Основні етапи реплікації

1. Ініціація (від лат. іпіtialis — первинний, початковий). Це активація дезоксирибонуклеотидів. Монофосфати дезоксири-бонуклеотидів (АМФ, ГМФ, ЦМФ, ТМФ) перебувають у стані "вільного плавання" в ядрі і є "сировиною" для синтезу ДНК. Для включення в ДНК вони активуються в результаті взаємодії з АТФ. Ця реакція називається фосфорилюванням і каталізується ферментом фосфорилазою. При цьому утворюються трифосфати дезоксирибонуклеотидів, такі як АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ. У тако­му вигляді вони багаті на енергію й здатні до полімеризації.

Розпізнавання точки ініціації. ДНК починає розкручуватися з певної точки. Така особлива точка називається точкою ініціації реплікації (спеціальна послідовність нуклеотидів). Щоб визна­чити цю точку, потрібні специфічні білки-ініціатори. У вірусів і прокаріотів є тільки одна точка ініціації, а в еукаріотів, у яких ве­ні кі молекули ДНК, може бути багато точок ініціації реплікації, що зрештою зливаються одна з одною при повному роз'єднанні ланцюгів ДНК. Реплікація обох ланцюгів ДНК відбувається од­ночасно і беззупинно.

Подвійна спіраль ДНК розкручується і розгортається на окре-мі нитки ДНК шляхом розриву слабких водневих зв'язків між комплементарними нуклеотидами. Цей процес забезпечують ферменти — гелікази. Оголені основи А, Т, Г і Ц обох ланцюгів проектуються в каріоплазму.

Ферменти, які називаються топоізомеразами, розривають і за­ново зшивають окремі нитки ДНК, допомагають розкручуванню спіралі. Завдяки роз'єднанню ланцюгів ДНК виникають репліка-цінні вилки. Нові нитки ДНК утворюються на кожному зі звіль-нених ланцюгів. їх ріст відбувається в протилежних напрямках.

2. Елонгація. Вільні трифосфати дезоксирибонуклеотидів сво­їми азотистими основами приєднуються водневими зв'язками до азотистих основ обох ланцюгів ДНК, відповідно до правила комп-лементарності, тобто А—Т, Ц—Г.

Елонгація — це додавання дезоксирибонуклеотиду до 3 -кінця ланцюга, що росте. Процес каталізується ДНК-полімеразою.

Трифосфати дезоксирибонуклеотидів (тринуклеотиди), при­єднуючись до кожного ланцюга ДНК, розривають свої внутрішні високоенергетичні зв'язки й утворюють монофосфати дезоксири­бонуклеотидів (мононуклеотиди), що є звичайними компонента­ми ДНК. При цьому в нуклеоплазму надходять пірофосфатні мо­лекули, що звільнилися (Р—Р).

Утворення нових ланцюгів ДНК. Воно здійснюється в подаль­шому приєднанні сусідніх нуклеотидів, які зв'язуються між со­бою фосфорними залишками та утворюють новий ланцюг ДНК. Процес каталізується ферментом ДНК-полімеразою. При цьому необхідна наявність йонів металів Мп²⁺ або М£²\ ДНК-полімераза може полімеризувати дезоксирибонуклеотиди в напрямку 5'—З', тобто від вуглецевого З'-кінця молекул ДНК. Оскільки дві нитки ДНК антипаралельні, то нові нитки мають утворюватися на ста­рих (материнських) у протилежних напрямках. Одна нова нитка виникає в напрямку 5'—3'. Ця нитка називається провідною. На другій материнській нитці формуються короткі сегменти ДНК у напрямку 3'—5'. Згодом вони об'єднуються і утворюють довгу відстаючу нитку.

Утворення праймерів. На відстаючій нитці спочатку форму­ється короткий ланцюг РНК за шаблоном ДНК. Вона називаєть­ся РНК-праймером і містить послідовність із 10—60 нуклеоти-дів. Фермент праймаза каталізує полімеризацію блоків РНК (А, У, Г, Ц) у праймері. РНК-праймер утворюється тому, що ДНК-полімераза не може ініціювати синтезу нової нитки ДНК у від­стаючому ланцюгу в напрямку 3'—5', вона тільки може каталі­зувати її ріст. Праймери пізніше видаляються, а порожнини, які утворилися, заповнюються дезоксирибонуклеотидами ДНК у на­прямку 5'—3', що завершує побудову другого ланцюга. На місці праймерів утворюються фрагменти нового ланцюга ДНК, які на­зиваються фрагментами Оказакі; вони складаються зі 100—200 нуклеотидів. Ці фрагменти зшиваються полінуклеотидлігазами, у результаті чого утворюється другий повноцінний ланцюг. Цей процес називається дозріванням.

Редагування. Завдяки чіткій комплементарності пар основ редагування забезпечує точну реплікацію ДНК. Проте іноді ви­никають помилки в приєднанні основ, вони видаляються ДНК-полімеразою, яка для цього знову зв'язується з молекулами ДНК (репарація).

3. Термінація (від лат. terminaton — кінцевий). Коли завершив­ся процес реплікації, молекули, що утворилися, розділяються, і кожна дочірня нитка ДНК скручується разом із материнською в подвійну спіраль. Завдяки цьому утворюються дві молекули ДНК, ідентичні материнській. Вони формуються окремими фраг­ментами по довжині хромосоми. Такий окремий фрагмент ДНК, що подвоюється на одній хромосомі, називається репліконом. Ви­никає відразу декілька репліконів, причому асинхронно й у різ­них її ділянках. Процес реплікації стосується всієї хромосоми й перебігає практично одночасно, з однаковою швидкістю. Після завершення реплікації в репліконах вони зшиваються фермента­ми в одну молекулу ДНК. У людській клітині, що ділиться, утво­рюється понад 50 000 репліконів одночасно. Довжина кожного з них — 30 мкм. Завдяки великій кількості репліконів швидкість реплікації збільшується в тисячі разів. Процес подвоєння гене­тичного матеріалу триває майже 10 год. Ділянки хромосом, де по­чинається реплікація, називаються точками ініціації. Вважають, що це, ймовірно, місця прикріплення інтерфазних хромосом до

Розділ 2

кілків ламели ядерної оболонки. Процес включається цитоплаз­матичним фактором невідомої природи, що надходить у ядро.

Реплікація перебігає в строго визначеному порядку, тобто спо-• 11 ггку починають реплікуватись одні ділянки хромосом, а пізніше — інші. У синтетичному періоді інтерфази подвоюється також і кіль­кість гістонових білків, що асоціюються із синтезованими ДНК і утворюють класичну структуру хроматину. Порушення точності реплікації призводить до порушення синтезу білків і розвитку па­тологічних змін клітин і органів.

Реплікація має велике значення, а саме:

— є важливим молекулярним механізмом, який лежить в основі всіх різновидів поділу клітин прокаріотів та еукаріо-тів;

— забезпечує всі типи розмноження одноклітинних та багато­клітинних організмів;

— підтримує сталість клітинного складу органів, тканин і ор­ганізму внаслідок фізіологічної регенерації;

— забезпечує тривале існування окремих індивідів;

— забезпечує тривале існування видів організмів;

— процес сприяє точному подвоєнню інформації;

— у процесі реплікації можливі помилки (мутації), що може призводити до порушень синтезу білків з розвитком пато­логічних змін.

Підтримування генетичної стабільності клітин: