез нових полінуклеотидних ланцюгів; при цьому вихідні ланцюга ДНК грають роль матриць. Нова ланцюг, що синтезується на кожній з вихідних ланцюгів, ідентична ін. Вихідної ланцюга. Коли процес завершується, утворюються дві ідентичні подвійні спіралі. кожна з яких брало складається з однієї старої (вихідної) і однієї нової ланцюга (рис. 1). Таким чином від одного покоління до іншого передається тільки одна з двох ланцюгів, складових вихідну молекулу ДНК, -т. наз. напівконсервативний механізм реплікації.
Реплікація складається з великого числа последоват. етапів, к-які включають впізнавання точки початку реплікації, розплітання вихідного дуплексу (спіралі), утримання його ланцюгів в ізольованому один від одного стані, ініціацію синтезу на них нових дочірніх ланцюгів, їх зростання (елонгацію), закручування ланцюгів в спіраль і терминацию (закінчення ) синтезу. Всі ці етапи реплікації, що протікають з високою швидкістю і виключить. точністю, забезпечує комплекс, що складається більш ніж з 20 ферментів і білків, -т. наз. ДНК-репліказная система, або реплісома. Функціонує. одиниця реплікації-реплік він, що представляє собою сегмент (ділянка) хромосоми або позахромосомних ДНК. обмежений точкою початку, в якій ініціюється реплікація, і точкою закінчення, в якій реплікація зупиняється. Швидкість реплікації контролюється на стадії ініціації. Одного разу почавшись, реплікація продовжується до тих пір, поки весь реплікон НЕ буде дупліціроваться (подвоєний). Частотд ініціації визначається взаємодій. спец. регуляторних білків з точкою початку реплікації. Бактеріальні хромосоми містять один реплікон: ініціації в єдності. точці початку реплікації веде до реплікації всього генома. У кожному клітинному циклі реплікація ініціюється тільки один раз, Плазміди і віруси. є автономними генетич. елементами, є окремі реплікони, здатні до багаторазового ініціації в клітці-хазяїні. Еукаріотіч. хромосоми (хромосоми всіх організмів. за винятком бактерій і синьо-зелених водоростей) містять велику кількість репліконов, кожен з яких брало також одноразово ініціюється за один клітинний цикл.
Починаючи з точки ініціації, реплікація здійснюється в ограни-ченной зоні, що переміщається уздовж вихідної спіралі ДНК. Ця активна зона реплікації (т. Зв. Реплікації. Вилка) може рухатися в обох напрямках. При односпрямованої реплікації уздовж ДНК рухається одна реплікації. веделка. При двобічної реплікації від точки ініціації в протилежних напрямках розходяться дві реплікації. вилки; швидкості їх руху можуть відрізнятися. При реплікації ДНК бактерії і ссавців швидкість росту дочірньої ланцюга становить соотв. 500 і 50 нуклеотидів в 1 с; у рослин ця величина не перевищує 20 нуклеотидів в 1 с. Рух двох вилок в протилежних напрямках створює петлю, к-раю має вигляд "бульбашки" або "очі". Триваюча реплікація розширює "око" до тих пір, поки він не включить в себе весь реплікон.
В ході реплікації зростання ланцюга здійснюється завдяки взаємодій. дезоксирибонуклеозидтрифосфатов з 3'-ОН кінцевим ну-клеотідом вже побудованої частини ДНК; при цьому відщеплюється пирофосфат і утворюється фосфодіефірная зв'язок. Зростання полінуклеотидних ланцюга (рис. 2) йде тільки з її -кінця, т. Е. В напрямку 5 '. 3 '(див. Нуклеїнові кисло-ти). Фермент. каталізує цю р-цію, -ДНК-полімерних-рази (див. Полідезоксірібонуклеотід-синтетази) -не здатний почати матричний синтез на одноцепочечной ДНК. якщо немає хоча б олігонуклеотидних біспіральні ділянки (т. зв. затравочного олигонуклеотида) комплементарного матриці; затравочним олігонуклеотидів у мн. випадках є не ДНК. а РНК.
Мал. 2. Напрямок зростання дезоксірібонуклеотідних ланцюгів при реплікації; сплош ні лінії - вихідна ДНК. пунктирні - нові ланцюги ДНК (стрілки показують на правленіеіх зростання); 1-реплікації. веделка.
