If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Если вы используете веб-фильтр, пожалуйста, убедитесь, что домены *.kastatic.org и *.kasandbox.org разблокированы.

Основное содержание

Молекулярный механизм репликации ДНК

В этом видео мы расскажем о роли ДНК-полимераз и других ферментов репликации. Также объясним различия между лидирующей и отстающей цепями, и расскажем о фрагментах Оказаки?

Основные моменты:

  • Полуконсервативный механизм репликации ДНК. Каждая цепь двойной спирали выступает в качестве матрицы для синтеза новой, комплементарной цепи.
  • Синтез новой ДНК осуществляется ферментами, называемыми ДНК-полимеразами, которые синтезируют ДНК в направлении от 5' к 3' концу. Для работы им необходимы матрица и праймер (затравка)
  • Во время репликации ДНК одна новая цепь (лидирующая цепь) создается последовательно и непрерывно. Другая ( отстающая цепь) создается маленькими фрагментами.
  • Для репликации ДНК требуются и другие ферменты, помимо ДНК-полимеразы, а именно ДНК-праймаза, ДНК-хеликаза, ДНК-лигаза и топоизомераза.

Введение

Репликация ДНК, или копирование ДНК клетки, не простая задача! В вашем геноме содержится около 3 миллиардов пар оснований ДНК, и все они должны быть точно скопированы в процессе деления любой из триллионов клеток вашего организма1.
Основные механизмы репликации ДНК одинаковы для всех организмов. В данной статье мы рассмотрим репликацию ДНК в бактерии E. coli (кишечной палочки) — этот процесс протекает схожим образом у людей и других эукариотов
Давайте рассмотрим белки и ферменты, которые осуществляют репликацию, и увидим, как их совместная работа обеспечивает точную и полную репликацию ДНК.

Основная идея

Полуконсервативный механизм репликации ДНК заключается в том, что каждая цепь двойной спирали ДНК выступает в качестве матрицы для синтеза новой комплементарной цепи.
Этот процесс приводит к тому, что из одной исходной молекулы образуются две «дочерние», причем каждая вновь образованная двойная спираль содержит одну новую и одну старую цепь.
В общих чертах, это все, что нужно для репликации ДНК! Однако самое интересное в этом процессе — это как раз то, как он протекает
Клеткам необходимо копировать свою ДНК очень быстро и с минимальным количеством ошибок (во избежание риска развития рака). Для этого они используют различные ферменты и белки, которые действуют совместно для обеспечения бесперебойной и точной репликации ДНК.

ДНК-полимераза

Одной из ключевых молекул в репликации ДНК является фермент ДНК-полимераза. ДНК-полимеразы отвечают за синтез ДНК: они присоединяют нуклеотиды один за другим к растущей цепи ДНК, включая в неё только те нуклеотиды, которые комплементарны матрице.
Вот некоторые основные особенности ДНК-полимеразы:
  • Им всегда нужна матрица
  • Они могут присоединять нуклеотиды только к 3'-концу цепи ДНК
  • Они не могут начать синтез новой цепи ДНК с нуля, поэтому им необходимо наличие уже существующей цепи и короткого фрагмента , называемого праймером или затравкой.
  • Они корректируют, то есть проверяют свою работу, удаляя большинство «неправильных» нуклеотидов, которые по ошибке встраиваются в новую цепь.
Для присоединения нуклеотидов к цепи требуется энергия. Источником этой энергии являются сами нуклеотиды, к которым прикреплены три фосфата (подобно молекуле АТФ, несущей энергию). Когда связь между фосфатами разрушается, высвобождаемая энергия используется для образования связи между присоединяющимся нуклеотидом и растущей цепью.
У прокариот, таких как E. coli, есть две основные ДНК-полимеразы, участвующие в репликации ДНК: ДНК-полимераза III (основной фермент, участвующий в синтезе ДНК) и ДНК-полимераза I, играющая вспомогательную роль, которую мы рассмотрим позже.

Начало репликации ДНК

Как ДНК-полимеразы и другие факторы репликации узнают, откуда им начать? Репликация всегда начинается в определенных местах ДНК, так называемых точках начала репликации, которые распознаются по нуклеотидной последовательности.
E. coli, как и большинство бактерий, имеет единственную точку начала репликации на своей хромосоме. Длина этого фрагмента составляет около 245 пар оснований и содержит в основном пары оснований A/T (которые удерживаются вместе меньшим количеством водородных связей, чем пары оснований G/C), что облегчает разделение цепей ДНК.
Специализированные белки распознают этот участок и связываются с ним, разъединяя цепи ДНК. В результате образуются две Y-образные структуры, называемые репликационными вилками, которые вместе образуют так называемый репликационный пузырь. В процессе репликации вилки двигаются в противоположных направлениях.
Схема основана на аналогичной иллюстрации из источника Reece et al. 2.
Как на самом деле происходит репликация в репликационных вилках? Хеликаза - первый фермент, прикрепляется к точке начала репликации3. Задача Хеликазы - продвигать вилки репликации вперед, «расплетая» ДНК (разрывая водородные связи между азотистыми основаниями).
Специальные белки, связывающиеся с одноцепочечной ДНК, обволакивают отдельные нити ДНК возле репликационной вилки, предотвращая их повторное объединение в двойную спираль.

