§ 18. Репликация ДНК

Определения и обозначения

Репликация ДНК — удвоение молекулы ДНК перед делением клетки. Она нужна для того, чтобы каждая дочерняя клетка получила полный набор наследственной информации. Без точного копирования генов клетки не смогли бы сохранять признаки организма.

Полуконсервативный механизм — способ репликации, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну исходную и одну вновь синтезированную цепь. Слово «полуконсервативный» означает, что половина исходной структуры сохраняется. Благодаря этому старая цепь задаёт образец для сборки новой.

Репликационная вилка — участок, где двойная спираль ДНК раскрывается и на двух матричных цепях строятся новые. Она постепенно перемещается вдоль молекулы. В области вилки одновременно работают ферменты, обеспечивающие разделение цепей и их копирование.

Фрагменты Оказаки — короткие участки новой цепи, которые отдельно синтезируются на отстающей цепи. Они появляются потому, что ДНК-полимераза работает только в направлении 5′→3′. Позже эти фрагменты соединяются в единую цепь.

Как это устроено

Репликация начинается в определённых участках молекулы ДНК, называемых участками начала репликации. Клетке нужно заранее удвоить генетический материал, потому что при делении одна копия должна достаться каждой дочерней клетке. Если ДНК не скопировать полностью, клетки получат неполный набор генов и не смогут нормально функционировать.

Специальные ферменты раскрывают двойную спираль и разделяют её цепи, разрушая слабые связи между комплементарными основаниями. Образуется репликационная вилка, в которой каждая исходная цепь становится матрицей. Новая цепь строится по принципу комплементарности: напротив аденина включается тимин, а напротив гуанина — цитозин. Так исходная последовательность переносится в новую молекулу.

Главный фермент синтеза — ДНК-полимераза. Она присоединяет нуклеотиды только к свободному 3′-концу растущей цепи, поэтому её работа идёт в направлении 5′→3′. Матрицы ДНК расположены антипараллельно: одна направлена к вилке 3′→5′, а другая — 5′→3′. Именно это различие заставляет синтез на двух матрицах протекать неодинаково.

На матрице, направленной к вилке 3′→5′, новая цепь может расти 5′→3′ навстречу движению вилки. Поэтому ведущая цепь синтезируется непрерывно, по мере раскрытия ДНК. На второй матрице непрерывное движение в нужном направлении невозможно, и новая цепь создаётся небольшими отрезками.

Отстающая цепь формируется из фрагментов Оказаки, каждый из которых синтезируется отдельно в направлении 5′→3′. Для начала каждого фрагмента нужен короткий стартовый участок — праймер, который создаёт праймаза. После удаления праймеров промежутки заполняются ДНК, а ДНК-лигаза соединяет соседние фрагменты, превращая их в непрерывную цепь.

Сравнение синтеза ведущей и отстающей цепей

В таблице удобно сопоставлять не только результат, но и причину различий между двумя цепями. Сначала определите направление матрицы относительно вилки, затем проверьте, может ли новая цепь расти 5′→3′ непрерывно. Если это невозможно, ищите фрагменты Оказаки и участие лигазы.

Разбор задач

Задача 1. Запишите последовательность комплементарной цепи для участка ДНК 5′-А-Т-Г-Ц-Ц-А-3′, указав направление цепи.

1. Под каждой буквой исходной цепи поставим комплементарный нуклеотид: Т-А-Ц-Г-Г-Т.
2. Учтём антипараллельность: если первая цепь записана от 5′ к 3′, вторая напротив направлена от 3′ к 5′.
3. Запишем результат с обозначением концов: 3′-Т-А-Ц-Г-Г-Т-5′.

Ответ: 3′-Т-А-Ц-Г-Г-Т-5′. При записи этой же цепи в направлении 5′→3′ порядок букв будет обратным: 5′-Т-Г-Г-Ц-А-Т-3′.

Задача 2. В молекуле ДНК 800 пар нуклеотидов. Сколько нуклеотидов должно быть включено в две новые цепи при полном удвоении этой молекулы?

1. Одна новая цепь строится напротив одной исходной цепи и содержит по одному нуклеотиду напротив каждой пары.
2. Значит, в одной новой цепи будет 800 нуклеотидов.
3. При полном удвоении образуются две новые цепи, поэтому умножаем 800 на 2: 800 × 2 = 1600.

Ответ: в две новые цепи будет включено 1600 нуклеотидов.

Задача 3. В репликационной вилке матричная цепь направлена 3′→5′ к вилке, а вторая — 5′→3′ к вилке. Укажите характер синтеза на каждой матрице и объясните роль праймазы и ДНК-лигазы.

1. На матрице 3′→5′ к вилке новая цепь может расти 5′→3′ в сторону движения вилки, поэтому синтез будет непрерывным.
2. На матрице 5′→3′ к вилке синтез в сторону вилки невозможен, поэтому новая цепь образуется отдельными фрагментами Оказаки.
3. Праймаза создаёт праймеры для начала каждого участка, а ДНК-лигаза соединяет фрагменты после их синтеза.

Ответ: первая матрица обеспечивает синтез ведущей цепи, вторая — отстающей; праймаза начинает синтез, а лигаза соединяет его отдельные участки.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что обе цепи синтезируются непрерывно. Так думают, если не учитывают направление работы ДНК-полимеразы; проверьте, идёт ли каждый участок новой цепи 5′→3′.

Ошибка 2. Путать матричную и новую цепь. Матричная цепь уже существовала, а новая ей комплементарна и антипараллельна; полезно подписывать направления 5′ и 3′.

Ошибка 3. Представлять одну дочернюю молекулу полностью старой, а другую полностью новой. При полуконсервативной репликации каждая молекула получает по одной цепи каждого типа.

Ошибка 4. Приписывать лигазе синтез нуклеотидов. Новые участки строит ДНК-полимераза, а лигаза только соединяет уже созданные фрагменты Оказаки.

Связь с другими темами

Для понимания репликации нужны знания о строении ДНК, комплементарности и антипараллельном расположении цепей. С клеточным циклом репликацию связывает её место перед делением: удвоенная ДНК распределяется между дочерними клетками. Позже этот механизм поможет объяснить возникновение мутаций, закономерности наследственности и молекулярную передачу генетической информации.

Что запомнить

• Каждая исходная цепь ДНК служит матрицей для новой.
• Репликация ДНК происходит по полуконсервативному механизму.
• Новые цепи синтезируются в направлении 5′→3′.
• Ведущая цепь синтезируется непрерывно.
• Отстающая цепь синтезируется фрагментами Оказаки.
• ДНК-лигаза соединяет фрагменты новой цепи.