§ 21. Подвоєння ДНК

Як ви вже знаєте, носієм інформації про розвиток, будову, функціонування живого організму є молекула ДНК. Ця молекула є лінійним полімером — полінуклеотидом у вигляді ланцюга з нуклеотидних ланок. Загалом у цьому ланцюгу містяться нуклеотиди з нітрогеновмісними основами чотирьох типів: аденіном (А), гуаніном (Г), цитозином (Ц) та тиміном (Т) 1 . Ці нуклеотиди чергуються один з одним, і в послідовності їхнього з’єднання зашифровано текст — програму, за якою будується та працює живий організм. У цьому розділі ми будемо обговорювати, як цю програму, записану в послідовності нуклеотидів ДНК, виконує клітина. Та живим організмам недостатньо мати надійного зберігача інформації. Важливо, щоб цю інформацію можна було копіювати та передавати нащадкам.

Подвійна спіраль — основа напівконсервативного принципу реплікації

Багато людей, навіть далеких від біології, знають, який приблизно має вигляд молекула ДНК: це комплекс із двох переплетених ланцюгів — подвійна спіраль. Справді, майже увесь час молекула ДНК перебуває в такому комплексі 2 . При цьому полінуклеотидні ланцюги не ідентичні один одному. Навпроти залишку аденіну (А) одного ланцюга розташований залишок тиміну (Т) другого ланцюга, навпроти залишку гуаніну (Г) — залишок цитозину (Ц). Це і є розглянутий нами раніше принцип комплементарності. У будові ДНК криється ключ до механізму її копіювання. Цей процес називають реплікацією. Молекула ДНК спочатку розплітається: ланцюги відокремлюються один від одного, формуючи одноланцюгові ділянки. Потім завдяки роботі ферментативних систем клітини навпроти кожного з ланцюгів, що вийшли з вихідної — материнської — молекули ДНК, формуються дочірні ланцюги за принципом комплементарності. Так виникає дві ідентичні одна одній дволанцюгові спіральні молекули ДНК. У кожній із них один ланцюг нуклеотидів дістався від материнської молекули ДНК, а другий був синтезований наново. Такий механізм реплікації називають напівконсервативним: кожна молекула ДНК містить новий і старий (консервативний) ланцюги (рис. 21.1).

Рис. 21.1. Реплікація ДНК

Стрілка вказує напрямок реплікації.

1 Багато нуклеотидів зазнають модифікацій, особливо в еукаріотичних організмів. Однак ці модифікації відбуваються вже після того, як нуклеотиди ввійдуть до ланцюга ДНК. Тут простежується певна паралель із білками.

2 Винятками є деякі віруси, такі як аденоасоційований вірус, ДНК якого в складі вірусної частинки перебуває в одноланцюговій формі. Однак у процесі життєвого циклу вірусу вона стає дволанцюговою.

Найважливіший фермент реплікації — ДНК-полімераза

Реплікація ДНК здійснюється складним комплексом білків-ферментів і перебуває під жорстким контролем із боку клітини. Одні білки беруть участь у розплітанні дволанцюгового комплексу, інші — стабілізують одноланцюгові ділянки, треті — беруть участь у синтезі нових ланцюгів ДНК. Вивчити, як працює реплікативна машина, ви можете, переглянувши відео за посиланням.

Основний фермент, що бере участь у реплікації ДНК, — ДНК-полімераза. ДНК-полімераза забезпечує приєднання нових нуклеотидів до ланцюгів ДНК, що зростають. Нуклеотиди, які приєднуються до ланцюга ДНК, що росте, містять три послідовно з’єднані залишки ортофосфатної кислоти, як і молекула АТФ 1 . У процесі приєднання нуклеотиду до ланцюга від нуклеотиду відщеплюються два залишки ортофосфатної кислоти. Енергетично це еквівалентно розпаду двох молекул АТФ до АДФ та фосфату. Енергія, що виділяється, використовується, по-перше, для приєднання нуклеотиду до ланцюга, а по-друге, для переміщення ДНК-полімерази вздовж нитки ДНК. Таким чином, ДНК-полімераза є не тільки ферментом біосинтезу ДНК, а й молекулярним мотором, що переміщується нею.

Ділянка ДНК, у якій відбувається процес реплікації, має характерну Y-подібну будову й називається реплікативною вилкою (рис. 21.2). Реплікативні вилки виникають тільки в певних ділянках ДНК, які містять послідовності, відповідальні за запуск реплікації. Зазвичай на одній такій ділянці формуються дві вилки, які рухаються в протилежних напрямках, формуючи так звані реплікативні вічка (за схожістю із зовнішнім виглядом вічка). Кількість точок початку реплікації різниться в різних організмів. Так, у хромосомі бактерій є одна точка початку реплікації, а в хромосомах еукаріотів — багато. Це пов’язано з тим, що розмір хромосом еукаріотів у десятки та сотні разів перевищує розмір прокаріотичних хромосом. Для того, щоб прискорити процес копіювання всієї ДНК, реплікація в еукаріотів запускається одразу в кількох місцях. При цьому сусідні вічка в процесі росту зливаються одне з одним. Окрім того, кількість точок запуску реплікації різниться навіть у клітинах одного організму. Наприклад, у дорослої плодової мушки (дрозофіли) реплікація всієї ДНК клітини зазвичай триває 8 годин. А в ембріона на ранніх стадіях розвитку реплікація такої самої кількості ДНК закінчується за 30 хвилин. Це досягається не збільшенням швидкості синтезу, а збільшенням кількості точок початку реплікації. Таким чином, у клітині ембріона плодової мушки на одиницю довжини ДНК є більше активних реплікативних вилок, ніж у дорослої мухи. Це дає змогу значно прискорити процес подвоєння ДНК.

Рис. 21.2. Реплікативна вилка

А. Схема, що зображує дві вилки, які рухаються в протилежних напрямках і формують реплікативне вічко. Б. Мікрофотографія.

1 Тільки замість рибози вони містять дезоксирибозу.

ДНК прокаріотичної клітини реплікується в цитоплазмі, тоді як в еукаріотів цей процес повністю відбувається в ядрі. До того ж в еукаріотів є ДНК в органелах — мітохондріях і хлоропластах. Реплікація цієї ДНК здійснюється незалежно від ДНК ядра, а ферментативні системи, що беруть участь у цьому процесі, більше нагадують прокаріотичні, ніж еукаріотичні. Реплікація ДНК еукаріотів чітко пов’язана з певним періодом у житті клітини та відбувається перед клітинним поділом. Як правило, за проміжок часу між клітинними поділами вся ДНК реплікується тільки один раз.

Реплікація відбувається з помилками

Реплікація ДНК — життєво важливий процес, оскільки вона забезпечує копіювання спадкової інформації та передавання її нащадкам. Від того, наскільки точно здійснюється реплікація, залежить збереження генетичної програми в часі, передавання від покоління до покоління. Проте реплікація неможлива без помилок. ДНК-полімераза приєднує нуклеотиди відповідно до принципу комплементарності, але іноді помиляється у виборі нуклеотиду. Зазвичай вона робить одну помилку на мільярд нуклеотидів. Іноді полімераза «пропускає» нуклеотид, а іноді — вставляє зайвий. Усе це приводить до зміни послідовності нуклеотидів у дочірніх ланцюгах ДНК порівняно з материнською ДНК (рис. 21.3).

Але в клітині є ферментативні системи, що розпізнають ці помилки та виправляють їх. Ці системи називають системами репарації 1 . Річ у тім, що на тих ділянках ДНК, де є пара некомплементарних нуклеотидів, чи одного нуклеотиду немає, чи один зайвий, виникає порушення класичної дволанцюгової спіральної структури. Такі порушення розпізнаються системами репарації. Ці системи визначають, який ланцюг материнський, а який — дочірній. Це можливо завдяки модифікаціям нуклеотидів: материнський ланцюг ДНК їх містить, натомість у дочірньому вони з’явитися ще не встигли. Материнський ланцюг містить «правильну» послідовність нуклеотидів, а дочірній — послідовність «із помилкою». Після цього ферменти репарації видаляють елемент дочірнього ланцюга, що містить помилку, й особлива ДНК-полімераза наново добудовує його.

Рис. 21.3. Помилки реплікації

А. Початковий ланцюг. Б. Заміна нуклеотиду. В. Уведення додаткового нуклеотиду. Г. Утрата нуклеотиду.

1 Від латинського reparatio — відновлення.

Однак, незважаючи на роботу систем репарації, деякі помилки залишаються непоміченими. Якщо помилка в дочірньому ланцюгу залишиться непоміченою й не буде виправлена, то в наступному циклі реплікації вона закріпиться. У такий спосіб виникає точкова мутація.

