Репликация ДНК. 
Концепции современного естествознания

Самовоспроизведение ДНК называется репликацией (от лат. replicatio — возобновление, повторение). У этого термина есть синоним — редупликация. Репликация ДНК составляет основу многих основополагающих жизненных процессов, в частности деления клеток, размножения организмов, передачи наследственных признаков от одного поколения к другому. Естественно, репликация, будучи основополагающим биологическим процессом, заслуживает отдельного рассмотрения. На рис. 6.6 приведена популярная схема процесса репликации. Ее автором является мексиканка М. Р. Вильярреал.

Рис. 6.6. Схема процесса репликации ДНК¹:

• 1 — отстающая нить; 2 — ведущая нить; 3 — ДНК-полимераза;
• 4 — ДПК-лигаза; 5 — РНК-праймер; 6 — праймаза; 7 — фрагмент Оказаки;
• 8 — ДНК-полимераза; 9 — хеликаза; 10 — одиночная нить со связанными белками; 11 — топоизомераза

Приведенная схема свидетельствует о том, что репликация осуществляется крупным комплексом, состоящим из ферментов, каждый из которых осуществляет некоторые функции, между которыми наблюдается высокой степени согласованность. В ее отсутствие процесс репликации нарушается и в конечном счете останавливается. Субстратом многих ферментов являются нуклеотид трифосфаты, которые состоят из трех остатков фосфорной кислоты, одного из пяти азотистых оснований и сахара (рибозы или дезоксирибоза). На рис. 6.3 изображен адениннуклеотид монофосфат. Нуклеотид трифосфаты устроены так же, как адениннуклеотид (но вме-^[1]

сте одного остатка фосфорной кислоты присутствуют три). Наряду с ДНК и РНК нуклеотид трифосфаты (НТФ) являются важнейшими биомолекулами. Интересно, что подобно всем другим белкам они закодированы в ДНК. Следовательно, имеет место важнейшая в биологическом отношении обратная связь: ДНК направляют синтез белков, которые реплицируют ДНК^[2].

Прежде чем обратиться непосредственно к механизму репликации ДНК, рассмотрим функции, выполняемые различными ферментами (табл. 6.3).

Таблица 63

Функции ферментов при репликации ДНК

После разъяснения функций различных частей ферментативного комплекса нетрудно представить весь процесс репликации ДНК в виде последовательности некоторых этапов.

• 1. Хеликаза образует репликационную вилку.
• 2. Белки, связывающие одноцепочечную ДНК, предотвращают ее связывание с той цепью ДНК, от которой она отделилась.
• 3. ДНК-тоиоизомеразы помогают разрешить проблемы кручения и спутывания ДНК.
• 4. ДНК-праймазы образуют затравки (одну на лидирующей цепи и много на отстающей, необходимых для синтеза фрагментов Оказаки), праймеры, без которых не может начаться процесс синтеза новой ДНК.
• 5. ДНК-полимеразы синтезируют новые ветви ДНК.
• 6. Белки скользящей застежки увеличивают скорость репликации.
• 7. ДНК-лигазы соединяют ДНК-фрагменты в единую непрерывную цепь.
• 8. Теломеразы удлиняют старую ДНК, что позволяет синтезировать еще один или несколько фрагментов Оказаки с тем, чтобы вновь образованная ДНК не была короче прежней. Без введения в действие теломеразы новая цепь короче старой постольку, поскольку ДНК-полимсраза не способна начать с 5'-конца, а лишь достраивает З'-конец.

Первые шесть этапов обычно называют инициацией репликации. Пятый и шестой этапы представляют собой пролонгацию (от лат. prolongare — удлинять), шестой и седьмой этап образуют терминацию (окончание) репликации. На стадии пролонгации выявляется весьма характерная для нее особенность, связанная с антипараллельностью двух ветвей репликативной вилки (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Репликативная вилка и две цепи репликации^1.

Направление движения репликативной вилки является одним и тем же как для верхней, так и для нижней дочерней линии, синтез которых всегда осуществляется в направлении 5'—3'. Репликация начинается с затравки, праймера. Для верхней цепи достаточно одной затравки. После этого репликация осуществляется непрерывно вплоть до начала оси симметрии репликативной вилки. На нижней линии репликация не может осуществляться в сходном режиме, потому что движение к началу оси симметрии происходило бы в направлении 3'—5'. Природа нашла выход из затрудни-^[3]

тельного положения. На нижней цепи образуется много затравок. Единым репликативным движением их невозможно охватить. Но возможно реализовать короткие переходы в 5'—3' направлениях, формируя фрагменты Оказаки. ДНК-полимераза удаляет РНК-затравки и заполняет бреши между фрагментами Оказаки. Затем все фрагменты ДНК нижней цепи сшиваются ДНК-лигазой в одну непрерывную цепь. Цепь, образованная посредством непрерывной репликации, называется ведущей, а другая, собранная из фрагментов Оказаки, отстающей.

В заключение параграфа отметим, что процесс репликации ДНК, равно как и набор ферментов с их функциональными особенностями, рассмотрен нами лишь в основных чертах. Многочисленные подробности пришлось опустить.

Выводы

• • Репликация ДНК составляет основу многих основополагающих жизненных процессов, в частности передачи наследственных признаков от одного поколения к другому.
• • Репликация проводится ферментативным комплексом. Каждый фермент выполняет специфические функции.
• • Репликация ДНК осуществляется в несколько этапов, каковыми, в частности, являются инициация репликации, ее пролонгация и терминация.
• • Одна из дочерних цепей ДНК является ведущей, а другая отстающей.

• [1] URL: http:// www.upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/dO/DNA_replication_numbered.svg/513px-DNA_replication_numbered.svg.png/
• [2] 2 Фаворова О. О. Репликация ДНК // Современное естествознание: энциклопедия: в 10 т. Т. 8. Молекулярные основы биологических процессов. М.: Издательской ДомМАГИСТР-ПРЕСС, 2000. С. 24.
• [3] Фаворова О. О. Репликация ДНК. С. 28.