Репликация нуклеиновых кислот

Модель структуры ДНК, предложенная в 1953 году Дж. Уотсоном и Ф. Криком, давала объяснение кодирования генетической информации, мутационной изменчивости и воспроизведения генов, которые согласно этой гипотезе представляют собой участки молекулы ДНК. Схема репликации показана на рис. 6.12.

В 1957 году М. Мезельсон и Ф. Сталь подтвердили представление Дж. Уотсона и     Ф. Крика о полуконсервативном механизме воспроизведения (репликации) ДНК в клетках бактерий. Еще до этого Г. Стент предложил рассматривать три способа репликации ДНК (рис. 6.13):

1.Консервативный, при котором новые молекулы не содержат материала родительской ДНК;

2.Полуконсервативный, при котором новая молекула представлена одной родительской и одной вновь синтезированной цепями;

3.Дисперсный, когда материал исходной молекулы случайно распределяется в обеих дочерних молекулах.

Рис. 6.12. Схема репликации молекулы ДНК (К. Вили, 1968).

Рис. 6.13. Три возможных варианта воспроизведения ДНК:

А – консервативный; Б – полуконсервативный; В – дисперсный (А. Ленинджер, 1976 – цит. по С. Г. Инге-Вечтомову, 1989).

Эксперимент М. Мезельсона и Ф. Сталя позволил сделать выбор между этими тремя вариантами и доказать, что репликация нуклеиновых кислот идет по полуконсервативному пути.

Было установлено также, что синтез новых нитей ДНК протекает всегда в направлении от 5’ атома углерода сахара к 3’ атому. Учитывая, что две составляющие молекулу ДНК нити антипараллельны, синтез новых нитей на освободившихся одиночных нитях материнской молекулы идет в противоположные стороны.

Однако эта логически стройная модель репликации ДНК требовала уточнений, так как не все детали этого процесса были ясными. Во-первых, эта схема плохо совмещалась с данными, показывающими, что ДНК реплицируется очень быстро. Так, наблюдениями было установлено, что, например, ДНК фага Т4 синтезируется со скоростью около 900 нуклеотидов с секунду. Ещё быстрее реплицируется ДНК у кишечной палочки. При благоприятных условиях эта бактерия делится каждые 20 минут. За это время вся молекула ДНК, образующая хромосому бактерии, должна расплестись и на двух её нитях, служащих матрицами, должны синтезироваться новые нити. Эта молекула ДНК, содержащая почти четыре миллиона пар нуклеотидов, закручена в двойную спираль, каждый виток которой образован десятью нуклеотидами. Следовательно, чтобы расплестись молекула должна вращаться со скоростью около 20 тысяч оборотов в минуту. При этом растущие дочерние нити ДНК должны удлиняться более чем на две тысячи нуклеотидов в секунду. Очень трудно представить такое быстрое вращение огромной молекулы ДНК в вязкой цитоплазме, как и успешную работу ферментов, синтезирующих с большой скоростью новые нити. Ещё труднее это представить для эукариотов, у которых длина нитей ДНК может достигать нескольких сантиметров. Были и другие проблемы, подвергающие сомнениям жизненность принятой модели репликации.

Что же касается хода синтеза новых нитей ДНК в вилке репликации, то получены данные, позволяющие обойти указанную проблему. В частности, рядом исследований было показано, что синтез новых нитей при репликации ДНК идет прерывисто в виде маленьких отрезков, которые затем соединяются в сплошную цепь. Эти отрезки длиной 50-150 нуклеотидов называются фрагментами Оказаки по имени их открывателя. Пока остается не ясным вопрос, происходят ли процессы разрыва и сшивания фрагментов на обеих нитях одновременно, или имеется одна ведущая, или лидирующая, нить, на которой этот процесс проходит непрерывно, и запаздывающая, на которой построение новой нити происходит с помощью фрагментов Оказаки (С. М. Гершензон, 1979).

Наконец, следует отметить, что в процессе синтеза новой нити участвуют ферменты, называемые ДНК-полимеразами. Они производят репарацию (залечивание мелких повреждений, которые бывают при репликации), инициацию (начало синтеза каждого нового фрагмента), элонгацию (наращивание синтезируемой новой нити) и терминацию (окончание синтеза каждого нового фрагмента).