Помилки, що залишилися, є основою для мінливості

Мутації постійно виникають через помилки реплікації. Незважаючи на досить низьку частоту помилок, а також роботу систем репарації, із часом мутації накопичуються та призводять до змін генетичної інформації. Такі зміни можуть погано позначатися на якості інформації, закодованої в ДНК. Пояснімо сказане на прикладі. Уявімо, що в нас є певний текст, записаний літерами (це не нуклеотиди ДНК, але певна схожість простежується).

ШИШКИНАСОСНІШАШКИНАСТОЛІУСОНІШАШКИУСИМИШИШКИ

Це доволі місткий текст, у якому є інформація про предмети (ШИШКИ, ШАШКИ), їхніх власників (УСОНІ, УСИМИ), місце розташування (НАСОСНІ, НАСТОЛІ). Цей текст переписуватиметься як послідовності ДНК, і в ньому неминуче виникатимуть помилки. Більшість помилок робитимуть цей текст беззмістовним.

ШИШКИНАСОБНІШАШКИНАСТОЛІУСОНІШАШКИУСИМИШИШКИ

ШИШКИНАСОСНІШАШКИНАСТОЛІГСОНІШАШКИУСИМИШИШКИ

ШИШКИНАСОСНІШАШКИНАСТОЛІУЙОНІШАШКИУСИМИШИШКИ

Але періодично виникатимуть помилки, які спричинятимуть появу нових програм.

МИШКИНАСОСНІШАШКИНАСТОЛІУСОНІШАШКИУСИМИШИШКИ

ШИШКИНАСОСНІШАШКИНАСТОЛІУСОНІМАШКИУСИМИШИШКИ

ШИШКИНАСОСНІШАШКИНАСТОЛІУСОНІШАШКИУРИМИШИШКИ

У першому випадку змінюється предмет (МИШКИ), у другому — предмет змінюється на ім’я (МАШКИ), у третьому — власник (УРИМИ). Ці програми вже мають іншу «змістовну» інформацію. Вони можуть закріпитися в процесі еволюції й стати джерелом нових ознак. Інші «беззмістовні» та «шкідливі» програми із часом відкидатимуться. Саме так і відбувається еволюція на молекулярному рівні. Докладніше цей процес ми розглянемо в § 44. Зараз ми зробимо лише два важливі висновки.

• 1. Мутації ДНК, що виникають у результаті помилок реплікації, а також під впливом інших чинників, є джерелом різноманітності послідовностей ДНК, а отже, і мінливості в популяціях організмів.
• 2. Мутації можуть сприяти виникненню нової інформації, лише якщо відбувається відбір «змістовних» і «не дуже шкідливих» поєднань нуклеотидів. В іншому разі мутації призводять до втрати генетичної інформації.

Знайдіть одну правильну відповідь

1. ДНК-полімераза приєднує нуклеотиди до

• А материнського полінуклеотидного ланцюга
• Б дочірнього полінуклеотидного ланцюга
• В материнського та дочірнього полінуклеотидних ланцюгів
• Г трьох залишків ортофосфатної кислоти
• Д реплікативної вилки

2. Система репарації НЕ розпізнає

• А кількох однакових нуклеотидів поспіль
• Б зайвий нуклеотид в одному з ланцюгів
• В відсутність відповідного нуклеотиду в одному ланцюгу
• Г пару некомплементарних нуклеотидів
• Д невідповідний нуклеотид в одному з ланцюгів

3. Реплікація у тварин відбувається в

• А ядрі
• Б цитозолі
• В ядрі та цитозолі
• Г ядрі та мітохондріях
• Д ядрі, мітохондріях і хлоропластах

4. ДНК в еукаріотів подвоюється

• А один раз перед кожним поділом клітини
• Б два рази перед кожним поділом клітини
• В у будь-який час
• Г тільки під час поділу клітини
• Д постійно

5. Накопичення «змістовних» поєднань нуклеотидів призводить до

• А виродження спадкової інформації
• Б беззмістовного копіювання непотрібної інформації
• В порушення дволанцюгової спіральної структури ДНК
• Г набуття організмом нових ознак
• Д смерті організму

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Чому реплікація ДНК є напівконсервативною? Як відбувалася б консервативна реплікація, якби обидва ланцюги нової спіралі ДНК синтезувалися знову?

7. Чому для реплікації обов’язковим є розплітання дволанцюгової структури?

8. На що впливає кількість реплікативних вилок на хромосомі? У яких випадках потрібна велика кількість цих вилок?

