§26. Матричный синтез ДНК

Определения и обозначения

Репликация — удвоение молекулы ДНК перед делением клетки. Копирование нужно, чтобы при разделении клетки каждая дочерняя клетка получила наследственную информацию. Если бы ДНК не удваивалась заранее, её копии не достались бы обеим дочерним клеткам.

Полуконсервативный принцип — способ удвоения, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну исходную и одну вновь синтезированную цепь. Слово «полуконсервативный» означает, что половина исходной молекулы сохраняется в каждой копии. Это помогает понять, как материнская ДНК служит основой для образования двух молекул.

Репликационная вилка — участок расплетённой ДНК, где матричные цепи служат основой для синтеза новых. Её можно представить как область, в которой двойная спираль разделилась на две цепи. На каждой из них по принципу комплементарности строится новая цепь.

Фрагмент Оказаки — короткий участок новой цепи ДНК, синтезируемый на отстающей цепи. Такие участки появляются потому, что ДНК-полимераза работает только в одном направлении, а цепи ДНК ориентированы противоположно. Позже фрагменты соединяются, поэтому итоговая цепь становится непрерывной.

Как это устроено

Репликация начинается в особых участках ДНК — точках начала. Здесь ферменты расплетают двойную спираль, и на месте одного участка возникают две матричные цепи. Поскольку синтез идёт от точки начала в обе стороны, обычно образуются две репликационные вилки, движущиеся навстречу разным участкам молекулы. Такое движение позволяет копировать ДНК сразу с двух сторон начального участка.

Две цепи удерживаются вместе водородными связями между азотистыми основаниями. Ферменты нарушают эти связи и разделяют цепи, не разрывая их основную структуру. Освободившиеся цепи становятся матрицами: к каждому основанию подбирается комплементарное ему основание свободного нуклеотида. Так напротив А включается Т, а напротив Г — Ц, и последовательность матрицы задаёт порядок новой цепи.

ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды только к 3′-концу растущей цепи, поэтому синтез всегда идёт в направлении 5′→3′. Это правило приходится учитывать из-за антипараллельного строения ДНК: две матричные цепи направлены противоположно. На одной матрице фермент движется вместе с раскрывающейся вилкой, и новая цепь растёт непрерывно. На другой матрице условия для непрерывного синтеза не подходят, поэтому копия собирается короткими участками.

Для работы ДНК-полимеразе необходим короткий праймер — затравка с готовым концом, к которому можно присоединять нуклеотиды. На ведущей цепи обычно достаточно одного праймера на участок репликации, а на отстающей новый праймер требуется для каждого фрагмента Оказаки. После синтеза фрагментов праймеры удаляются. Образовавшиеся промежутки заполняются ДНК, а ДНК-лигаза соединяет соседние участки, восстанавливая непрерывность цепи.

Во время копирования ферменты проверяют, правильно ли подобраны нуклеотиды, и могут исправить часть ошибок. Это повышает точность передачи наследственной информации, хотя копирование не становится абсолютно безошибочным. Когда синтез завершается, получаются две почти одинаковые молекулы ДНК. В каждой остаётся одна материнская цепь и находится одна новая, поэтому репликацию называют полуконсервативной.

Синтез ведущей и отстающей цепей

Сравнивайте цепи по тому, как устроен синтез, а не по направлению движения вилки: обе новые цепи удлиняются только в направлении 5′→3′. Если цепь образуется короткими участками, это отстающая цепь. Таблица также помогает увидеть, почему праймеры нужны для начала работы, а лигаза — для завершения сборки её фрагментов.

Разбор задач

Задача 1. Запишите последовательность новой цепи, комплементарной фрагменту матричной цепи ДНК 3′-АЦГТТА-5′.

1. Подбираем к каждому основанию комплементарное: А—Т, Ц—Г, Г—Ц, Т—А, Т—А, А—Т.
2. Полученная последовательность напротив матрицы — ТГЦААТ. Проверяем, что между каждой парой оснований соблюдается комплементарность.
3. Цепи антипараллельны: матрица записана от 3′ к 5′, поэтому новую цепь указываем в направлении 5′ к 3′.

Ответ: 5′-ТГЦААТ-3′. Направление важно указывать, потому что одна и та же последовательность без обозначения концов не показывает ориентацию цепи. При проверке можно сопоставить основания попарно, читая цепи в противоположных направлениях.

Задача 2. Объясните, почему при репликации одна новая цепь синтезируется непрерывно, а другая — фрагментами.

1. Вспоминаем, что две цепи ДНК антипараллельны, то есть их направления противоположны.
2. ДНК-полимераза удлиняет новую цепь только в направлении 5′→3′. Поэтому на одной матрице она может синтезировать цепь непрерывно вслед за раскрывающейся вилкой.
3. На второй матрице синтез должен идти в сторону, противоположную продвижению вилки. Фермент строит короткие участки, начиная каждый от отдельного праймера.

Ответ: непрерывно синтезируется ведущая цепь, а короткими участками — отстающая. Эти участки называют фрагментами Оказаки. Причина различия не в работе разных ферментов, а в сочетании антипараллельности матриц и направления работы ДНК-полимеразы.

Задача 3. В эксперименте обнаружили, что одна из новых цепей состоит из коротких участков, а другая непрерывна. Определите, какая цепь отстающая, и объясните, что должно произойти с её участками дальше.

1. Короткие участки новой цепи — это фрагменты Оказаки, значит, обнаружена отстающая цепь. Непрерывная копия соответствует ведущей цепи.
2. Сначала из коротких участков удаляются праймеры, которые были нужны для запуска синтеза. Затем ферменты заполняют ДНК-нуклеотидами освободившиеся промежутки.
3. Между соседними участками остаются разрывы в сахарофосфатном остове. ДНК-лигаза соединяет их, связывая фрагменты в одну непрерывную цепь.

Ответ: короткие участки образуют отстающую цепь, и это фрагменты Оказаки. После удаления праймеров промежутки заполняются ДНК, а лигаза соединяет фрагменты. Проверка: в конечном результате отстающая цепь тоже должна быть непрерывной.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что обе новые цепи растут в направлении 5′→3′ относительно одной и той же матричной цепи. Направление 5′→3′ указывают для синтезируемой цепи, а не для матрицы; две цепи ДНК антипараллельны. Путаница возникает, если не обозначить концы цепей. Проверяйте себя: новая цепь всегда удлиняется от 5′ к 3′, а её матрица ориентирована противоположно.

Нельзя путать направление движения репликационной вилки с направлением синтеза ДНК. Вилка показывает, куда раскрывается двойная спираль, тогда как 5′→3′ описывает рост новой цепи. Эти направления могут не совпадать, что и объясняет появление фрагментов Оказаки. Чтобы проверить рассуждение, отдельно отметьте стрелкой движение вилки и отдельно — направление синтеза.

Неверно думать, что ДНК-полимераза начинает копирование без затравки. Фермент не может присоединить первый нуклеотид с нуля: ему нужен короткий праймер с подходящим концом. Эту особенность легко упустить, если представлять копирование как простое «считывание» матрицы. Проверяя описание процесса, убедитесь, что праймер указан до начала синтеза цепи или очередного фрагмента.

Фрагменты Оказаки не остаются разрозненными в готовой молекуле. После удаления праймеров промежутки заполняются ДНК, а разрывы между участками соединяет ДНК-лигаза. Ошибку допускают, когда принимают промежуточные фрагменты за конечный результат репликации. Проверьте ответ вопросом: стала ли отстающая цепь непрерывной после завершения копирования?

Связь с другими темами

Для понимания репликации нужны знания о строении ДНК, комплементарности оснований и антипараллельности её цепей. Репликация связана с клеточным циклом: перед делением клетки она обеспечивает копию генетической информации для дочерних клеток. Принцип матричного синтеза пригодится при изучении транскрипции, в которой по матрице ДНК образуется РНК. Работа ДНК-полимеразы и других ферментов также помогает понять основы молекулярной биологии.

Что запомнить

• При репликации каждая исходная цепь ДНК служит матрицей для новой.
• Репликация имеет полуконсервативный характер: дочерняя молекула содержит одну исходную и одну новую цепь.
• Новые нуклеотиды присоединяются по принципу комплементарности.
• ДНК-полимераза синтезирует цепь только в направлении 5′→3′.
• Ведущая цепь синтезируется непрерывно, отстающая — фрагментами Оказаки.
• Праймер необходим для начала синтеза, а лигаза соединяет фрагменты ДНК.