Енергія, що витрачається на освіту кожної нової фосфодіефірних зв'язку в ланцюзі ДНК. забезпечується розщепленням фосфатного зв'язку між a - і b -фосфатнимі групами нуклеозидтрифосфат.
ДНК-полімераза має один центр зв'язування нуклеозидтрифосфат, загальний для всіх чотирьох нуклеотидів. Вибір з-поміж нуклеотиду. підставу догрого комплементарно чергового основи матриці. протікає без помилок, завдяки визначальному впливу ДНК-матриці (вихідної ланцюга ДНК). При деяких мутаційних пошкодженнях структури ДНК-полімерази в ряді випадків відбувається включення некомплементарни нуклеотидів.
У процесі реплікації формальної ДНК на короткий час з ймовірністю 10 -4 -10 -5 виникають рідкісні таутомерні форми всіх 4 азотистих основ нуклеотидів. к-які утворюють неправильні пари. Висока точність реплікації (ймовірність помилок не перевищує 10 -9) обумовлена наявністю механізмів, які здійснюють корекцію (репарацію).
Реплікації. вилка асиметрична. З двох синтезованих дочірніх ланцюгів ДНК одна будується безперервно, а інша-з перервами. Першу зв. провідною, або лідируючої, ланцюгом, а другу відсталої. Синтез другий ланцюга йде повільніше; хоча в цілому цей ланцюг будується в напрямку 3 '. 5 ', кожен з її фрагментів окремо нарощується в напрямку 5'. 3 '(рис. 3). Завдяки такому непостійного механізму синтезу, реплікація обох антипаралельних ланцюгів здійснюється за участю одного ферменту-ДНК-полімерази, що каталізує нарощування нуклеотидной ланцюга тільки в напрямку 5 '. 3 '.
Мал. 3. Схема механізму зростання ланцюгів ДНК при реплікації: А-провідна ланцюг, Б-відстає ланцюг, В-фрагмент Окадзакі.
Щоб забезпечити утворення безперервного ланцюга ДНК з багатьох таких фрагментів, в дію вступає особлива система репарації ДНК. видаляє РНК-затравки і замінює її на ДНК. У бактерій РНК-запал віддаляється нуклеотид за нуклеотидом завдяки 5 '. 3'-екзонуклеазной активності ДНК-полімерази. При цьому кожен відщепленні рібонуклеотідний мономер заміщається відповідним дезоксірібонуклеотідов (в якості затравки використовується З'-кінець синтезованого на старій ланцюга фрагмента). Завершує весь процес фермент ДНК-лігаза, що каталізує утворення фосфодіефірних зв'язку між групою З'-ОН нового фрагмента ДНК і 5'-фосфатної групою попереднього фрагмента. Освіта зв'язку з цим вимагає витрати енергії, до-раю поставляється в ході сполученого гідролізу пірофосфатной зв'язку коферменту-нікотинамід-аденіндінуклеотіда (в бактеріальних клітинах) або АТФ (в тваринних клітинах і в бактеріофагів).
Розкручування подвійної спіралі і просторів. розділення кіл здійснюється за допомогою дек. спец. білків. Т. зв. гелікази розплітає короткі ділянки ДНК. що знаходяться безпосередньо перед реплікації. виделкою. На поділ кожної пари основ витрачається енергія гідролізу двох молекул АТФ до аденозиндифосфату і фосфату. До кожної з розділилися ланцюгів приєднується дек. молекул ДНК-зв'язуючих білків. к-які перешкоджають утворенню комплементарних пар і зворотного возз'єднання ланцюгів. Завдяки цьому нуклеотидні послідовності ланцюгів ДНК виявляються доступними для репликативной системи. Др. специфічний. білки допомагають праймаза отримати доступ до матриці відстає ланцюга. В результаті праймаза зв'язується з ДНК і синтезує РНК-затравки для фрагментів відстає ланцюга. Для формування нових спіра-, лей не потрібно ні витрат енергії, ні участі до.-л. "Закручує" ферменту.
