Нуклеиновые кислоты играют большую роль в обеспечении жизнедеятельности клеток живых организмов. Важным представителем этой группы органических соединений является ДНК, которая несет всю генетическую информацию и отвечает за проявление необходимых признаков.
Что такое репликация?
В процессе деления клеткам необходимо увеличить количество нуклеиновых кислот в ядре, чтобы не произошла потеря генетической информации в процессе. В биологии репликация – это удвоение ДНК путем синтеза новых цепей.
Основная цель этого процесса заключается в передаче генетической информации дочерним клеткам в неизменном виде без каких-либо мутаций.
Ферменты и белки репликации
Удвоение молекулы ДНК можно сравнить с любым метаболическим процессом в клетке, для которого необходимы соответствующие белки. Так как в биологии репликация – это важная составляющая клеточного деления, соответственно, немало вспомогательных пептидов здесь участвуют.
- ДНК-полимераза - важнейший фермент редупликации, который отвечает за синтез дочерней цепи дезоксирибонуклеиновой кислоты. В цитоплазме клетки в процессе репликации обязательно присутствие нуклеиновых трифосфатов, которые приносят все нуклеиновые основания.
Эти основания являются мономерами нуклеиновой кислоты, поэтому из них строится вся цепочка молекулы. ДНК-полимераза отвечает за процесс сборки в правильном порядке, иначе неизбежно появление всевозможных мутаций.
- Праймаза - белок, который отвечает за формирование затравки на матричной цепи ДНК. Эта затравка называется также праймер, она имеет строение РНК. Для фермента ДНК-полимераза важно наличие начальных мономеров, с которых возможен дальнейший синтез всей полинуклеотидной цепочки. Эту функцию выполняет праймер и соответствующий ему фермент.
- Хеликаза (геликаза) формирует репликационную вилку, которая представляет собой расхождение матричных цепей путем разрыва водородных связей. Так полимеразам проще подойти к молекуле и начать синтез.
- Топоизомераза. Если представить молекулу ДНК в виде закрученной веревки, при продвижении полимеразы по цепи будет формироваться положительное напряжение из-за сильного скручивания. Эту проблему решает топоизомераза – фермент, который на короткое время разрывает цепочку и разворачивает при этом всю молекулу. После чего поврежденное место сшивается вновь, а ДНК не испытывает напряжения.
- Ssb-белки, как грозди, присоединяются к цепям ДНК в репликационной вилке, чтобы предупредить повторное формирование водородных связей раньше окончания процесса редупликации.
- Лигаза. Функция фермента заключается в сшивании фрагментов Оказаки на отстающей цепи молекулы ДНК. Происходит это путем вырезания праймеров и встраивания на их месте нативных мономеров дезоксирибонуклеиновой кислоты.
В биологии репликация – это сложный многоступенчатый процесс, который предельно важен при делении клеток. Поэтому использование различных белков и ферментов необходимо для эффективного и правильного синтеза.
Механизм редупликации
Существует 3 теории, которые объясняют процесс удвоения ДНК:
- Консервативная утверждает, что одна дочерняя молекула нуклеиновой кислоты имеет матричную природу, а вторая полностью синтезирована с нуля.
- Полуконсервативная предложена Уотсоном и Криком и подтверждена в 1957 году в опытах на E. Coli. Эта теория гласит, что обе дочерние молекулы ДНК имеют одну старую цепочку и одну новосинтезированную.
- Дисперсивный механизм основан на теории о том, что дочерние молекулы имеют по всей длине чередующиеся участки, состоящие как из старых, так и из новых мономеров.
Сейчас научно доказана полуконсервативная модель. Что такое репликация на молекулярном уровне? В начале хеликаза разрывает водородные связи молекулы ДНК, открывая тем самым обе цепи для фермента полимеразы. Последние после формирования затравок начинают синтез новых цепей в направлении 5’-3’.
Свойство антипараллельности ДНК является основной причиной формирования, лидирующей и отстающей цепей. На лидирующей цепи ДНК-полимераза движется беспрерывно, а на отстающей она формирует фрагменты Оказаки, которые в будущем будут соединены с помощью лигазы.
Особенности репликации
Сколько молекул ДНК в ядре после репликации? Сам процесс подразумевает удвоение генетического набора клетки, поэтому в синтетический период митоза диплоидный набор имеет в два раза больше молекул ДНК. Такая запись обычно помечается как 2n 4c.
Кроме биологического смысла репликации ученые нашли применение процесса в различных сферах медицины и науки. Если в биологии репликация – это удвоение ДНК, то в лабораторных условиях размножение молекул нуклеиновой кислоты используется для создания нескольких тысяч копий.
Такой метод получил название полимеразной цепной реакции (ПЦР). Механизм этого процесса схож с репликацией in vivo, поэтому для его протекания применяются аналогичные ферменты и буферные системы.
Выводы
Репликация имеет важное биологическое значение для живых организмов. Передача генетической информации при делении клеток не обходится без удвоения молекул ДНК, поэтому на всех этапах важна слаженная работа ферментов.
