Репликация ДНК и хромосон

Репликация ДНК и хромосон

Все, что известно в настоящее время о репликации ДНК, выяснено в результате многолетнего экспериментального обоснования основных положений модели структуры и репликации ДНК по Д. Уотсону и Ф. Крику.
Формулируя свою модель, Д. Уотсон и Ф. Крик предположили, что репликация ДНК происходит в несколько последовательных этапов, а именно: а) разрыв водородных связей между двумя полинуклеотидными цепями и разделение последних; б) разматывание по-линуклеотидных цепей; в) синтез вдоль каждой из полинуклеотидных цепей новой цепи с комплементарной последовательностью азотистых оснований (рис. 110), Они предположили далее, что разделение и разматывание полинуклеотидных цепей начинается с одного конца молекулы, продолжается по направлению к другому ее концу и сопровождается одновременно идущим с того же конца молекулы синтезом новых полинуклеотидных цепей. Таким образом, в репликации ДНК каждая по-линуклеотидная цепь действует в качестве шаблона для вновь синтезируемой полинуклеотидной цепи, причем шаблон обеспечивает выбор определенных нуклеотидных последовательностей из всех возможных последовательностей. В результате этого каждая новая молекула ДНК состоит из одной старой цепи и одной новой (дочерней), комплементарной старой. Этот способ репликации ДНК получил название полуконсервативной репликации.
Полуконсервативный характер репликации ДНК был доказан М. Месель-соном и Ф. Сталем в 1958 г. в экспериментах, выполненных на Е. coli. Выращивая бактерии в течение первых делений в синтетической среде, содержащей в качестве источника азота 15N («тяжелый» изотоп), а затем с среде с 14С («легким» изотопом), они показали, что ДНК бактерий после одной генерации роста имела «гибридную» плотность (15N/14C), а после двух генерации по плотности наполовину была «гибридной», наполовину «легкой» (14С), т.е. состояла из «тяжелых» и «легких» полинуклеотидных цепей.
У прокариотов репликация ДНК начинается с 0-пункта репликации, со-ставленного примерно 300 нуклеотидами, и продолжается в двух направлениях, образуя репликацион-ную «вилку» (рис.111). Скорость движения «вилки», т. е. скорость полимеризации составляет 500 нук-леотидов в секунду. Удвоение молекулы ДНК происходит за 40 минут. Кроме того, у прокариотов действует механизм «вращающееся кольцо», по которому репликационная вилка двигается вокруг кольца, генерируя цепи, на которых синтезируются компле-ментарные цепи (рис. 112).
Изучение ферментативного синтеза ДНК in vitro, компонентами которого являются ДНК-полимераза, дезоксирибонуклеозид 5′-трифосфаты всех четырех азотистых оснований, ионы магния и ДНК-«затравка»,
показало, что присутствие всех этих компонентов в смеси сопровождает-ся добавлением мононуклеотидов к растущему концу цепи ДНК, причем они добавляются к 3′-гидроксильному концу «затравочной» последовательности, и цепь растет в направлении от 5′- к 3′-концу (рис. 113). Реакция катализируется ДНК-полимеразой III. После добавления в смесь ДНК-«затравки» синтез ДНК не прекращается даже тогда, когда количество вновь синтезированной ДНК достигает количества ДНК-«затравки». Если же один из компонентов в смеси отсутствует, частота полимеризации снижается во много раз. Отсутствие ДНК-«затравки» полностью исключает реакцию.
Установлено, что для репликации ДНК Е. coli in vitro необходимы белки, детерминируемые генами dna A, dna В, dna С, dna G, ДНК-гираза, а также бе-лок, связывающийся с одиночными цепями ДНК и АТФ. Комплекс реплика-тивных ферментов и белков получил название ДНК-репликазной системы (реплисомы).
Изучение ферментативного синтеза ДНК in vitro показало также, что ко-пируются обе цепи, но т. к. цепи ДНК в спирали антипараллельны, то синтез (полимеризация) одной цепи происходит в направлении от 5′ к 3′-концу, тогда как другой — от 3′ к 5′-концу. Синтез цепи в направлении от 5′- к 3′-концу явля-ется непрерывным, тогда как синтез в направлении от 3′- к 5’— прерывен, по-скольку синтезируются короткие сегменты в направлении от 5′ к 3′-концу, ко-торые затем воссоединяются ДНК-лигазой. Короткие сегменты по 1000-2000 нуклеотидов получили название фрагментов Р. Оказаки (рис. 114). Следова-тельно, рост обеих цепей обеспечивается одной и той же полимеразой. Репли-кационная вилка асимметрична. Цепь, синтезируемую непрерывно, называют лидирующей, тогда как цепь, синтезируемую прерывно, называют «запазды-вающей». «Запаздывание» второй цепи связано с тем, что синтез каждого фрагмента Оказаки осуществляется только тогда, когда в результате продвиже-ния лидирующей цеп