Молекулярные механизмы репликации

Каков механизм репликации ДНК?

Репликация - это процесс удвоения ДНК. Принципиальный механизм репликации вытекает из строения молекулы ДНК. Для того, чтобы объяснить, каким образом может самокопироваться (редуплицироваться), такая стабильная структура, как двойная спираль ДНК, Уотсон и Крик предположили, что ее цепи способны к раскручиванию и последующему частичному разделению вследствие разрыва водородных связей в каждой комплементарной паре оснований. Образовавшиеся одноцепочечные участки родительской молекулы могут служить матрицей, к которой по принципу комплементарности присоединяются соответствующие нуклеотиды. Эти нуклеотиды соединяются между собой фосфодиэфирными связями с образованием новой цепи, комплементарной родительской, т.к. этот процесс происходит на каждой разделившейся цепи исходной молекулы, то в результате образуются две двухцепочечные структуры, идентичные родительской ДНК (рисунок 1). Этот способ репликации получил название полуконсервативного, поскольку в каждой из вновь образовавшихся молекул одна цепь является старой (родительской), а другая -вновь синтезированной (дочерней). Данный механизм обеспечивает возможность такого распределения ДНК между делящимися клетками, при котором каждая дочерняя клетка получает гибридную двухцепочечную молекулу ДНК, состоящую из родительской и вновь синтезированной цепей.

Репликация - важнейшая функция генетического материала, которая необходима для поддержания генетической непрерывности клеток и должна быть очень точной. Принципиально также, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Все это обеспечивается многочисленными ферментами и белками. Не смотря на всестороннее изучение процесса репликации, детальные механизмы синтеза ДНК продолжают активно изучаться и по сей день.

Всегда ли ДНК в клетке синтезируется полуконсервативным способом?

Каждая реплицированная молекула ДНК состоит из одной «старой» и одной «новой» цепей, вот почему репликацию называют полуконсервативной, и если интерпретировать вопрос дословно, то да, репликация происходит всегда полуконсервативным способом. Два других теоретически возможных способа показаны на рисунке 7.

ПОЛУК0НСЕРВАТИВНАЯ

РЕПЛИКАЦИЯ

КОНСЕРВАТИВНАЯ РЕПЛИКАЦИЯ

ДНК исходной

к лежи

Дочерняя ДНК первого поколения

Дочерняя ЦНК второго поколения

Родительские цепи отделяются друг от друга И каждая служит матрицей для построения комплементарной цегы

ДИСПЕРСИВНАЯ РЕПЛИКАЦИЯ

РодиleTнекие цепи распадался ют короткие фрагменты, которые служат матрицами дгя обрасю&ания новых целей В дочерних спиралях количество родительских нуклеотидов варьирует

Родительские цетж остаются интактными и служат матри . цсй для построения новой двойной спирали

Рисунок 7 - Результаты циклов репликации по трем теоретически возможным способам

В 1958 году Метью Мезельсон и Франклин Сталь опубликовали работу, убедительно доказывающую, полуконсервативный способ репликации ДНК в клетках. Они разработали метод равновесного центрифугирования в градиенте плотности

CsCL При этом ДНК разделяется не по молекулярным массам, а по удельной плотности. Бактерии Е. coli выращивали на протяжении 14 поколений на питательной среде, содержащей в качестве источника азота радиоактивный азот (15N), для того, чтобы вся ДНК включила 15N и стала «тяжелой» (тж. «тяжелый» изотоп азота имеет на один нейтрон больше). Затем клетки синхронизировали и пересаживали их в среду с «легким» изотопом азота (14N) для того, чтобы вновь синтезированные цепи ДНК стали "легкими". Начиная с первой генерации, из клеток, выращиваемых на среде с легким (14N), выделяли ДНК и центрифугировали в градиенте плотности CsCl (рисунок 8).

Эксперимент Мезельсона-Сталя

Рисунок 8 - Эксперимент Мезельсона-Сталя

Меченая радиоактивным азотом 15N ДНК имеет плотность 1,724 г/см3 (показано темным цветом на рисунке 8), а ДНК клеток, выращенных на среде с 14N - 1,710 г/см3 (показано светлым). Выделенная через одно поколение ДНК имела промежуточную плотность, т.е. одна цепь содержала «тяжелый» изотоп, а вторая - «легкий». Это в точности соответствует полуконсервативной репликации ДНК. После двух делений клеток плотность образца разделялась на две полосы: в одной - ДНК промежуточной плотности, а в другой - более «легкая». После третьего деления пропорция более «легкой» ДНК увеличилась. Если бы репликация была дисперсивной, то до первой генерации вся ДНК оказалась бы промежуточной по плотности, и с каждым последующим делением клеток эта полоса приближалась бы полосе, содержащей ДНК, меченую 14N.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >