Процесс удвоения ДНК. Когда-то мы все были одной клеткой — зиготой, в которой была лишь одна молекула, в которой была заключена тайна, какими мы вырастем, а сейчас перед экраном сидишь ты — и в тебе аж 100 триллионов клеток, в каждой из которых своя собственная копия ДНК! Удивительно, не правда ли? Процесс, благодаря которому ДНК может удваиваться перед делением клеток называется репликацией.
Как реплика — снятие копии
Матричные процессы
Репликация, также как транскрипция (синтез РНК на базе ДНК) и трансляция (синтез белка) относятся к матричным процессам. Что это значит?
Матричные процессы в биологии — синтез чего-то, опираясь на матрицу — то есть на образец. Все эти процессы связаны с ДНК или РНК, так как они являются буквально инструкциями, как собирать другие молекулы.
Репликация — имеем молекулу ДНК, строим вторую молекулу на базе первой, подбираем нуклеотиды по принципу комплиментарности (что чему соответствует), в итоге получаем две одинаковые молекулы ДНК.
Транскрипция — на базе ДНК строим РНК, тоже строго выстаивая нуклеотиды так, как записано на матрице ДНК.
Трансляция — выстаиваем аминокислоты в цепь строго в соответствии с матрицей РНК.
Например последовательность ДНК — АГЦЦА. К Аденину мы поставим Тимин, к Гуанину — Цитозин, получим — ТЦГГТ. У нас получилась не абы какая молекула, а четко соответствующая своей матрице.
Зачем нужна репликация и когда она происходит?
Внимание, репликация — не деление ДНК, а ее синтез. То есть была 1 молекула — стало две. ДНК должна быть почти во всех клетках нашего организма, а значит перед делением клеток она должна удвоится. Мы растем, клеток становится больше, клетки умирают со временем и меняются на новые, заживают порезы — все эти процессы идут за счет деления клеток — митоза. Чтобы произвести в нашем организме половые клетки для размножения тоже нужно деление клеток, но уже мейозом (митоз — бесполое, мейоз — половое). В обоих случаях, до того, как клетки поделятся, ДНК должна пройти репликацию.
Жизненный цикл клетки можно условно разделить на две фазы — деление клетки (на схеме М — митоз) и интерфазу — ее жизнь между делениями. Когда клетка уже делится, копировать ДНК поздно, поэтому ДНК будет копироваться в интерфазу, заранее.
Сама интерфаза тоже делится на периоды — G1 — клетка растет, S — от слова синтез — синтетический период — идет репликация ДНК, G2 — готовится к делению.
Итак, репликация происходит в синтетический период интерфазы.
Сам процесс будет идти в ядре, прям там же, где хранится ДНК. У прокариот, у которых нет ядра, репликация идет в цитоплазме.
Репликативная вилка
Ок, разобрались когда, где и зачем, осталось разобраться с вопросом «как?». Как именно ДНК удваивается?
Чтобы построить новую цепь ДНК в соответствии со старой — нужно использовать правило комплиментарности — Аденин соответствует Тимину, Гуанин — Цитозину.
Они соединяются именно так из-за химических взаимодействий между азотистыми основаниями. Давайте посмотрим на строение молекулы ДНК и разберемся, где эти связи образуются.
Это двойные (между Тимином и Аденином) и тройные (между Гуанином и Цитозином) водородные связи — именно они поддерживают двуспиральную форму молекулы, находясь между двумя цепями.
Получается, чтобы построить идентичную цепь, нужно строить водородные связи между комплементарными основаниями, а они находятся внутри спирали. Понимаете, к чему я веду? Перед тем, как создать новую молекулу — нужно сломать структуру старой — разделить две цепи между собой, чтобы встраивать нуклеотиды внутрь, где возможно образование водородных связей между ними.
Такая структура называется репликативной вилкой — есть двойная старая ДНК, которая в точке начала репликации разделяется на две цепи — и на каждой цепи синтезируется уже новая молекула ДНК. Похоже скорее на двузубец, чем на вилку, ну да ладно).
Синтез ДНК осуществляет специальный белок-фермент — ДНК-полимераза. Представляйте его как строителя ДНК.
Из темы про нуклеиновые кислоты мы помним, что один конец цепи 3' (там где свободной остается ОН группа у третьего атома углерода в дезоксирибозе), а другой — 5' (где остается свободной фосфатная группа у 5 нуклеотида дезоксирибозы). По правилу антипараллельности — где 3' конец одной цепи — там 5' штрих конец другой цепи — и наоборот.
