Репликация

Репликация (позднелат. replicatio - повторение), редупликация, ауторепродукция, аутосинтез - процесс самовоспроизведения нуклеиновых кислот, генов и хромосом.

Срок применяют преимущественно для описания процесса удвоения нуклеиновых кислот, воспроизведения хромосом чаще описывают другими терминами ( митоз, мейоз).


1. Особенности строения ДНК

Химическая структура ДНК

Процесс происходит за счет ферментативного матричного синтеза ДНК или РНК. Согласно модели строения двухцепочечной молекулы ДНК Уотсона и Крика эта молекула является полимером мономерами которого сахар дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты, который соединяет мономеры между собой и азотистые основания, которые кодируют генетическую информацию. Причем гуанин одной цепи всегда находится напротив цитозина другой, они соединены тройными водородными связями, аденин - напротив тимина соединены двойными водородными связями. Этот порядок связей никогда не нарушается и называется комплементарность азотистых оснований. За счет водородных связей две нити ДНК связаны между собой и закрученные в спираль. В процессе репликации цепи расплетаются, и каждый из них становится матрицей для синтеза новой цепи, который строится учитывая комплементарность азотистых оснований.

Такое строение ДНК характерна для всех клеточных организмов ( прокариот и эукариот). ДНК вирусов может быть одноцепочечной. Кроме того, некоторые вирусы имеют молекулу РНК (тоже может быть одно-или двухцепочечной) в качестве носителя генетической информации [1].


2. Гипотезы репликации ДНК

После того, как было установлено, что ДНК образуется путем построения на существующей молекуле новых цепей, возник вопрос каким образом происходит удвоение исходной молекулы. Были выдвинуты три гипотетических механизмы репликации.

  • Консервативный механизм - при таком способе раскрутки спирали не происходит, существующая двойная спираль является матрицей для синтеза двух новых цепей. Новая спираль строится полностью из нового материала, существующая спираль остается неизменной.
  • Полуконсервативный механизм - существующая спираль раскручивается, на каждом полинуклеотидные цепи комплементарно строится новый. Таким образом новая двойная спираль является "гибридом" старого и нового цепей
  • Дисперсивний механизм - существующая спираль разрывается на каждом полуобороте путем многократной фрагментации. Синтез новых цепей проходит на фрагментах, которые затем крест-накрест сливаются с отрезками нового материала. Каждый полинуклеотид ный цепь состоит из отрезков старого и нового материала, которые чередуются.

С целью выяснить, какой механизм является действительным Меселсон и Сталь провели эксперименты с меченой ДНК, содержащую в своем составе тяжелый изотоп азота. В результате исследования удалось выявить, что ДНК синтезируется полуконсервативной механизмом.



3. Молекулярный механизм репликации двухцепочечной ДНК

Схематическое изображение процесса репликации, цифрами обозначены: (1) цепь, отстает, (2) цепь-лидер, (3) ДНК-полимераза (Polα), (4) ДНК лигаза, (5) РНК-праймер, (6) ДНК- праймазой, (7) фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза (Polδ), (9) хеликазы, (10) одиночный цепь со связанными белками, (11) топоизомеразы

Репликация - сложный многоэтапный процесс, в котором принимают участие многие ферментов, он требует много времени и больших энергетических затрат клетки. Процесс начинается с того, что фермент топоизомеразы выпрямляет закрученную в спираль молекулу ДНК и к ней присоединяются белки, которые не дают молекуле вновь свернуться. Фермент хеликазы разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, в результате чего участок двойной молекулы ДНК распадается на две цепи, образуется так называемая "вилка репликации". К цепи присоединяется ДНК- праймазой - фермент который начинает синтез ДНК - собственно репликацию. Она синтезирует праймер - последовательность нуклеотидов от которой следующий фермент - ДНК- полимераза строит новую цепь, используя имеющийся как матрицу. Праймером служит фрагмент РНК, он нужен, потому что никакая ДНК- полимераза не может начать синтез новой цепочки "с нуля", а может только добавить нуклеотиды к существующему цепочки. Когда праймер выполнил свою функцию, он удаляется экзонуклеаза, а другая полимераза "застраивает" пустое место, которое возникло. Также ДНК- полимераза способна исправлять возможные ошибки репликации и проверять комплементарность. Синтез новых цепей происходит асимметрично, то есть один из них синтезируется непрерывно, по ходу разъединения молекулы ДНК хеликазы, другая цепь строится в противоположном направлении - против направления действия хеликазы, поэтому происходит короткими фрагментами, длиной 1000 - 2000 нуклеотидов, называемых фрагменты Окадзаки, в честь японского ученого которые открыл. Фрагменты Оказаки соединяет между собой фермент ДНК- лигаза. Таким образом из одной молекулы ДНК образуются две идентичные, которые после окончания процесса репликации спирализуються.

В эукариот репликация происходит перед делением клетки, в прокариот - в течение всего жизненного цикла.


4. Другие механизмы репликации

Репликация у вирусов имеющих одноцепную ДНК имеет особенности. В клетке хозяина на такой молекуле, называемой (+) цепью синтезируется комплементарный ему (-)-цепь, таким образом образуется двухцепочечная молекула ДНК. (-)-Цепь затем служит матрицей для синтеза новых (+)-цепей, которые встраиваются в вирусные частицы. В процессе участвуют ферменты вирусов и ферменты клетки-хозяина.

Репликация РНК происходит у организмов, геном которых кодирует эта нуклеиновая кислота - некоторые типы вирусов и вироиды. Процесс происходит в клетках хозяина, которые были инфицированы этими организмами. При этом также синтезируются (-)-цепи и РНК проходит двухцепную стадию.


Литература

  1. Шлегель Г. Общая микробиология. Перевод с нем. Л.В. Алексеевой. М.: Мир, 1987. С. 567.
  2. Уотсон Дж., Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1967.
  3. Ратнер В. А., Принципы организации и механизмы молекулярно-генетических процессов, Новосиб., 1972.
  4. Бреслер С. Е., Молекулярная биология, Л., 1973.
  5. Стент Г., Молекулярная генетика, пер. с англ., М., 1974.

6. Сноски

  1. http://www.medicreferat.com.ru/pageid-169-9.html Нуклеиновые кислоты вирусов