Репликация нуклеиновых кислот

Модель структуры ДНК, предложенная в 1953 году Дж. Уотсоном и Ф. Криком, давала объяснение кодированию генетической информации, мутационной изменчивости и воспроизведению генов, которые, согласно этой гипотезе, представляют собой участки молекулы ДНК. Схема репликации показана на рис. 8.12.

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 варианта репликации ДНК (рис. 8.13):

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 по обеим дочерним молекулам.

Эксперимент М. Мезельсона и Ф. Сталя позволил сделать выбор между этими тремя вариантами и доказать, что репликация нуклеиновых кислот идет по полуконсервативному типу. 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 процесса были ясны. В первую очередь эта схема плохо согласовывалась с данными, показывающими, что ДНК реплицируется очень быстро. Так, в результате наблюдений было установлено, что, например, ДНК фагаТ4 синтезируется со скоростью около 900 нуклеотидов в секунду. Еще быстрее реплицируется ДНК 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 ее нитях, служащих матрицами, должны синтезироваться новые нити. А ведь молекула ДНК кишечной палочки

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. Еще труднее это представить для эукариот, у которых длина нитей ДНК может достигать нескольких сантиметров. Были и другие проблемы, ставящие под сомнение 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 (50—150 нуклеотидов) отрезков, так называемых фрагментов Оказаки, которые затем соединяются в сплошную цепь. Пока остается неясным вопрос, происходят ли процессы разрыва и сшивания фрагментов на обеих нитях одновременно или имеется 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).