У разі кільцевого реплікону (напр. У плазміди) описаний процес наз. q -реплікаціей. Оскільки кільцеві молекули ДНК закручені самі на себе (суперспіралізо-вани), при розкручуванні подвійної спіралі в процесі реплікації вони повинні безперервно обертатися навколо власної. осі. При цьому виникає торсіонне напруга, до-рої усувається шляхом розриву однієї з ланцюгів. Потім обидва кінці відразу ж знову з'єднуються один з одним. Цю ф-цію виконує фермент ДНК-топоізомераза. Реплікація в цьому випадку зазвичай відбувається в двох напрямках, тобто існують дві реплікації. вилки (рис. 4). Після завершення реплікації з'являються дві дволанцюжкові молекули. к-які спочатку пов'язані один з одним як ланки одного ланцюга. При їх поділі одне з двох кілець тимчасово розривається.
Мал. 4. Один з механізмів реплікації плазміди (початок реплікації позначено точками); напрямку руху реплікації. вилки показані стрілками, які утворюються нові ланцюги ДНК-пунктиром.
Альтернативний варіант реплікації кільцевого реплікону передбачає розрив в одній з ланцюгів двухспіральной молекули ДНК. Утворився при цьому вільний 3'-кінець кова-лентно нарощується, залишаючись що з матрицею (другий, нерозірваної ланцюгом), а 5'-кінець поступово витісняється новою полинуклеотидной ланцюгом (рис. 5). Таким чином одна ланцюг розмотується і безперервно подовжується, а реплікації. вилка ковзає навколо кільцевої матричної ланцюга (механізм "кільця, що котиться"). У міру зростання нової ланцюга витіснена ланцюг з звільнилися 5'-кінцем стає лінійної матрицею для синтезу нової комплементарної ланцюга. Цей синтез на лінійній матриці триває до тих пір, поки не утвориться дочірня ланцюг ДНК. комплементарная одному обороту кільцевої матриці. т. е. цілому РЕПЛІКОН. Таким шляхом з кільцевої матриці може сходити велике число комплементарних копій. Такий механізм виявлений у деяких вірусів. а також в ряді клітин еукаріот.
Мал. 5. Схема реплікації за механізмом кільця, що котиться (нова молекула ДНК показана пунктиром): 1-3'-кінець ДНК; 2-5'-кінець ДНК.
Ще одна схема реплікації передбачає формування структури, названої D-петлею. Відповідно до цього механізму, спочатку реплицируется тільки одна з ланцюгів кільцевого реплікону, тоді як другий ланцюг, залишаючись интактной, витісняється, утворюючи петлю. Реплікація другий ланцюга починається з ін. Стартовою точки і тільки після того, як реплицироваться частина першої ланцюга. Такий механізм реплікації виявлений, напр. у мітохондріальних ДНК.
Реплікація РНК (синтез РНК на РНК-матриці) вивчена менше. Вона здійснюється тільки у деяких вірусів (напр. У вірусів поліомієліту та сказу). Фермент. каталізує цей процес, РНК-залежна РНК-полімераза (його називають також РНК-реплікази або РНК-синтетазой). Відомо дек. типів реплікації, РНК. 1) віруси. містять матричні РНК. або мРНК [т. наз. (+) РНК], в результаті реплікації утворюють комплементарную їй ланцюг [(-) РНК], яка не є мРНК. к-раю використовується як матриця для синтезу (+) РНК; 2) віруси. містять (-) РНК. в результаті реплікації синтезують (+) РНК; 3) віруси. містять двухцепочечную РНК [(+) PHK і (-) РНК], в результаті асиметричної реплікації синтезують (+) РНК.
Гіпотеза про механізм реплікації сформульована в 1953 Дж. Уотсоном і Ф. Криком, к-які припустили, що дві комплементарні ланцюга ДНК після їх поділу можуть виконувати ф-ції матриць для освіти на них нових ланцюгів ДНК. У 1958 М. Мезельсон і Ф. Сталь експериментально підтвердили такий механізм реплікації.
Літ. Степто Г. Келіндар Р. Молекулярна генетика. пер. з англ. М. 1981, с. 499-520; Kornberg А. DNA replication, S. F. 1980; Ogawa T, Oka-zaki Т. "Ann. Rev. Biochem.", 1980, v. 49, p. 421-57. П.Л. Іванов.