§26. Матричный синтез ДНК

Определения и обозначения

Репликация ДНК — удвоение молекулы ДНК перед делением клетки. Клетке нужны две копии наследственного материала, чтобы после деления каждая дочерняя клетка получила полный набор генов. Точное копирование поддерживает постоянство наследственной информации.

Полуконсервативный механизм репликации означает, что каждая новая молекула содержит одну исходную и одну вновь построенную цепь. Исходная цепь сохраняется и служит образцом для копирования. Поэтому дочерние молекулы похожи на исходную.

Репликационная вилка — участок, где двойная спираль расплетается, а две исходные цепи расходятся. На каждой из них строится комплементарная новая цепь. Вилка постепенно перемещается вдоль молекулы ДНК.

Фрагмент Оказаки — короткий участок новой цепи, который образуется прерывисто на отстающей цепи. Такие фрагменты возникают из-за антипараллельного строения ДНК и ограничения работы ДНК-полимеразы направлением 5′→3′. Позже они соединяются в одну непрерывную цепь.

Как это устроено

Репликация начинается с расплетания двойной спирали и разделения двух цепей. Это необходимо, потому что скрытые внутри спирали основания должны стать доступными для ферментов и новых нуклеотидов. Каждая исходная цепь после разделения выполняет роль матрицы для построения своей копии.

Нуклеотиды новой цепи присоединяются по принципу комплементарности: напротив аденина ставится тимин, а напротив гуанина — цитозин. Поэтому последовательность матрицы однозначно задаёт последовательность новой цепи. Именно это соответствие позволяет копировать генетическую информацию без произвольного подбора нуклеотидов.

ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды только к свободному 3′-концу растущей цепи, поэтому синтез идёт в направлении 5′→3′. Такое ограничение связано с химическим строением нуклеотидов и активного центра фермента. Из-за него две новые цепи не могут строиться одинаково относительно движения репликационной вилки.

На ведущей цепи матрица направлена 3′→5′ по ходу движения вилки, поэтому новая цепь растёт 5′→3′ навстречу раскрывающемуся участку и создаётся непрерывно. На второй матрице ориентация обратная: она направлена 5′→3′ в сторону движения вилки. Полимераза вынуждена работать короткими участками, удаляясь от вилки, поэтому возникают фрагменты Оказаки.

Начать построение цепи ДНК полимераза может только от готового свободного конца, который создаёт праймер. На отстающей цепи праймеры нужны для запуска каждого фрагмента. После завершения синтеза праймеры удаляются, промежутки заполняются ДНК, а ДНК-лигаза соединяет соседние фрагменты прочными связями.

Сравнение синтеза ведущей и отстающей цепей ДНК

Главный признак для сравнения — направление матричной цепи относительно движения вилки. Направление синтеза новой цепи в обоих случаях одинаково: 5′→3′. Если матрица ориентирована неудобно для непрерывной работы, появляются фрагменты Оказаки.

Разбор задач

Задача 1

Дан матричный участок ДНК 3′-АЦГТТА-5′. Нужно записать последовательность новой цепи и указать её направление. Сначала подбираем основания, а затем проверяем антипараллельность цепей.

1. Для А выбираем Т, для Ц — Г, для Г — Ц, для Т — А, для Т — А, для А — Т.
2. Получаем последовательность ТГЦААТ напротив данной матрицы.
3. Поскольку матрица записана 3′→5′, новая цепь напротив неё направлена 5′→3′.

Ответ: 5′-ТГЦААТ-3′. Направления цепей противоположны, поэтому запись новой цепи нельзя оставить в направлении 3′→5′.

Задача 2

Определите, какая матричная цепь синтезируется непрерывно, если известны её направление и направление движения вилки. Пусть в условии матричная цепь направлена 3′→5′ по ходу движения вилки. Нужно сопоставить это направление с работой полимеразы.

1. Новая цепь напротив такой матрицы будет направлена 5′→3′.
2. Это совпадает с обязательным направлением синтеза ДНК-полимеразы.
3. Следовательно, фермент может двигаться вместе с вилкой и не прерывать работу.

Ответ: непрерывно синтезируется ведущая цепь. Если матрица направлена 5′→3′ по ходу вилки, соответствующая новая цепь будет отстающей.

Задача 3

На схеме видны праймеры и несколько коротких участков новой ДНК. Нужно определить их расположение и назвать этапы превращения этих участков в цельную цепь. Отдельные короткие участки указывают на прерывистый синтез.

1. Такие участки образуются на отстающей цепи и называются фрагментами Оказаки.
2. РНК-праймеры удаляются, а освободившиеся промежутки заполняются ДНК-нуклеотидами.
3. ДНК-лигаза соединяет соседние фрагменты, устраняя разрывы между ними.

Ответ: фрагменты Оказаки формируются на отстающей цепи. Для получения непрерывной цепи нужны удаление праймеров, заполнение промежутков ДНК и работа ДНК-лигазы.

Типичные ошибки

Обе цепи синтезируются непрерывно. Так считают, если не учитывают антипараллельность цепей. Проверьте, направлены ли обе новые цепи 5′→3′: при движении одной вилки это возможно только для одной цепи.

Новая цепь записывается так же, как матричная. Ошибка возникает при забытом противоположном направлении цепей. Проверьте запись по концам: напротив 3′ должен находиться 5′, а синтез всегда идёт 5′→3′.

Основания соединяются неправильно. Иногда путают пары А–Т и Г–Ц, особенно при работе с длинной последовательностью. Для проверки замените каждый нуклеотид отдельно и только потом соберите цепь.

ДНК-лигаза присоединяет отдельные нуклеотиды. Такую роль смешивают с функцией ДНК-полимеразы. Лигаза соединяет уже готовые фрагменты после заполнения промежутков, а нуклеотиды добавляет полимераза.

Связь с другими темами

Для понимания репликации нужны знания о строении ДНК, комплементарности оснований и обозначениях 5′ и 3′. Связь с клеточным циклом объясняет, почему ДНК удваивается до деления: дочерним клеткам требуются копии наследственного материала. Позже эти представления помогут изучать мутации, наследственность, репарацию ДНК и молекулярные методы анализа генетического материала.

Что запомнить

• Репликация — удвоение ДНК перед делением клетки.
• Репликация ДНК происходит по полуконсервативному механизму.
• Каждая исходная цепь служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи.
• ДНК-полимераза синтезирует новую цепь только в направлении 5′→3′.
• Ведущая цепь синтезируется непрерывно, отстающая — фрагментами Оказаки.
• Праймеры нужны для начала синтеза, а ДНК-лигаза соединяет фрагменты.