1. Ініціація (від лат. Initialis _ первинний, по-

чатковий). Активація дезоксирибонуклеотидів. Моно-

фосфати дезоксирибонуклеотидів (АМФ, ГМФ, ЦМФ,

ТМФ) знаходяться у стані "вільного плавання" в ядрі

і є "сировиною" для синтезу ДНК. Для включення

в ДНК вони активуються в результаті взаємодії з

АТФ. Ця реакція називається фосфорилуванням і

каталізується ферментом фосфорилазою. При цьо-

му утворюються трифосфати дезоксирибонуклео-

тидів, такі як АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ. У такому ви-

гляді вони енергезовані та здатні до полімеризації.

Розпізнавання точки ініціації. Розкручування

ДНК починається з певної точки. Така особлива точ-

ка називається точкою ініціації реплікації (спеціаль-

на послідовність нуклеотидів). Для визначення точки

ініціації необхідні специфічні білкиCініціатори. У вірусів

і прокаріотів є тільки одна точка ініціації. В еукаріотів,

що мають великі молекули ДНК, може бути багато

точок ініціації реплікації, що, зрештою, зливаються одна

з одною при повному роз'єднанні ланцюгів ДНК.

Реплікація обох ланцюгів ДНК відбувається од-

ночасно і безупинно.

Розкручування молекули ДНК. Подвійна спіраль

ДНК розкручується і розгортається на окремі нитки

ДНК шляхом розриву слабких водневих зв'язків між

комплементарними нуклеотидами. Цей процес забез-

печують ферменти C гелікази. Оголені основи А, Т,

Г і Ц обох ланцюгів проектуються в каріоплазму.

Ферменти, що названі топоізомеразами, розрива-

ють і заново зшивають окремі нитки ДНК, допомага-

ють розкручуванню спіралі. Завдяки роз'єднанню лан-

цюгів ДНК виникають реплікаційні вилки. Нові нитки

ДНК утворюються на кожному із звільнених ланцюгів,

їх ріст відбувається в протилежних напрямках.

2. Елонгація. Вільні трифосфати дезоксирибо-

нуклеотидів своїми азотистими основами приєдну-

ються водневими зв'язками до азотистих основ обох

ланцюгів ДНК, відповідно до правила комплеменC

тарності, тобто АCТ, ЦCГ (рис. 1.54).

Елонгація C це додавання дезоксирибонуклеотиC

ду до З'Cкінця ланцюга, що росте. Процес каталі-

зується ДНКCполімеразою.

Трифосфати дезоксирибонуклеотидів (тринуклеоC

тиди), приєднуючись до кожного ланцюга ДНК,

розривають свої внутрішні високоенергетичні зв'яз-

ки й утворюють монофосфати дезоксирибонуклео-

тидів (мононуклеотиди), що є звичайними компонентами ДНК.

При цьому в нуклеоплазму надхо-

дять пірофосфатні молекули, що звільнилися (Р~Р).

Утворення нових ланцюгів ДНК. У подальшо-

му приєднані сусідні нуклеотиди зв'язуються між

собою фосфорними залишками та утворюють новий

ланцюг ДНК. Процес каталізується ферментом

ДНКCполімеразою. При цьому необхідна присутність

іонів металів Мп2+ або Mg2+. ДНКCполімераза може

полімеризувати дезоксирибонуклеотиди в напрямку

5C3', тобто від вуглецевого 5'Cкінця до вуглецевого

З'Cкінця молекул ДНК. Оскільки дві нитки ДНК є

антипаралельними, нові нитки повинні утворюватися

на старих (материнських) нитках у протилежних на-

прямках. Одна нова нитка утворюється в напрямку

5'C3'. Ця нитка називається провідною. На другій

материнській нитці утворюються короткі сегменти

ДНК у напрямку 3'C5'. Згодом вони з'єднуються

разом, утворюючи довгу відстаючу нитку (рис. 1.55).

Утворення праймерів. На відстаючій нитці спо-

чатку утворюється короткий ланцюг РНК за шаб-

лоном ДНК. Вона називається РНК_праймером і

містить послідовність із 10C60 нуклеотидів. Фер-

мент праймаза каталізує полімеризацію блоків РНК

(А, У, Г, Ц) у праймері. РНКCпраймер утворюється

тому, що ДНКCполімераза не може ініціювати син

тез нової нитки ДНК у відстаючому ланцюгу в на-

прямку 3'C5', вона тільки може каталізувати її ріст.

Праймери пізніше віддаляються, а порожнини, які

утворилися, заповнюються дезоксирибонуклеотидаC

ми ДНК у напрямку 5'C3', що завершує побудову

другого ланцюга. На місці праймерів утворюються

фрагменти нового ланцюга ДНК, які називаються

фрагментами Окадзакі і складаються із 100C

200 нуклеотидів. Ці фрагменти легуються (зшива-

ються) полінуклеотидлігазами, в результаті чого ут-

ворюється другий повноцінний ланцюг. Цей процес

називається дозріванням.

Редагування. Чітка комплементарність пар ос-

нов забезпечує точну реплікацію ДНК. Однак іноді

виникають помилки в приєднанні основ. Вони вида-

ляються ДНКCполімеразою, яка для цього знову

зв'язується з молекулами ДНК (репарація).

3. Термінація (від лат. terminalis — кінцевий).

Після завершення процесу реплікації молекули, що

утворилися, розділяються, і кожна дочірня нитка

ДНК скручується разом з материнською в подвійну

спіраль. Так утворюються дві молекули ДНК, іден-

тичні материнській. Вони формуються окремими

фрагментами по довжині хромосоми. Такий окре-

мий фрагмент ДНК, що подвоюється на одній хро-

мосомі, називається репліконом. Виникає відразу

декілька репліконів, причому асинхронно й у різних

її ділянках. Процес реплікації стосується всієї хромо-

соми та перебігає практично одночасно, з однако-

вою швидкістю. Після завершення реплікації в репліC

конах вони зшиваються ферментами в одну молеку-

лу ДНК. У клітині людини, що ділиться, утворюєть-

ся більше 50000 репліконів одночасно. Довжина кож-

ного з них 30 мкм. Завдяки великій кількості реплі-

конів швидкість реплікації збільшується в тисячі разів.

Тривалість процесу подвоєння генетичного матеріа-

лу складає приблизно 10 год. Ділянки хромосом, де

починається реплікація, називаються точками ініціації.

Вважають, що це, ймовірно, місця прикріплення інтерC

фазних хромосом до білків ламели ядерної оболон-

ки. Процес включається цитоплазматичним факто-

ром невідомої природи, що надходить в ядро..Реплі-

кація перебігає в строго визначеному порядку, тобто

спочатку починають реплікуватись одні ділянки хро-

мосом, а пізніше C інші. У синтетичному періоді інтерC

фази подвоюється також і кількість гістонових білків,

що асоціюються із синтезованими ДНК і утворю-

ють класичну структуру хроматину. Порушення точ-

ності реплікації призводить до порушення синтезу

білків і розвитку патологічних змін клітин і органів.

Значення реплікації: а) процес є важливим моле-

кулярним механізмом, що лежить в основі всіх різно-

видів поділу клітин проC й еукаріотів; б) забезпечує всі

типи розмноження як одноклітинних, так і багатоклі-

тинних організмів; в) підтримує сталість клітинного

складу органів, тканин і організму внаслідок фізіоло-

гічної регенерації; г) забезпечує тривале існування

окремих індивідуумів; д) забезпечує тривале існу-

вання видів організмів; є) процес сприяє точному по-

двоєнню інформації; ж) у процесі реплікації можливі

помилки (мутації), що може призводити до порушень

синтезу білків з розвитком патологічних змін.

Під дією фізичних і хімічних агентів, а також при

нормальному біосинтезі ДНК у ній можуть виника-

ти ушкодження. Виявилося, що клітини мають ме-

ханізми виправлення пошкоджень у нитках ДНК.

Здатність клітин до виправлення пошкоджень у

молекулах ДНК одержала назву репарації (від. лат.

reparatio _ відновлення). За часом здійснення у клітинному

циклі розрізняють дореплікативну, реплікативну і постреп_

лікативну репарацію.

Молекули ДНК кожної клітини містять інформа-

цію для синтезу всіх необхідних їй білків. Молекули

ДНК містяться в ядрі, а синтез білків відбувається

в цитоплазмі. ДНК не може переміщуватися до

місця синтезу білків у цитоплазму. Вона передає

інформацію про структуру білків за участю специ-

фічних молекул іРНК, що утворюються на ДНК і

переносяться з ядра в цитоплазму до місця синте-

зу білків. У синтезі білків беруть участь також інші

РНК (тРНК і рРНК). Утворення молекул РНК на

матриці ДНК називається транскрипцією (від лат.

transcriptio C переписування). Цей процес відбу-

вається, в основному, під час інтерфази. На генах

матриці ДНК утворюються всі три типи РНК C

інформаційна, транспортна і рибосомальна.

Зчитування спадкової інформації з генів регу-

люється спеціальними білками. Зокрема, гістони не

тільки забезпечують структурну організацію хро-

матину, але є репресорами, тому що перешкоджа-

ють зчитуванню генетичної інформації. Початок

зчитування генетичної інформації пов'язаний зі

звільненням певної ділянки ланцюга ДНК (гена) від

гістонів, після чого ген активується і з нього почи-

нається зчитування спадкової інформації. НегістоC

нові білки мають здатність розпізнавати гени, і цим

забезпечується синтез необхідних білків.

Основні етапи транскрипції:

1. Ініціація. За сигналом з цитоплазми певна

ділянка подвійної спіралі ДНК розкручується і роз-

діляється на два ланцюги. Це відбувається за до-

помогою ферменту гелікази, що зв'язується з ДНК

(рис. 1.56). Ферменти РНКCполімерази забезпечу-

ють утворення РНК, що зростають у довжину по

мірі просування ферменту уздовж нитки ДНК.

РНКCполімераза починає синтезувати новий лан-

цюг біля спеціального стартCсигналу ДНК, що на-

зивається промотором, і закінчує його біля стопCсиг-

налу (сигнал термінації), після чого полімераза та

синтезований готовий ланцюг РНК відокремлюють-

ся один від одного

2. Елонгація C процес нарощування полінуклеоC

тидного ланцюга. Відповідні рибонуклеотиди при-

єднуються до матричного ланцюга, згодом об'єдну-

ються один з одним залишком фосфорної кислоти,

створюючи ланцюг РНК. Процес каталізується

РНКCполімеразою і вимагає присутності іонів Mg24

або Мn2+.

Процесинг. Молекулярні механізми, пов'язані з

"дозріванням" різних типів РНК, називаються

Рис. 1.57

Структурно2функціональна організація гена (транскриптон):

1 % промотор; 2 % місце ініціації транскрипції: 3 % кодуюча ділянка гена;

4 & термінатор транскрипції; 5 & регуляторна ділянка.

процесингом. Вони здійснюються в ядрі перед ви-

ходом РНК із ядра в цитоплазму.

Існувала думка, що іРНК комплементарна бу-

дові ДНК, яка є матрицею. З'ясувалося, що комп-

лементарною ДНК є тільки молекулаCпопередниця

інформаційної РНК (проCіРНК). Молекули проCіРНК

набагато більші, ніж зрілі іРНК. Послідовність азо-

тистих основ у молекулі проCіРНК, що утворилася,

точно відтворює порядок чергування основ у ДНК.

Під час "дозрівання" інформаційної РНК у бактерій

відбувається тільки відщеплення кінців молекул, а

в еукаріотів і деяких вірусів цей процес набагато

складніший. Молекула проCіРНК містить у собі ряд

інертних ділянок (інтронів), що не мають генів.

У процесі "дозрівання" ІРНК спеціальні фермен-

ти вирізають інтрони і зшивають активні ділянки,

що залишилися (екзони) (рис. 1.58). Цей процес

називається сплайсингом. Тому послідовність нук-

леотидів у дозрілої іРНК не є цілком комплемен-

тарною нуклеотидам ДНК. В іРНК поруч можуть

стояти такі нуклеотиди, комплементарні яким нукC

леотиди в ДНК знаходяться один від одного на

значній відстані.

Сплайсинг C дуже точний процес. Його пору-

шення змінює рамку зчитування при трансляції, що

призводить до синтезу іншого пептиду. Точність ви-

різання інтронів забезпечується розпізнаванням фер-

ментів певних сигнальних послідовностей нуклео-

тидів у молекулі проCіРНК.

У процесингу бере участь цілий ряд ферментів.

Наприклад, за допомогою ферментівCрестриктаз

вирізаються інтронні ділянки, а екзонні ділянки, що

залишаються, зшиваються за допомогою ферментів

лігаз. Отже, молекули ІРНК або тРНК, що утворю-

ються, мають менші розміри, ніж їх структурні гени.

Процес синтезу білків (трансляція), як репліка-

ція і транскрипція, умовно поділяється на три етапи:

ініціацію, елонгацію і термінацію.