Реплікація ДНК: відмінності між версіями

Процес відбувається за рахунок ферментативного матричного синтезу [[ДНК]] або [[РНК]]. Згідно з моделлю будови дволанцюгової молекули ДНК [[Джеймс Ватсон|Вотсона]] та [[Френсіс Крік|Кріка]] ця молекула є [[полімер|полімером]]ом, [[мономер|мономерами]]ами якого є [[цукор]] [[дезоксирибоза]], залишок [[фосфорна кислота|фосфорної кислоти]], який з'єднує мономери між собою, та азотисті основи, які кодують генетичну інформацію. Причому [[гуанін]] одного ланцюга завжди знаходиться напроти [[цитозин|цитозину]]у іншого, (вони з'єднані потрійними водневими зв'язками), а [[аденін]] — навпроти [[тимін|тиміну]]у (з'єднані подвійними водневими зв'язками). Цей порядок зв'язків ніколи не порушується та називається комплементарністю азотистих основ. За рахунок водневих зв'язків дві нитки ДНК зв'язані між собою та закручені у спіраль. В процесі реплікації ланцюги розплітаються, таі кожен з них стає матрицею для синтезу нового ланцюга, який будується враховуючи [[Комплементарність (молекулярна біологія, біохімія)|комплементарність]] азотистих основ.

Така будова ДНК характерна для всіх клітинних організмів ([[прокаріоти|прокаріот]] та [[еукаріоти|еукаріот]]). ДНК вірусів може бути одноланцюговою. Крім того деякі віруси мають як носія генетичної інформації молекулу [[РНК]] (яка теж може бути одно- або дволанцюговою) в якості носія генетичної інформації<ref>http://www.medicreferat.com.ru/pageid-169-9.html Нуклеїнові кислоти вірусів</ref>.

Після того, як було встановлено, що ДНК утворюється шляхом побудови на існуючій молекулі нових ланцюгів, виникло питання, яким чином відбувається подвоєння вихідної молекули. Були висунуті три гіпотетичних механізми реплікації.

* Консервативний механізм — при такому способі розкручування спіралі не відбувається, існуюча подвійна спіраль є матрицею для синтезу двох нових ланцюгів. Нова спіраль будується повністю з нового матеріалу, існуюча спіраль залишається незмінною.

* Напівконсервативний механізм — існуюча спіраль розкручується, на кожному полінуклеотидному ланцюзі комплементарно будується новий. Таким чином, нова подвійна спіраль є «гібридом» старого та нового ланцюгів

* Дисперсивний механізм — існуюча спіраль розривається на кожному півоберті шляхом багаторазової фрагментації. Синтез нових ланцюгів проходить на фрагментах, які потім хрест-нахрестнавхрест зливаються з відрізками нового матеріалу. Кожний полінуклеотид нийполінуклеотидний ланцюг складається з відрізків старого та нового матеріалу, які чергуються.

З метою з'ясувати, який механізм є дійсним, Меселсон та Сталь провели експерименти з міченою ДНК, яка містила у своєму складі важкий [[ізотоп]] [[азот]]у. В результаті дослідження вдалося виявити, що ДНК синтезується за напівконсервативним механізмом.

[[Файл:DNA_replication_numbered.svg|thumb|300px|Схематичне зображенняСхема процесу реплікації,. цифрамиЦифрами позначені: (1) ланцюг, що відстає, (2) ланцюг-лідер, (3) [[ДНК-полімераза]] (Polα), (4) ДНК -[[лігаза]], (5) РНК-праймер, (6) ДНК-[[праймаза]], (7) [[фрагмент Окадзакі]], (8) ДНК-полімераза (Polδ), (9) [[хеліказа]], (10) одиночний ланцюг зі зв'язаними білками, (11) [[топоізомераза]]]]

