Репликация (удвоение) ДНК, как уже упоминалось ранее, протекает по полуконсервативному механизму согласно принципам комплементарности и антипараллельности. Как и любой другой процесс, протекающий в клетке, он требует присутствия ферментов.
Однако есть небольшая тонкость, связанная именно со спецификой работы ферментов, принимающих участие в матричном синтезе. Дело состоит в том, что фермент (ДНК-полимераза и РНК-полимераза) способны связываться со свободным 3'-концом молекулы ДНК. Цепь, которая при этом синтезируется, имеет (в соответствии с правилом антипараллельности) направление 5'—>3'.
С этим связана специфика удвоения ДНК. В молекуле всегда есть лидирующая цепь (3'—5') и отстающая цепь (5'—3').
Но к этому мы еще вернемся. А теперь давайте обсудим, какие именно ферменты принимают участие в механизме удвоения ДНК.
Ферменты, принимающие участие в удвоении ДНК
1. ДНК-полимераза подбирает дезоксирибонуклеотиды, комплементарные матричной цепи. Фермент работает, когда "садится" на свободный 3'-конец молекулы ДНК, но синтезирующаяся цепь будет иметь направление 5'—>3'.
Существует несколько изоформ ДНК-полимеразы как в прокариотических, так и в эукариотических клетках.
Так, в прокариотических клетках имеются ДНК-полимеразы I, II, III, IV и V типов. Каждая из них обладает своими ферментативными активностями, включающими возможность удалять уже спаренные нуклеотиды, тем самым принимая участие в репарации (исправлении ошибок) ДНК.
В эукариотических клетках присутствуют ДНК-полимеразы альфа, бета, гамма, дельта и эпсилон. В этих клетках удвоение ДНК происходит как в ядре, так и в митохондриях; именно с этим связано разнообразие ферментов, а также с тем, какую цепь (лидирующую или отстающую) нужно синтезировать.
2. ДНК-лигаза работает на отстающей цепочке ДНК, сшивая между собой фрагменты Оказаки, то есть формируя фосфодиэфирную связь между нуклеотидами в цепи.
3. Хеликаза (или Геликаза) разъединяет двойную спираль ДНК, разрывая связи между комплементарными нуклеотидами. Для этой активности требуется энергия АТФ.
4. Праймаза представляет собой разновидность РНК-полимеразы, которая "садится" на матричную цепь ДНК, синтезируя короткий фрагмент, называемый праймером. Его еще называют "затравкой". Такая затравка необходима, чтобы впоследствии ДНК-полимераза смогла продолжить удвоение ДНК. На лидирующей цепочке праймер синтезируется только один (в самом начале цепи), в то время как на отстающей цепи могут синтезироваться множество праймеров.
5. Топоизомераза крайне необходима при удвоении ДНК, поскольку, когда двойная спираль начинает раскручиваться, она сверхспирализуется. Возникает суперспираль ДНК, которую топоизомераза убирает, делая однонитевые разрывы в молекуле ДНК.
Помимо перечисленных ферментов, огромную роль играют белки SSB (single strand binding proteins), которые соединяются с разделившимися цепями ДНК, чтобы последние, в свою очередь, преждевременно не соединились, образовав между комплементарными нуклеотидами водородные связи
Механизм удвоения ДНК
Мы с вами перечислили основные ферменты, которые принимают участие в механизме удвоения ДНК. Теперь настало время поговорить о непосредственно самом процессе удвоения (редупликации) ДНК.
Для того, чтобы молекула ДНК могла удвоится, необходимо, чтобы одна нить отсоединилась от другой, ведь, как мы помним, удвоение ДНК идет в соответствии с полуконсервативным механизмом.
1. Хеликаза отсоединяет одну нить ДНК от другой, используя энергию АТФ
2. С одиночными нитями ДНК тут же связываются белки SSB, чтобы нити снова не соединились, тем самым фиксируется состояние расплетенных нитей и возникает репликационная вилка.
Репликационная вилка – это Y-образная структура, перемещающаяся вдоль родительской спирали ДНК и характеризующаяся местным расхождением двух её цепей, в пределах которой происходит активная репликация ДНК.
3. При возникновении сверхспирализации, она убирается ферментом топоизомеразой.
Реакции, протекающие на лидирующей цепи ДНК
Как мы уже отмечали, в молекуле ДНК есть лидирующая цепь. Ее появление определяется спецификой работы фермента ДНК-полимеразы, которая, если так можно выразиться, способна бесперебойно работать лишь синтезируя дочернюю цепь в направлении (5'—3'), то есть "садиться" фермент должен на свободный 3'-конец.
1. Прежде, чем ДНК-полимераза сможет соединиться с цепью ДНК, необходимо, чтобы праймаза синтезировала РНК-затравку. Это связано с тем, что ДНК-полимераза может "сесть" только на свободный 3'-конец, то есть синтезирующаяся цепь уже должна содержать такой нуклеотид.
2. ДНК-полимераза (дельта) "садится" на лидирующую цепь и синтезирует дочернюю цепь ДНК. Процесс синтеза не прерывается, поскольку в этом же направлении движется хеликаза, раскручивая двойную спираль исходной молекулы ДНК.
Реакции, протекающие на отстающей цепи ДНК
Цепь ДНК, комплементарная лидирующей, будет отстающей. Почему так происходит? Почему фермент ДНК-полимераза не может так же без перерывов синтезировать цепь ДНК? Всё связано с той же возможностью фермента ДНК-полимеразы синтезировать цепь в направлении 5'—3'.
1. Праймаза связывается с 3'-концом материнской цепи ДНК и синтезирует короткий праймер (в направлении 5'—3'), состоящий из нуклеотидов РНК. Тем самым формируется гибридные ДНК-РНК фрагменты
2. ДНК-полимераза связывается со свободным 3'-концом рибонуклеотида РНК-затравки и синтезирует фрагмент, подбирая по принципу комплементарности нуклеотиды ДНК. Тем самым образуются фрагменты Оказаки – короткие фрагменты на отстающей цепи ДНК, состоящие как из рибо-, так и дезоксирибонуклеотидов.
По мере раскручивания двойной спирали ДНК и продвижения репликативной вилки освобождаются всё новые и новые участки, с которыми связываются сначала праймаза, а затем ДНК-полимераза, синтезируя новые фрагменты Оказаки.
3. В какой-то момент один фрагмент Оказаки натыкается на другой. ДНК-полимераза I убирает рибонуклеотиды из предыдущего фрагмента Оказаки, поскольку обладает экзонуклеазной активностью, то есть способностью как раз "убирать" ненужные нуклеотиды. Единственное, что этот фермент сделать неспособен - это устранить разрыв между готовыми фрагментами Оказаки (состоящими из дезоксирибонуклеотидов).
4. Лигаза обладает такой способностью: "сшивать" нуклеотиды, находящиеся в одной цепи, друг с другом. Для этого нужно сформировать фосфодиэфирную связь между нуклеотидами.
В следующий раз мы поговорим с вами о первой фазе синтеза белка - транскрипции.
Здесь вы можете ознакомиться с оглавлением данной серии постов.