ДНК-полимераза умеет выстраивать нуклеотиды только в направлении от 5' к 3' для новой цепи. То есть она ползет по старой цепи в направлении от 3'к 5', а новую цепь строит всегда от 5' к 3'.
Я очень долго путала, в каком направлении работает ДНК-полимераза, пока не придумала простую ассоциацию — 5 — число больше, чем три, представим, что это метры и нарисуем горку — 5' — вверх горки, а 3' — низ. Теперь в красках представьте, что вы несетесь с этой горки вниз на велике — эта горка новая цепь ДНК, которая строится от 5' к 3'. Я нарисовала тебе картинку, надеюсь, поможет ;)
Теперь внимание — мы расплели две цепи ДНК — одна была в направлении от 5 к 3, а другая — наоборот. ДНК- полимераза будет легко двигаться по ходу движения репликативной вилки — от 3' к 5' концу — это лидирующая цепь. Но что делать со второй цепью? Там тоже будет работать тот же фермент, но в обратную сторону и маленькими догоняюшими кусочками, эта цепь называется отстающей, а кусочки — фрагментами Оказаки.
Полуконсервативная репликация ДНК
Как именно строится новая цепь ДНК? Было несколько гипотез:
1) Консервативная — есть старая молекула ДНК и на ее базе строится новая молекула ДНК, состоящая из двух новых цепей. То есть одна клетка получит старую молекулу, а другая — новую
2) Полуконсервативная — на базе каждой из старых цепей строится новая, в итоге мы получаем две молекулы ДНК, у каждой из которых одна цепь — из старой, а другая цепь — из новой.
3) Дисперсионная — новые молекулы просто включают в себя рандомные куски из старой и из новой ДНК.
Давайте еще раз взглянем на то, как идет репликация в репликационной вилке и поймем, какая из гипотез правдивая.
Мы видим, что нуклеотиды новой цепи (синие) образуют связи с нуклеотидами старой цепи (зелеными), значит каждая молекула ДНК после репликации будет содержать и старую и новую цепь — это полуконсервативная модель.
Почему иначе быть не могло? При другой модели невозможно было бы соблюсти правило комплиментарности, подобрать один нуклеотид в строгом соответствии с другим. Единственный способ это сделать — образовывать связи между старыми и новыми нуклеотидами. Это суть всех матричных процессов, новая молекула синтезируется на матрице старой молекулы.
Но как ученые доказали, какая из гипотез верная?
Это сделали Мэтт Мезельсон и Франклин Сталь в 1954 году используя метод меченных атомов. Этот метод основан на использовании изотопов. Разные изотопы одного элемента отличаются только количеством нейронов в ядре, что влияет на их молекулярную массу, но при этом не влияет на функции. То есть мы сможем детектировать молекулы, образованные разными изотопами.
Как мы помним, азотистые основания в нуклеотидах ДНК содержат атом азота (N). Чтобы различать молекулы ДНК ученые взяли тяжелый изотоп азота 15N и добавили в питательную среду для бактерий E.coli — они росли и размножались на ней, встраивая тяжелые изотопы в свою ДНК. Получилось, что вся их ДНК включала в себя только тяжелые изотопы 15N. После этого ученые перенесли бактерии на питательную среду, содержащую только легкие изотопы азота 14N — и бактерии начали встраивать в свои вновь синтезированные цепи ДНК более легкий изотоп. Получилось, что старые цепи ДНК были мечены изотопом 15N, а новые — изотопом 14N.
Чтобы детектировать где какой изотоп, ученые воспользовались методом центрифугирования в градиенте плотности — разделение молекул по плотности за счет очень быстрого вращения. Более легкие молекулы окажутся сверху, а более тяжелые — внизу.
Какие же результаты они получили?
Анализ ДНК бактерий первого поколения показал, что из ДНК по плотности находится где-то между ДНК с изотопом 14N и ДНК с изотопом 15N — это значило, что новые молекулы ДНК имеют и те и другие изотопы в своем составе, то есть содержат и старую и новую цепи — такое не могло произойти при консервативной модели репликации — тогда ученые получили бы две полоски — с изотопом 15N и 14N. В следующем поколении распределение было уже 50/50, что явно указывало на то, что каждая цепь осталась целой, то есть дисперсионная гипотеза не подходит. Из эксперимента однозначно следовало, что гипотеза полуконсервативной модели репликации — единственно верная.
Ты освоил новую тему, поздравляю! Сейчас вспомни, где, когда и как происходит репликация? Почему механизм репликации именно такой и как это доказать? Хочешь еще лучше разобраться в биологии? Записывайся ко мне на занятия