9. Які наслідки для організмів мало б збільшення частоти появи помилок під час реплікації? А які — зменшення ефективності репарації?

10. Як виглядав би живий світ, якби нова «змістовна» інформація в ДНК не закріплювалася в процесі еволюції?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Під час розкручування спіралі ДНК у реплікативній вилці неподвоєна частина молекули мусить ще більше скручуватися або швидко обертатися. Обидва процеси через велику довжину молекули неможливі. Як реплікативна машина вирішує таку проблему?

12. Ричард Ленські в Мічиганському університеті 1988 року почав довготривалий експеримент з еволюції кишкової палички, який триває й сьогодні. Як із часом змінилася частота виникнення мутацій? Яких унікальних властивостей набули бактерії за ці роки?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. Фільм «Темний бік Сонця» розповідає про юнака (його зіграв Бред Пітт), який не може з’являтися на сонячному світлі без захисного одягу. Із чим пов’язане таке «захворювання»? Чи можна допомогти юнакові методами сучасної медицини?

Етапи та процес реплікації ДНК

ДНК — це генетичний матеріал, який визначає кожну клітину. Перш ніж клітина дублюється та ділиться на нові дочірні клітини через мітоз або мейоз , біомолекули та органели повинні бути скопійовані для розподілу між клітинами. ДНК, яка міститься в ядрі , повинна бути реплікована, щоб гарантувати, що кожна нова клітина отримає правильну кількість хромосом . Процес подвоєння ДНК називається реплікацією ДНК . Реплікація відбувається за кількома етапами, які включають кілька білків, які називаються ферментами реплікації та РНК . В еукаріотичних клітинах, таких як у тваринних і рослинних клітинах реплікація ДНК відбувається в S-фазі інтерфази протягом клітинного циклу . Процес реплікації ДНК життєво важливий для росту, відновлення та відтворення клітин в організмах.

Ключові висновки

• Дезоксирибонуклеїнова кислота, широко відома як ДНК, є нуклеїновою кислотою, яка складається з трьох основних компонентів: цукру дезоксирибози, фосфату та азотистої основи.
• Оскільки ДНК містить генетичний матеріал для організму, важливо, щоб він копіювався, коли клітина ділиться на дочірні клітини. Процес копіювання ДНК називається реплікацією.
• Реплікація включає виробництво ідентичних спіралей ДНК з однієї дволанцюгової молекули ДНК.
• Ферменти життєво важливі для реплікації ДНК, оскільки вони каталізують дуже важливі етапи процесу.
• Загальний процес реплікації ДНК надзвичайно важливий як для росту клітин, так і для розмноження організмів. Це також життєво важливо в процесі відновлення клітин.

Структура ДНК

ДНК або дезоксирибонуклеїнова кислота — це тип молекули, відомий як нуклеїнова кислота . Він складається з 5-вуглецевого цукру дезоксирибози, фосфату та азотистої основи. Дволанцюгова ДНК складається з двох спіральних ланцюгів нуклеїнових кислот, які закручені у форму подвійної спіралі . Це скручування дозволяє ДНК бути більш компактною. Щоб поміститися в ядро, ДНК упаковується в щільно скручені структури, які називаються хроматином . Хроматин конденсується з утворенням хромосом під час поділу клітини. Перед реплікацією ДНК хроматин розпушується, надаючи механізму клітинної реплікації доступ до ланцюгів ДНК.

Підготовка до реплікації

Наукова фототека / Getty Images

Крок 1: Формування форка реплікації

Перед реплікацією ДНК дволанцюгову молекулу необхідно «розпакувати» на дві одинарні нитки. ДНК має чотири основи, які називаються аденін (A) , тимін (T) , цитозин (C) і гуанін (G) , які утворюють пари між двома ланцюгами. Аденін з’єднується лише з тиміном, а цитозин – лише з гуаніном. Щоб розмотати ДНК, ці взаємодії між парами основ повинні бути порушені. Це виконується ферментом, відомим як ДНК- геліказа . ДНК-геліказа розриває водневий зв’язок між парами основ, щоб розділити ланцюги на форму Y, відому як вилка реплікації . Ця область буде шаблоном для початку реплікації.

