Репликация ДНК — процесс создания двух дочерних молекул ДНК на основе родительской молекулы. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Узнайте подробности о репликации ДНК и ее истории изучения. Читайте на NOCFN.
Cодержание
Репликация ДНК (от лат. replicatio — возобновление) — процесс создания двух дочерних молекул ДНК на основе родительской молекулы ДНК. Репликация ДНК осуществляется сложным комплексом, состоящим из 15—20 различных белков-ферментов, называемым реплисомой. С помощью специальных ферментов двойная спираль материнской ДНК расплетается на две нити, на каждой образовавшейся нити достраивается вторая нить, образуя две идентичных дочерних молекулы ДНК, которые затем скручиваются в отдельные спирали. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение.
История изучения
Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм репликации называется полуконсервативным. В настоящее время этот механизм считается доказанным благодаря опытам Мэтью Мезельсона и Франклина Сталя (1958 г.). Ранее существовали и две другие модели: «консервативная» — в результате репликации образуется одна молекула ДНК, состоящая только из родительских цепей, и одна, состоящая только из дочерних цепей; «дисперсионная» — все получившиеся в результате репликации молекулы ДНК состоят из цепей, одни участки которых вновь синтезированы, а другие взяты из родительской молекулы ДНК. Молекула ДНК разрезается пополам и образуются два шаблона. Два шаблона выходят из репликационной вилки. Если представить их в выпрямленном виде, то можно видеть линейку из гребенок, которые соединены концами, но имеют промежуток. Представим, что одна гребенка синяя, а другая — красная. Теперь подставим нижнюю красную (она из пяти гребней, как и верхняя) пятым концом к третьему верхнему (третьей верхней иголке). Удлиним цепь и сверху, и снизу. Как бы получится: пять, три, пять и т. д.- наверху и снизу тоже. Потом к этим гребенкам добавляются после выхода шаблонов (гребенок) из репликационной вилки ещё два шаблона. Из одной молекулы ДНК получается две идентичные материнской (если нет мутаций) молекулы, это называется полуконсервативностью.
Общие представления
Репликация ДНК — ключевое событие в ходе деления клетки. Принципиально, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определенными механизмами Клеточный цикл. Все новые клетки образуются путем деления уже существующих. Этот принцип, как уже отмечалось, сформулировал Р. Вирхов еще в середине XIX в. Деление клеток обеспечивает непрерывность существования жизни на нашей планете. Именно благодаря ему осуществляются различные способы бесполого и полового размножения организмов. В основе процессов роста, регенерации и индивидуального развития многоклеточных организмов также лежит деление клеток.
См. также
Период существования клетки
Период существования клетки от момента ее образования из материнской клетки до собственного деления (включая это деление) или гибели называется клеточным циклом.
Продолжительность клеточного цикла у разных организмов и различных клеток в составе одного организма варьирует. Так, у бактерий в благоприятных условиях он длится примерно 20 мин. Короткие клеточные циклы (30—60 мин) характерны для бластомеров рыб и земноводных на этапе дробления, в то время как у млекопитающих промежуток времени между делениями бластомеров может достигать 10 ч и более. У взрослых мышей клетки кишечного эпителия делятся каждые 11—22 ч, а роговицы глаза — приблизительно один раз в трое суток. Для регулярно делящихся клеток многоклеточных организмов длительность клеточного цикла обычно составляет 12—36 ч.
Клеточный цикл
Клеточный цикл состоит из интерфазы и деления клетки. Интерфаза — это часть клеточного цикла между двумя последовательными делениями. Как правило, она занимает больше времени, чем само деление. Рассмотрим основные периоды интерфазы на примере эукариотической клетки.
Пресинтетический, или G1-период (от англ. gap — промежуток), начинается с момента образования новой клетки в результате деления материнской. Обычно это самый длительный период интерфазы и клеточного цикла в целом. В течение G1-периода молодая клетка интенсивно растет, в ней увеличивается количество органоидов и синтезируются различные соединения, необходимые для протекания процессов жизнедеятельности. В том числе образуются вещества, которые будут нужны для последующего удвоения молекул ДНК.
Вы уже знаете, что набор хромосом обозначают как n: например, 1n — гаплоидный набор, 2n — диплоидный. Набор молекул ДНК в клетках принято записывать с помощью буквы с. Из § 14 вам известно, что каждая хроматида содержит одну молекулу ДНК, т. е. количество молекул ДНК и хроматид в составе хромосом всегда совпадает. Таким образом, записи типа 1с, 2с, 4с отражают содержание в клетках не только молекул ДНК, но и соответствующих хроматид.
Репликация ДНК в бактериальных клетках
Репликация ДНК в бактериальных клетках — это процесс, посредством которого прокариотическая клетка дублирует свою ДНК, передавая одну из копий своим дочерним клеткам. Хотя зачастую этот процесс изучается в модельном организме E.coli, другие бактерии имеют схожие механизмы. Репликация является двунаправленной и начинается с точки Origin репликации (OriC) и продолжается до тех пор, пока весь репликон не будет дуплицирован.
Процесс репликации состоит из трех этапов: инициация, элонгация и терминация.
Инициация
Бактериальная клетка должна завершить репликацию ДНК, прежде чем она сможет начать процесс клеточного деления. Условия среды, в которых поддерживается быстрый рост бактерий, также соответствует более быстрому завершению стадии инициации, то есть время удвоения в быстро растущих клеточных культурах меньше по сравнению с медленно растущими. Другими словами, возможно, что в благоприятных условиях для быстрого роста клетки начинают реплицировать свою ДНК для следующего поколения после своих дочерних клеток. Чтобы этого не происходило, инициация репликации ДНК строго регулируется.
ДНК прокариот включает в себя две точки origin. Первая называется сайтом узнавания репликации (Replication recognition sequence), который состоит из 4 одинаковых повторов (каждый по 9 пар нуклеотидов). Именно этот участок является ответственным за начало раскручивания цепочки ДНК и запуск всего последующего механизма репликации. На него прикрепляются DnaA белки, которые начинают создавать отрицательное напряжение, и в этом месте ДНК происходит отрицательная сверхспирализация ДНК. Отрицательная сверхспирализация способствует облегчению локального плавления двойной спирали, что обеспечивает нормальную инициацию репликации.
У DnaA есть четыре домена, у каждого из которых имеется своя собственная функция. Существует 11 сайтов связывания DnaA на месте репликации E. coli, из которых три бокса R1, R2 и R4 (которые имеют высококонсервативную консенсусную последовательность 9 'bp 5' — TTATC / ACACA) сиквенса с высоким сродством к DnaA. На этих 3 боксах DnaA белки образуют комплексы с АТФ (DnaA-ADP и DnaA-ATP) с одинаковым сродством и находятся в таком состоянии на протяжении большей части клеточного цикла, образуя каркас, на котором собирается остальная часть репликативного белкового комплекса. Остальные восемь боксов DnaA являются сайтами с низким сродством, которые преимущественно связываются с DnaA-ATP только непосредственно перед инициацией репликации.