Реплікація — складний багатоетапний процес, в якому беруть участь багато [[ферменти|ферментів]], він потребує багато часу та великих енергетичних витрат клітини. Процес починається з того, що фермент [[топоізомераза]] випрямляє закручену у спіраль молекулу ДНК та до неї приєднуються [[білок|білки]], які не дають молекулі знов згорнутись. Фермент [[хеліказа|геліказа]] розриває водневі зв'язки між азотистими основами, внаслідок чого ділянка подвійної молекули ДНК розпадається на два ланцюги,: утворюється так звана "виделка«реплікативна реплікації"вилка». До ланцюга приєднується ДНК-[[праймаза]] — фермент, який розпочинає синтез ДНК — власне реплікацію. Вона синтезує [[праймер]] — послідовність [[нуклеотид|нуклеотидів]]ів, від якої наступний фермент — ДНК-[[полімераза]] — будує новий ланцюг, використовуючи наявний як матрицю. Праймером слугує фрагмент РНК,; він потрібний, тому що ніяка ДНК-[[полімераза]] не може почати синтез нового ланцюжка «з нуля», а може тільки додати нуклеотиди до існуючого ланцюжка. Коли праймер виконав свою функцію, він видаляється [[екзонуклеаза|екзонуклеазою]], а інша полімераза (у прокаріот цю функцію виконує [[ДНК-полімераза I]]) "«забудовує"» пусте місце, яке виникло. Також ДНК-[[полімераза]] здатна виправляти можливі помилки реплікації та перевіряти комплементарність. Синтез нових ланцюгів відбувається асиметрично, тобто один з них синтезується безперервно, по ходу роз'єднання молекули ДНК хеліказоюгеліказою, інший ланцюг будується в протилежному напрямку — проти напрямку дії хеліказигелікази, тому відбувається короткими фрагментами, довжиною 1000 — 20001000—2000 нуклеотидів, які називаються фрагментифрагментами [[Окадзакі Рейдзі|Окадзакі]], на честь японського вченого, що їх відкрив. Фрагменти Окадзакі з'єднує між собою фермент ДНК-[[лігаза]]. Таким чином з однієї молекули ДНК утворюються дві ідентичні, які після закінчення процесу реплікації спіралізуються.

У [[еукаріоти|еукаріотеукаріотів]] реплікація відбувається перед поділом клітини, у [[прокаріоти|прокаріотпрокаріотів]] — протягом всього життєвого циклу.

Реплікація вірусів, що містять дволанцюгову ДНК, проходить поза класичномукласичним напівконсервативномунапівконсервативним механізмумеханізмом. Геном вірусів, які мають одноланцюгову ДНК, відтворюється проходячи дволанцюгову стадію. У клітині хазяїна на молекулі вірусної ДНК синтезується комплементарний йому ланцюг, і таким чином утворюється дволанцюгова молекула ДНК. Далі реплікація також йде поза класичномукласичним механізмумеханізмом. ВУ процесі беруть участь ферменти вірусів та ферменти клітини-хазяїна.

Реплікація РНК-вмісних вірусів може проходити двома шляхами. Перший проходить за участю РНК-залежної РНК-полімерази (РНК-синтази). Розрізняють (+)-РНК -ланцюги, які кодують білки вірусу і його геном, та (-)-РНК -ланцюги, які кодують тільки геном. Певний вид вірусу може містити у собі або тільки (+)-ланцюг або тільки (-)-ланцюг. Є також види вірусів, що містять дволанцюгову РНК.

(+)-РНК -ланцюг вірусів може безпосередньо транслюватись у білки в якостіяк мРНК. Тому коли у клітину потрапляє (+)-РНК -вірус ({{s|[[гепатит А|гепатиту А]]}}, [[поліомієліт]]у), його РНК взаємодіє з рибосомами клітини-хазяїна та транслюється у білки, один з яких є РНК-синтазою. Після цього починається реплікація вірусної нуклеїнової кислоти. На першому етапі на (+)-ланцюзі утворюється комплементарний (-)-ланцюг. На другому етапі (-)-ланцюг слугує матрицею для синтезу (+)-ланцюгів, які включаються до вірусних частинок.

[[Рабдовіруси]] та [[параміксовіруси]] мають у своєму складі (-)-ланцюг, який не може напряму транслюватися у вірусний білок. Ця (-)-РНК використовується для синтезу (+)-ланцюгу,ланцюга; у процесі приймаєбере участь РНК-синтаза, яка міститься у вірусній частинці. Синтезована (+)-РНК використовується як матриця для рибосомального синтезу вірусних білків та як матриця для синтезу (-)-ланцюгів для включення їх у вірусні частинки.

[[Реовіруси]] мають (+-±)-РНК (дволанцюгову). Реплікація нуклеїнової кислоти проходить аналогічно з реплікацією дволанцюгової ДНК, але основним ферментом замість ДНК-полімерази виступає РНК-синтаза.

Другий шлях реплікації РНК характерний для [[реовіруси|реовірусів]] та деяких онкогенних вірусів. Він відбувається за допомогою специфічного ферменту РНК-залежної ДНК-полімерази (ревертази). Фермент каталізує послідовно 3три процесапроцеси:

* синтез (-)-ланцюгуланцюга ДНК на матриці вірусної (+)-РНК;

* руйнування вірусної РНК у складі комплексу ДНК-РНК;

* синтез (+)-ланцюгуланцюга ДНК з утворенням дволанцюгової ДНК.

# Шлегель Г. Общая микробиология. Перевод с нем. Л.  В.  Алексеевой. М.: Мир, 1987. С. 567.