ДНК спрямована в обох ланцюгах, що позначається 5′- і 3′-кінцями. Це позначення означає, до якої бічної групи приєднано кістяк ДНК. До 5′-кінця приєднана фосфатна (P) група, тоді як до 3′-кінця приєднана гідроксильна (OH) група. Ця спрямованість важлива для реплікації, оскільки вона просувається лише в напрямку від 5′ до 3′. Однак вилка реплікації є двонаправленою; один ланцюг орієнтований у напрямку від 3′ до 5′ (провідний ланцюг) , а інший — 5′ до 3′ (відстаючий ланцюг) . Тому обидві сторони відтворюються за допомогою двох різних процесів, щоб врахувати різницю в напрямках.

Починається реплікація

Крок 2: Зв’язування грунтовки

Провідна нитка найпростіша для повторення. Після того, як ланцюги ДНК розділені, короткий фрагмент РНК , який називається праймером , зв’язується з 3′-кінцем ланцюга. Праймер завжди зв’язується як початкова точка для реплікації. Праймери генеруються ферментом праймазою ДНК .

Реплікація ДНК: подовження

Крок 3: подовження

Ферменти, відомі як ДНК-полімерази , відповідають за створення нового ланцюга шляхом процесу, який називається подовженням. Існує п’ять різних відомих типів ДНК-полімераз у бактеріях і клітинах людини . У таких бактеріях, як кишкова паличка, полімераза III є основним ферментом реплікації, тоді як полімераза I, II, IV і V відповідає за перевірку та відновлення помилок. ДНК-полімераза III зв’язується з ланцюгом у місці праймера і починає додавати нові пари основ, комплементарні ланцюгу під час реплікації. В еукаріотичних клітинах полімерази альфа, дельта та епсилон є основними полімеразами, які беруть участь у реплікації ДНК. Оскільки реплікація відбувається в напрямку від 5′ до 3′ на провідному ланцюзі, новоутворений ланцюг є безперервним.

Відстаючий ланцюг починає реплікацію шляхом зв’язування з кількома праймерами. Кожен праймер розділений лише кількома основами. Потім ДНК-полімераза додає фрагменти ДНК, які називаються фрагментами Оказакі , до ланцюга між праймерами. Цей процес реплікації є непостійним, оскільки новостворені фрагменти роз’єднуються.

Крок 4: Припинення

Після того, як утворюються як безперервні, так і переривчасті ланцюги, фермент під назвою екзонуклеаза видаляє всі праймери РНК з вихідних ланцюгів. Потім ці праймери замінюються відповідними основами. Інша екзонуклеаза «перечитує» новоутворену ДНК, щоб перевірити, видалити та замінити будь-які помилки. Інший фермент, який називається ДНК-лігаза , з’єднує фрагменти Окадзакі разом, утворюючи єдину єдину нитку. Кінці лінійної ДНК представляють проблему, оскільки ДНК-полімераза може додавати нуклеотиди лише в напрямку від 5′ до 3′. Кінці батьківських ланцюгів складаються з повторюваних послідовностей ДНК, які називаються теломерами. Теломери діють як захисні кришки на кінці хромосом, щоб запобігти злиттю сусідніх хромосом. Особливий тип ферменту ДНК-полімерази, який називається теломераза каталізує синтез теломерних послідовностей на кінцях ДНК. Після завершення батьківський ланцюг і його комплементарний ланцюг ДНК згортаються у звичну форму подвійної спіралі . Зрештою реплікація виробляє дві молекули ДНК , кожна з яких має один ланцюг від батьківської молекули та один новий ланцюг.

Ферменти реплікації

Реплікація ДНК не відбулася б без ферментів, які каталізують різні етапи процесу. Ферменти, які беруть участь у процесі реплікації ДНК еукаріот, включають:

• ДНК-геліказа – розмотує та відокремлює дволанцюгову ДНК під час руху вздовж ДНК. Він утворює вилку реплікації, розриваючи водневі зв’язки між парами нуклеотидів у ДНК.
• ДНК-праймаза – тип РНК-полімерази, яка генерує РНК-праймери. Праймери – це короткі молекули РНК, які діють як матриці для початкової точки реплікації ДНК.
• ДНК-полімерази – синтезують нові молекули ДНК шляхом додавання нуклеотидів до провідних і відстаючих ланцюгів ДНК.
• Топоізомеразаабо ДНК-гіраза – розкручує та змотує ланцюги ДНК, щоб запобігти сплутуванню чи суперскручуванню ДНК.
• Екзонуклеази – група ферментів, які видаляють нуклеотидні основи з кінця ланцюга ДНК.
• ДНК-лігаза – з’єднує фрагменти ДНК шляхом утворення фосфодіефірних зв’язків між нуклеотидами.

Короткий опис реплікації ДНК

Френсіс Лерой / Getty Images

Реплікація ДНК – це утворення ідентичних спіралей ДНК з однієї дволанцюгової молекули ДНК. Кожна молекула складається з нитки вихідної молекули та новоутвореної нитки. Перед реплікацією ДНК розкручується і нитки роз’єднуються. Формується гілка реплікації, яка служить шаблоном для реплікації. Праймери зв’язуються з ДНК, а ДНК-полімерази додають нові нуклеотидні послідовності в напрямку від 5′ до 3′.

Це додавання безперервне у провідній нитці та фрагментарне у відстаючій нитці. Після завершення подовження ланцюгів ДНК ланцюги перевіряються на наявність помилок, виправляються, а послідовності теломерів додаються до кінців ДНК.

Джерела

14.4: Реплікація ДНК у прокаріотів

Реплікація ДНК була надзвичайно добре вивчена у прокаріотів насамперед через невеликий розмір генома та мутантів, які доступні. E. coli має 4,6 мільйона пар основ в одній круговій хромосомі, і вся вона реплікується приблизно за 42 хвилини, починаючи з одного походження реплікації і протікаючи по колу в обох напрямках. Це означає, що в секунду додається приблизно 1000 нуклеотидів. Процес досить швидкий і відбувається без багатьох помилок.

Реплікація ДНК задіює велику кількість білків і ферментів, кожен з яких відіграє критичну роль під час процесу. Одним з ключових гравців є фермент ДНК-полімераза, також відомий як ДНК-пол, який додає нуклеотиди один за іншим до зростаючого ланцюга ДНК, які доповнюють нитку шаблону. Додавання нуклеотидів вимагає енергії; ця енергія отримується з нуклеотидів, які мають три фосфати, прикріплені до них, подібно до АТФ, який має три фосфатні групи. Коли зв’язок між фосфатами розривається, виділяється енергія використовується для формування фосфодіефірного зв’язку між вхідним нуклеотидом і зростаючим ланцюгом. У прокаріотів відомі три основні типи полімераз: ДНК пол I, ДНК пол II і ДНК пол III. Зараз відомо, що DNA pol III є ферментом, необхідним для синтезу ДНК; ДНК pol I і DNA pol II в першу чергу необхідні для відновлення.

Як машина реплікації знає, з чого почати? Виявляється, існують специфічні нуклеотидні послідовності, які називаються витоками реплікації, де починається реплікація. У кишкової палички, яка має єдине походження реплікації на своїй одній хромосомі (як і більшість прокаріотів), вона має довжину приблизно 245 пар основ і багата послідовностями АТ. Походження реплікації розпізнається певними білками, які зв’язуються з цією ділянкою. Фермент під назвою helicase розкручує ДНК, розриваючи водневі зв’язки між парами азотистих основ. Для цього процесу необхідний гідроліз АТФ. Коли ДНК відкривається, утворюються Y-подібні структури, які називаються реплікаційними вилками . Дві вилки реплікації утворюються на початку реплікації, і вони отримують розширені бі-спрямовано, коли реплікація триває. Однониткові зв’язуючі білки покривають окремі нитки ДНК біля вилки реплікації, щоб запобігти тому, щоб однониткова ДНК змотувалася назад у подвійну спіраль. ДНК-полімераза здатна додавати нуклеотиди тільки в напрямку 5′ до 3′ (нова нитка ДНК може бути розширена тільки в цьому напрямку). Він також вимагає вільної групи 3′-OH, до якої вона може додавати нуклеотиди, утворюючи фосфодіефірний зв’язок між кінцем 3′-OH та 5′ фосфатом наступного нуклеотиду. Це, по суті, означає, що він не може додавати нуклеотиди, якщо вільна група 3′-OH недоступна. Тоді як він додає перший нуклеотид? Проблема вирішується за допомогою праймера, що забезпечує вільний кінець 3′-ОН. Інший фермент, РНК примаза , синтезує праймер РНК, який має довжину від п’яти до десяти нуклеотидів і доповнює ДНК. Оскільки ця послідовність прокладає синтез ДНК, її відповідним чином називають праймером . ДНК-полімераза тепер може розширити цей праймер РНК, додаючи нуклеотиди один за іншим, які доповнюють нитку шаблону (рис. \(\PageIndex\) ).

Малюнок \(\PageIndex<1>\) : Вилка реплікації утворюється, коли helicase відокремлює нитки ДНК біля походження реплікації. ДНК, як правило, стає більш високо згорнутою попереду вилки реплікації. Топоізомераза розриває і реформує фосфатну кістку ДНК перед виделкою реплікації, тим самим знімаючи тиск, що виникає внаслідок цього суперколінгу. Однониткові зв’язуючі білки зв’язуються з однониткової ДНК, щоб запобігти повторному формуванню спіралі. Примаза синтезує праймер РНК. ДНК-полімераза III використовує цей праймер для синтезу дочірньої ланцюга ДНК. На провідній нитці ДНК синтезується безперервно, тоді як на відстаючої пасма ДНК синтезується короткими відрізками, які називаються фрагментами Окадзакі. ДНК-полімераза I замінює праймер РНК ДНК. ДНК-лігаза ущільнює проміжки між фрагментами Окадзакі, з’єднуючи фрагменти в єдину молекулу ДНК. (кредит: модифікація роботи Маріани Руїс Вільярреал)

Ви виділяєте штам клітин, в якому з’єднання фрагментів Окадзакі порушено, і підозрюєте, що мутація сталася в ферменті, знайденому на вилці реплікації. Який фермент найімовірніше буде мутувати?

ДНК-лігаза, так як цей фермент з’єднує воєдино фрагменти Окадзакі.

Вилка реплікації рухається зі швидкістю 1000 нуклеотидів в секунду. ДНК-полімераза може поширюватися лише в напрямку 5′ до 3′, що створює невелику проблему на виделці реплікації. Як ми знаємо, подвійна спіраль ДНК є антипаралельною; тобто одна нитка знаходиться в напрямку від 5 до 3′, а інша орієнтована в напрямку від 3 ‘до 5’. Одна нитка, яка доповнює батьківську ланцюг ДНК від 3 ‘до 5’, синтезується безперервно до вилки реплікації, оскільки полімераза може додавати нуклеотиди в цьому напрямку. Ця безперервно синтезована пасмо відома як провідна пасмо . Інша нитка, що доповнює батьківську ДНК від 5 ‘до 3’, витягнута від вилки реплікації, невеликими фрагментами, відомими як фрагменти Окадзакі , кожен з яких вимагає ґрунтовки для початку синтезу. Осколки Окадзакі названі на честь японського вченого, який вперше їх відкрив. Пасмо з фрагментами Окадзакі відома як відстає пасмо .

Провідну пасмо можна продовжити одним праймером самостійно, тоді як відстає пасмо потребує нового праймера для кожного з коротких фрагментів Окадзакі. Загальний напрямок відставання пасма буде 3′ до 5′, а провідної пасма 5′ до 3′. Білок, який називається ковзаючим затискачем , утримує ДНК-полімеразу на місці, оскільки він продовжує додавати нуклеотиди. Зсувний затискач являє собою кільцеподібний білок, який зв’язується з ДНК і утримує полімеразу на місці. Топоізомераза запобігає перемотуванню подвійної спіралі ДНК перед виделкою реплікації, коли ДНК відкривається; це робить, викликаючи тимчасові уколи в спіралі ДНК, а потім повторно запечатуючи її. У міру протікання синтезу праймери РНК замінюються ДНК. Праймери видаляються екзонуклеазної активністю ДНК pol I, а проміжки заповнюються дезоксирибонуклеотидами. Ніки, які залишаються між новосинтезованою ДНК (яка замінила праймер РНК) та раніше синтезованою ДНК, запечатані ферментної ДНК лігазою, яка каталізує утворення зв’язку фосфодіефіру між кінцем 3′-OH одного нуклеотиду та 5′ фосфатним кінцем іншого фрагмента.

Після того, як хромосома була повністю реплікована, дві копії ДНК переміщаються в дві різні клітини під час поділу клітин. Процес реплікації ДНК можна узагальнити наступним чином.

1. ДНК розкручується на початку реплікації.
2. Helicase відкриває вилки реплікації, що утворюють ДНК; вони розширені двонаправлено.
3. Однониткові зв’язуючі білки покривають ДНК навколо вилки реплікації, щоб запобігти перемотуванню ДНК.
4. Топоізомераза зв’язується в області попереду вилки реплікації, щоб запобігти супернамотування.
5. Примаза синтезує РНК праймери, що доповнюють нитку ДНК.
6. ДНК-полімераза починає додавати нуклеотиди до 3′-OH кінця праймера.
7. Триває подовження як відстаючої, так і провідної пасма.
8. РНК-праймери видаляються екзонуклеазної активністю.
9. Прогалини заповнюються полом ДНК шляхом додавання DNTP.
10. Розрив між двома фрагментами ДНК герметизується ДНК-лігазою, яка допомагає в утворенні фосфодіефірних зв’язків.

