4. Воспроизведение генетической информации

Для того чтобы дочерние клетки по своей структуре и функциям были точной копией родительских клеток-предшественников, они должны получить от родительских клеток полный набор генетической информации в виде геномной ДНК, организованной в хромосомы, и внехромосомных генетических элементов (плазмид, митохондриальной и хлоропластной ДНК и т.п.). В связи с этим перед родительскими клетками встает задача создания точной копии генома и ее правильной передачи дочерним клеткам. Создание такой копии геномной ДНК в родительских клетках становится возможным благодаря наличию в них специальных ферментных систем, осуществляющих удвоение молекул ДНК. В результате реализации последовательности ферментативных реакций на матрице родительских ДНК происходит биосинтез дочерних молекул ДНК, которые являются точной копией исходных молекул. Этот процесс удвоения родительских молекул геномной ДНК во время воспроизводства клеток живого организма получил название репликации, или репликативного синтеза ДНК.

1. Репликация днк

Репликация ДНК происходит в соответствии с правилами Уотсона–Крика и наряду с биосинтезом РНК и белков является еще одним примером матричного синтеза биологических макромолекул. Во время репликации каждая из цепей родительской ДНК служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепи. ДНК-зависимые ДНК-полимеразы осуществляют сополимеризацию низкомолекулярных предшественников ДНК – дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (dATP, dGTP, dСTP и dTTP). Положение каждого последующего нуклеотида в строящейся цепи ДНК по правилам комплементарности однозначно определяется положением соответствующего нуклеотида матрицы.

При полимеризации дезоксирибонуклеозидтрифосфатов происходит освобождение молекул пирофосфата, который затем расщепляется неорганической пирофосфатазой, что делает реакцию полимеризации практически необратимой. Необходимо иметь в виду, что полимеризация нуклеотидов в процессе репликации происходит только в одном направлении: от 5’-конца к 3’-концу строящейся цепи, и синтезированная молекула ДНК антипараллельна по отношению к ДНК-матрице. Репликация ДНК осуществляется по полуконсервативному механизму. Это означает, что одна из цепей дочерних молекул ДНК является частью родительской молекулы ДНК, а другая является вновь синтезированной.

Как и в случае биосинтеза других макромолекул клетки, процесс репликации условно разделяют на три основных этапа: инициацию, элонгацию и терминацию. Чтобы молекулы ДНК-полимераз могли начать синтез ДНК, им необходима затравка (праймер) – короткий олигодезоксирибонуклеотид или олигорибонуклеотид, комплементарный соответствующему участку ДНК-матрицы, у которого на конце имеется свободная 3’-ОН-группа. Неспособность молекул ДНК-полимераз самостоятельно без затравки начинать синтез ДНК принципиально отличает эти ферменты от других ферментов матричного синтеза – РНК-полимераз.

В соответствии с моделью Жакоба и соавторов (1963 г.) репликоном называют молекулу ДНК, способную к автономной репликации. Репликон содержит все необходимые гены и регуляторные последовательности, которые обеспечивают регулируемое удвоение его ДНК. Участок репликона, в котором начинается репликация, получил название репликатора или области начала репликации (replication origin) (у E. coli – oriC). При инициации репликации инициатор, кодируемый репликоном (у E. coli – белок DnaA), взаимодействует с репликатором.