Биология. 11 класс

Репликация ДНК. Вспомним, что удвоение молекул ДНК, которое осуществляется в синтетическом (S) периоде клеточного цикла, называется репликацией. *После открытия Дж. Уотсоном и Ф. Криком структуры молекулы ДНК было выдвинуто несколько гипотез о возможном механизме протекания этого процесса (рис. 16.2).

Согласно гипотезе консервативной репликации двухцепочечная материнская молекула ДНК как единое целое служит матрицей для образования дочерней молекулы, состоящей из двух совершенно новых цепей. Полуконсервативный механизм репликации предполагает разделение цепей исходной молекулы ДНК. При этом каждая материнская цепь является матрицей для синтеза дочерней цепи. Таким образом, при репликации образуются две молекулы ДНК, каждая из которых включает одну материнскую цепь и одну новую — дочернюю. Гипотеза дисперсной репликации состояла в том, что материнская ДНК распадается на фрагменты, которые выступают в роли матриц для построения отдельных участков новых молекул. Образованные таким способом молекулы ДНК должны состоять из чередующихся фрагментов исходной молекулы и вновь синтезированных.

В 1958 г. американские биологи М. Мезельсон и Ф. Сталь провели экспериментальную проверку этих гипотез. На протяжении нескольких поколений они выращивали бактерии (а именно кишечную палочку) в питательной среде, содержащей «тяжелый» азот ¹⁵N. За это время ¹⁵N вошел в состав бактериальных молекул ДНК. Далее бактерии были перенесены в среду, содержащую изотоп ¹⁴N. Следовательно, в состав вновь синтезированных цепей ДНК включался уже «легкий» азот. Из бактериальных клеток новых поколений, образовавшихся в среде с ¹⁴N, выделяли ДНК и центрифугировали в градиенте плотности хлорида цезия (рис. 16.3).

Выяснилось, что ДНК дочерних клеток первого поколения имела плотность, среднюю между плотностью «легкой» ДНК, содержащей только ¹⁴N, и «тяжелой», включающей только ¹⁵N. То есть такая «гибридная» ДНК содержала одновременно ¹⁴N и ¹⁵N. Это противоречило гипотезе о консервативном механизме репликации, согласно которой ДНК должна была разделиться на две фракции — «легкую» и «тяжелую».

ДНК, выделенная из клеток второго поколения, разделялась на «легкую» и «гибридную». Этот факт полностью соответствовал гипотезе полуконсервативной репликации и позволил исключить дисперсный механизм удвоения ДНК, согласно которому плотность ДНК второго поколения бактерий должна быть средней между «легкой» и «гибридной». Таким образом был доказан полуконсервативный механизм репликации ДНК.*

*К настоящему времени установлено, что в осуществлении репликации принимает участие целый комплекс ферментов. Также известно, что этот процесс начинается в строго определенных участках молекулы ДНК — так называемых точках начала репликации. Бактериальная хромосома, как правило, имеет одну такую точку. У ядерных организмов каждая молекула ДНК (хромосома) содержит множество точек начала репликации. Следовательно, у эукариот процесс репликации одновременно протекает на многих участках одной и той же хромосомы. Это значительно сокращает время удвоения молекул ДНК.

Процесс репликации ДНК подразделяют на три этапа: инициацию, элонгацию и терминацию.

1. Инициация (запуск). Особые ферменты начинают раскручивать молекулу ДНК от точки начала репликации. Затем фермент хеликаза разъединяет цепи исходной материнской молекулы, разрывая водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями. При этом две цепи расходятся под определенным углом и образуют так называемую репликативную вилку, напоминающую букву Y (рис. 16.4). Хеликаза, подобно бегунку застежки «молния», движется вдоль молекулы ДНК, разделяя комплементарные цепи. Это сопровождается перемещением репликативной вилки и, образно говоря, расстегиванием «молнии». Далее с разошедшимися цепями связываются молекулы ДНК-полимеразы — главного фермента репликации.

2. Элонгация (удлинение, наращивание дочерних цепей ДНК). Молекулы ДНК-полимеразы начинают двигаться вдоль материнских цепей, используя их в качестве матриц для построения новых дочерних цепей. Это значит, что в растущие дочерние цепи ДНК включаются только те нуклеотиды, которые комплементарны соответствующим нуклеотидам материнских цепей. Поэтому репликацию относят к реакциям матричного синтеза.

Следует отметить, что в процессе репликации материалом для синтеза дочерних цепей ДНК являются не нуклеотиды как таковые, а нуклеозидтрифосфаты. От обычных нуклеотидов их отличает наличие трех остатков фосфорной кислоты (как в молекуле АТФ) вместо одного. Связи между этими остатками являются макроэргическими. Таким образом, нуклеозидтрифосфаты — соединения, богатые энергией. В процессе их присоединения к растущим дочерним цепям ДНК происходит отщепление двух «лишних» остатков фосфорной кислоты. В результате выделяется энергия, которая используется для протекания реакции (т. е. для образования фосфоэфирных связей), и нуклеозидтрифосфаты становятся стандартными нуклеотидами новых цепей ДНК.

Особенность ДНК-полимеразы состоит в том, что она может двигаться вдоль существующей цепи ДНК только в направлении 3' → 5'. При этом наращивание дочерней цепи всегда происходит антипараллельно: от 5'-конца к 3'-концу (т. е. новые нуклеотиды добавляются к 3'-концу синтезируемой цепи). Например, если участок материнской цепи ДНК содержит последовательность нуклеотидов 3'ГТАЦАГ5', то при наращивании соответствующего ему участка дочерней цепи нуклеотиды будут присоединяться в следующем порядке: 5'ЦАТГТЦ3'.

Способность ДНК-полимеразы к перемещению вдоль цепи ДНК только в одном направлении приводит к следующему. Вдоль одной материнской цепи (той, у которой направление 3' → 5' совпадает с направлением перемещения репликативной вилки) фермент движется непрерывно. Дочерняя цепь ДНК, которая при этом синтезируется, называется лидирующей или ведущей (рис. 16.5).

В то же время движение ДНК-полимеразы, которая работает над созданием другой дочерней цепи, не может быть непрерывным. По мере смещения репликативной вилки фермент «забегает вперед» и затем, возвращаясь назад, синтезирует новую цепь отдельными фрагментами. В честь первооткрывателей — супругов Р. и Ц. Оказáки — эти участки называют фрагментами Оказаки. Таким образом, вторая дочерняя цепь строится прерывисто с существенным отставанием от лидирующей цепи. Поэтому данная цепь получила название отстающей или запаздывающей. Впоследствии фрагменты отстающей цепи сшивает друг с другом фермент ДНК-лигаза.*

*3. Терминация (остановка). Когда репликативная вилка достигает соседнего участка ДНК, на котором также осуществлялась репликация, ферменты завершают свою работу.* В результате репликации образуются две молекулы ДНК, идентичные друг другу и исходной материнской молекуле. В состав каждой из них входит одна цепь материнской молекулы ДНК и одна вновь синтезированная дочерняя цепь.