Праймеры и праймаза

ДНК-полимеразы могут добавлять нуклеотиды только к 3'-концу существующей цепи ДНК. Они используют свободную группу -ОН, находящуюся на 3'-конце, в качестве «крючка», прицепляя новый нуклеотид к этой группе в результате реакции полимеризации. Как же тогда ДНК-полимераза присоединяет первый нуклеотид на новой репликационной вилке?
В одиночку она это сделать не может! Эта проблема решается с помощью фермента праймазы. Праймаза создает РНК праймер или короткий фрагмент нуклеиновой кислоты, комплементарный матрице, который формирует 3'-конец для работы ДНК-полимеразы. Типичный праймер имеет длину от пяти до десяти нуклеотидов. Праймер способствует началу синтеза ДНК, то есть даёт ему старт.
Как только РНК-праймер синтезирован, ДНК-полимераза «удлинняет» его, добавляя нуклеотиды один за другим, чтобы получить новую цепь ДНК, которая комплементарна матричной цепи.

Лидирующая и отстающая цепи

У бактерии E. coli, ДНК-полимераза, которая осуществляет большую часть синтеза, является ДНК-полимеразой III. На репликационной вилке находятся две молекулы ДНК-полимеразы III, каждая из которых усердно работает над одной из двух новых цепей ДНК.
ДНК-полимеразы могут добавлять нуклеотиды только к 3'-концу существующей цепи ДНК. Они используют свободную группу -ОН, находящуюся на 3'-конце, в качестве «крючка», прицепляя новый нуклеотид к этой группе в результате реакции полимеризации. Как же тогда ДНК-полимераза присоединяет первый нуклеотид на новой репликационной вилке?
Одна новая цепь, которая проходит от 5' к 3'-концу по направлению к вилке репликации, является простой. Эта цепь создается непрерывно, потому что ДНК-полимераза движется в том же направлении, что и вилка репликации. Эта непрерывно синтезируемая цепь называется лидирующей цепью.
В другой новой цепи, которая направлена от репликационной вилки от 5'-конца к 3'-концу, всё немного сложнее. Эта цепь строится фрагментами, потому что по мере движения вилки ДНК-полимераза удаляется от неё, и ей в какой-то момент приходится отрываться и снова присоединяться к новому открывшемуся фрагменту. Эта цепь, достраивающаяся фрагментами, называется отстающей цепью.
Маленькие фрагменты называются фрагментами Оказаки. Они названы в честь японского ученого, который их обнаружил. Лидирующая цепь может быть синтезирована на основании одного праймера, в то время как отстающая цепь нуждается в новом праймере для каждого из коротких фрагментов Оказаки.

Бригада по техническому обслуживанию и уборке

Существуют и другие белки и ферменты, помимо перечисленных выше основных, необходимые для обеспечения бесперебойной репликации ДНК. В частности, это так называемые белки скользящего зажима, которые во время синтеза ДНК удерживают молекулы ДНК-полимеразы III. «Скользящий зажим» — это белок в форме кольца, не дающий ДНК-полимеразе III отсоединиться при переходе к новому фрагменту Оказаки4.
Топоизомераза также играет важную поддерживающую роль в репликации ДНК. Этот фермент предотвращает слишком плотное скручивание двойной спирали ДНК перед вилкой репликации при раскрытии ДНК. Он вносит временные разрывы в спирали, чтобы снять излишнюю спирализацию цепей, а затем восстанавливает их, чтобы избежать необратимых повреждений.
Наконец, после всех этих процессов нужно сделать небольшую уборку, если мы хотим, чтобы в ДНК не оставалось РНК или зазоров. ДНК-полимераза I, ещё одна участвующая в репликации полимераза, удаляет РНК-праймеры и заменяет их на ДНК. Разрывы, которые остаются после удаления праймеров, восстанавливаются ферментом ДНК-лигазой.

Итоги: репликации ДНК у бактерии E. coli

Давайте уменьшим масштаб и посмотрим, как ферменты и белки, участвующие в репликации, работают вместе, чтобы синтезировать новую ДНК.
  • Хеликаза раскрывает ДНК в репликационной вилке.
  • Белки, связывающие одноцепочечную ДНК (их также называют SSB-белки), удерживают разделённые цепи ДНК вблизи репликационной вилки, предотвращая их обратное соединение.
  • Топоизомераза работает перед вилкой репликации и предотвращает чрезмерное скручивание.
  • Праймаза синтезирует РНК праймеры комплементарные цепи ДНК.
  • ДНК полимераза III удлинняет праймеры, добавляя нуклеотиды к 3'-концу и создавая основную часть новой ДНК.
  • РНК праймеры удаляются и заменяются на ДНК с помощью ДНК полимеразы I.
  • Разрывы между фрагментами ДНК восстанавливаются ДНК лигазой.

Репликация ДНК у эукариот

Основные принципы репликации ДНК схожи как у бактерий, так и у эукариотов (в частности, у людей), но есть и некоторые различия:
  • Эукариоты обычно имеют несколько линейных хромосом, каждая с несколькими точками начала репликации. У человека может быть до 100000 точек начала репликации5!
  • У большей части ферментов E. coli есть аналоги в эукариотической системе репликации ДНК, но то, что в кишечной палочке выполняется одним ферментом, у эукариотов может выполняться несколькими ферментами. Например, у человека существует пять различных ДНК-полимераз , каждая из которых игрет важную роль в репликации5.
  • Большинство хромосом эукариотов — линейны. Из-за особенностей создания отстающих цепей при каждой репликации часть фрагментов ДНК на конце линейных хромосом теряется. Их называют теломерами).

Дополнительные материалы, помимо материалов Академии Хана

Хотите узнать больше о репликации ДНК? Посмотрите этот интерактивный контент от LabXchange.
LabXchange - это бесплатная научно-образовательная онлайн-платформа, созданная на факультете искусств и наук Гарварда при поддержке Фонда Амгена.

Хотите присоединиться к обсуждению?

Пока нет ни одной записи.
Знаете английский? Нажмите здесь, чтобы увидеть обсуждение, которое происходит на английской версии сайта.