Реакции матричного синтеза. Принципы и этапы репликации днк. Последствия нарушения нормального хода репликации днк.
При реакциях матричного синтеза образуются полимеры, строение которых полностью определяется строением матрицы. В основе реакций матричного синтеза лежит комплементарное взаимодействие между нуклеотидами. Основное функциональное значение репликации – обеспечение потомка стабильной генетическойинформациейразвития, функционирования и поведения. Полуконсервативнойпуть репликации ДНК. Установлено (М. Мезельсон, Ф. Сталь), что в процессе репликации две нити ДНК разделяются, каждая из них является шаблоном (матрицей) для синтеза вдоль нее новойнити. Последовательность оснований, которые должны быть в новых нитях, можно легко предсказать, так как они комплементарны основам, присутствующие в старых нитях. Таким образом, образуются две дочерние
молекулы, идентичные материнской. Каждая дочерняя молекула состоит из однойстарой(материнской) нити и однойновойнити. Поскольку только одна материнская нить сохранена в каждойдочернеймолекуле, такойтип репликации называется полуконисервативным. Каждая из двух цепейматеринской молекулы ДНК используется как матрица для синтеза новых комплементарных цепей. 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 определёнными механизмами регуляции репликации ДНК. Репликация проходит в три этапа:
инициация репликации;
элонгация;
терминация.
Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены: (1) запаздывающая нить, (2) лидирующая нить, (3) ДНК-полимераза (Polα), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер,
(6) праймаза, (7) фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза (Polδ), (9) хеликаза, (10) одиночная нить со связанными белками, (11) топоизомераза
Ферменты (хеликаза, топоизомераза) и ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностью ДНК-полимеразы, способной распознать и исправить ошибку. Репликация у эукариот осуществляется несколькими разными ДНКполимеразами. ДНК-полимераза I действует на запаздывающей цепи для удаления РНК-праймеров и дорепликации очищенных мест ДНК. ДНК полимераза III — основной фермент репликации ДНК, осуществляющий синтез ведущей цепи ДНК и фрагментов Оказаки при синтезе запаздывающей цепи. Далее происходит закручивание синтезированных молекул по принципу суперспирализации и дальнейшей компактизации ДНК. Синтез энергозатратный. Цепи молекулы ДНК расходятся, образуют репликационную вилку, и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь,
называют полуконсервативным. Также стоит сказать, что наряду с принципом комплиментарности, при удвоении ДНК соблюдается и еще один – принцип антипараллельности, это связано с разнонаправленностью цепей ДНК (матричная цепь ДНК 3’ – 5’, а синтезируемая ДНК 5’ – 3’).
Если в клетке, несмотря на осуществляемую репарацию, количество
повреждений структуры ДНК остается высоким, в ней блокируются процессы репликации ДНК. Такая клетка не делится, а значит, не передает возникших изменений потомству.
На геном любой неделящейся клетки постоянно оказывает влияние окружающая среда, при этом вполне вероятны повреждения в составе генома: изменение нуклеотида (например, дезаминирование), сшивки азотистых оснований друг с другом, разрывы цепей, отрыв пуриновых нуклеотидов и т.п. Такие изменения быстро определяются специальными ферментами, пораженный участок удаляется экзонуклеазами, заполняется ДНК-полимеразой β и сшивается ДНК-лигазой. В делящейся клетке мутации могут также возникать во время синтеза ДНК. Поэтому в клетках существует двойная система проверки точности репликации: одна непосредственно при ДНК-полимеразной реакции, другая – анализ уже синтезированной ДНК.
Вызываемая повреждениями ДНК остановка клеточного цикла в сочетании с невозможностью молекулярной репарации измененного наследственного материала может с участием белка, синтез которого контролируется геном р53, приводить к активации процесса самоликвидации (апоптоз) дефектной клетки с целью устранения ее из организма. Несмотря на высокую точность процессов репликации и эффективно работающую систему коррекции во вновь синтезированных нитях ДНК всегда имеются нарушения. Эти дефекты именуют чаще всего как «генные мутации». Подсчёты показали, что они происходят с частотой1 ошибка на 1010 пар нуклеотидов. Редупликация, происходящая с
ошибками носит название конвариантная редупликация.