Таблиця \(\PageIndex\) узагальнює ферменти, що беруть участь у реплікації прокаріотичної ДНК, і функції кожного з них.

Таблиця \(\PageIndex\) : Реплікація прокаріотичної ДНК: ферменти та їх функція

Фермент/білок	Специфічна функція
ДНК-пул I	Екзонуклеазна активність видаляє праймер РНК і замінює новосинтезовану ДНК
ДНК-пол II	Функція ремонту
ДНК-пол III	Основний фермент, який додає нуклеотиди в напрямку 5′-3′
Хелікейс	Відкриває спіраль ДНК шляхом розриву водневих зв’язків між азотистими основами
Ліга	Запечатує проміжки між фрагментами Окадзакі, щоб створити одну суцільну нитку ДНК
Примаза	Синтезує праймери РНК, необхідні для початку реплікації
Розсувний затискач	Допомагає утримувати ДНК-полімеразу на місці при додаванні нуклеотидів
топоізомераза	Допомагає зняти стрес на ДНК при розмотуванні, викликаючи розриви, а потім перегерметизуючи ДНК
Однониткові зв’язуючі білки (SSB)	Зв’язується з одноцепочечной ДНК, щоб уникнути перемотування ДНК назад.

Ознайомтеся з повним процесом реплікації ДНК тут.

Резюме

Реплікація у прокаріотів починається з послідовності, знайденої на хромосомі, яка називається походженням реплікації – точки, в якій ДНК відкривається. Helicase відкриває подвійну спіраль ДНК, в результаті чого утворюється реплікаційна вилка. Однониткові зв’язуючі білки зв’язуються з однониткової ДНК біля вилки реплікації, щоб тримати вилку відкритою. Примаза синтезує праймер РНК, щоб ініціювати синтез ДНК-полімеразою, яка може додавати нуклеотиди лише в напрямку 5′ до 3′. Одна пасмо синтезується безперервно в напрямку вилки реплікації; це називається провідною. Інша нитка синтезується в напрямку від вилки реплікації, короткими ділянками ДНК, відомої як фрагменти Окадзакі. Ця пасмо відома як відстає пасмо. Після завершення реплікації праймери РНК замінюються нуклеотидами ДНК, а ДНК герметизується ДНК-лігазою, яка створює фосфодіефірні зв’язки між 3′-OH одного кінця та 5′ фосфатом іншого нитка.

Глосарій

спіраль під час реплікації цей фермент допомагає розкрити спіраль ДНК шляхом розриву водневих зв’язків відстає пасмо під час реплікації пасмо, яка тиражується короткими фрагментами і подалі від вилки реплікації провідна пасмо нитка, яка синтезується безперервно в напрямку 5′-3′, яка синтезується в напрямку реплікації вилки лігаза фермент, який каталізує утворення зв’язку фосфодіефіру між 3′ OH і 5′ фосфатними кінцями ДНК Окадзакі фрагмент Фрагмент ДНК, який синтезується короткими розтягуваннями на відстаючої пасма примаза фермент, який синтезує праймер РНК; праймер необхідний для того, щоб ДНК-пол почав синтез нової ланцюга ДНК грунтовка коротка розтяжка нуклеотидів, яка необхідна для початку реплікації; у разі реплікації праймер має нуклеотиди РНК вилка реплікації Y-подібна структура, що утворюється при ініціації реплікації однонитковий зв’язуючий білок під час реплікації білок, який зв’язується з одноцепочечной ДНК; це допомагає тримати дві нитки ДНК окремо, щоб вони могли служити шаблонами ковзний затискач кільцеподібний білок, який утримує ДНК пол на нитку ДНК топоізомерази фермент, який викликає недомотування або перемотування ДНК, коли відбувається реплікація ДНК

Recommended articles

1. Article type Section or Page License CC BY License Version 4.0 Show Page TOC No on Page
2. Tags
   1. authorname:openstax
   2. helicase
   3. lagging strand
   4. leading strand
   5. ligase
   6. Okazaki fragment
   7. primase
   8. primer
   9. program:openstax
   10. prokaryotes
   11. replication fork
   12. single-strand binding protein
   13. sliding clamp
   14. source[translate]-bio-1892
   15. topoisomerase