Биосинтез нуклеиновых кислот (биосинтез ДНК)

Во время деления клетки содержание ДНК должно удвоиться (реплицироваться). Репликация происходит полуконсервативным способом. Две исходные цепи, называемые родительскими, отделяются друг от друга: каждая служит матрицей для синтеза новой цепи, каждая новая двойная спираль содержит одну старую и одну новую цепь.

В основе образования новой цепи лежит принцип комплементарности оснований (Г с Ц и А с Т), так что последовательность оснований в родительской цепи однозначно определяет последовательность оснований в новой – дочерней – цепи.

Поскольку в ДНК пары оснований образуют водородные связи, синтез новых цепей может произойти только при расхождении цепей, что делает основания доступными для взаимодействия с комплементарными основаниями. Раскручивание или расплетание цепей осуществляется под действием фермента ДНК-геликазы. Цепи расходятся в определенной точке, называемой точкой начала репликации.

У прокариот образуются две репликативные вилки, которые движутся в противоположных направлениях. ДНК синтезируются со скоростью 500 пар оснований в секунду. Две вилки встречаются на противоположной стороне кольцевой хромосомы.

У эукариот синтез ДНК в репликативной вилке идет со скоростью 50 пар оснований в секунду, но начинается одновременно во многих точках (их, вероятно, более тысячи).

Цепи ДНК инициируются при помощи РНК. Специальная РНК-полимераза (праймаза) синтезирует небольшой участок РНК-праймера (затравочный олигонуклеотид, праймер) со свободной группой у С-3^/ рибозы. Затем подключается ДНК-полимераза и продолжает наращивать цепь. Синтез ДНК всегда протекает в направлении 5^/ ® 3^/ растущей цепи. Это означает, что растущая цепь элонгирует (наращивается) в направлении 5^/ ® 3^/; нуклеотиды добавляются к свободному 3^/-ОН-концу предшествующего нуклеотида. Синтез цепей в обратном направлении не происходит, поэтому синтезируемые цепи в каждой репликативной вилке должны расти в противоположных направлениях (рис. 19).

Рис. 19. Основные этапы репликации ДНК

При биосинтезе к цепям ДНК последовательно присоединяются ДНК-раскручивающие и ДНК-связывающие белки, а затем комплексы ДНК-полимераз и праймаз.

Синтез одной цепи (ведущей, лидирующей) происходит непрерывно, а другой (отстающей, запаздывающей) – импульсами (фрагментами Оказаки). Рост отстающей цепи идет то же от 5^/ ® 3^/, но в направлении, противоположном репликационной вилке. По мере движения репликативной вилки концы соседних фрагментов Оказаки соединяются при помощи ДНК-лигаз с образованием непрерывной отстающей цепи.

Этапы синтеза ДНК. Синтез ДНК может быть подразделен на три этапа: инициацию (начало синтеза), элонгацию (продолжение) и терминацию (завершение, прекращение синтеза). Каждый из этапов требует участия специфических ферментов и белковых факторов.

Инициация – первый этап в биосинтезе ДНК, является началом синтеза дочерних нуклеотидных цепей. В инициации участвуют минимум восемь различных ферментов и белков. Участок молекулы ДНК, в котором начинается репликация, называется репликатором, или областью начала репликации. Молекула ДНК, способная к автономной репликации, называется репликоном.

Раскручивание или расплетание цепей осуществляется под действием фермента ДНК-геликазы. В точке начала репликации образуется репликативная вилка.

Первоначально происходит ферментативный биосинтез на матрице ДНК необычного затравочного олигорибонуклеотида (праймера) со свободной группой у С-3^/ рибозы. При инициации к цепям ДНК последовательно присоединяются ДНК-раскручивающие и ДНК-связывающие белки, а затем комплексы ДНК-полимераз и праймаз.

Элонгация – второй этап синтеза ДНК. Включает в себя синтез лидирующей и отстающей цепей. Синтез лидирующей цепи начинается у точки начала репликации. После синтеза праймера к нему присоединяются дезоксирибонуклеотиды под действием ДНК-полимеразы, далее синтез протекает непрерывно, следуя шагу репликационной вилки. Синтез отстающей цепи протекает в направлении, обратном движению репликационной вилки и начинается фрагментарно. Фрагменты Оказаки каждый раз синтезируются раздельно, начиная с синтеза праймера, который может переноситься с готового фрагмента при помощи одного из белковых факторов репликации в точку старта биосинтеза последующего фрагмента противоположно направлению синтеза фрагментов. Элонгация завершается отделением праймеров, объединением отдельных фрагментов ДНК при помощи ДНК-лигаз и формированием дочерней цепи ДНК.

Терминация – третий этап синтеза ДНК. Наступает, когда исчерпана ДНК-матрица и трансферазные реакции прекращаются. По завершении репликации образуются две молекулы двухспиральной ДНК, каждая из которых содержит одну материнскую и одну дочернюю, вновь синтезированную цепь. В результате митоза они поступают в дочерние клетки. Репликация обеспечивает воспроизведение генотипа в новых поколениях.