Репликация ДНК включает в себя разделение двух нитей двойной спирали, каждая из которых служит шаблоном, из которого копируется новая дополнительная нить. После репликации каждая двуцепочечная ДНК включает в себя одну родительскую или «старую» нить и одну «новую» нить. Это называется полусерворепликацией. Полученные в результате молекулы ДНК имеют одинаковую последовательность и разделяются поровну на две дочерние клетки.
Репликация в прокариотах
При репликации ДНК используется большое количество белков и ферм. Фермент геликаза разделяет две нити ДНК. По мере движения геликазы вдоль ДНК она разделяет две нити, образуя Y-образную структуру, известную как вилы репликации. После этого фермент Primase добавляет короткие участки РНК, известные как праймеры, для начала синтеза ДНК ДНК полимеразой ДНК, фермент, ответственный за синтез ДНК. У бактерий известны три основных типа ДНК-полимеразы: ДНК-пол I, ДНК-пол II и ДНК-пол III ДНК-пол III — это фермент, необходимый для синтеза ДНК; ДНК-пол I и ДНК-пол II в первую очередь необходимы для ремонта. ДНК-пол III добавляет дезоксирибонуклеотиды, каждый из которых дополняет нуклеотид в шаблонной ветви, по одному в группу 3’-OH растущей цепочки ДНК. ДНК-полимераза III может распространяться только в направлении от 5 до 3’. Добавление этих нуклеотидов требует энергии. Эта энергия присутствует в связях трех фосфатных групп, прикрепленных к каждому нуклеотиду, подобно тому, как энергия хранится в фосфатных связях аденисина трифосфата (АТФ). Когда связь между фосфатиками разорвана и происходит высвобождение дифосфата, высвобождаемая энергия позволяет сформировать ковалентную фосфодиестную связь путем синтеза дегидратации.
Двойная спираль ДНК является антипараллельной; то есть одна нить ориентирована в направлении от 5’ до 3’, а другая направлена в направлении от 3’ до 5’. Во время репликации одна нить, которая дополняет родительскую ДНК 3’ – 5’, непрерывно синтезируется в направлении вилы репликации, потому что полимераза может добавить нуклеотиды в этом направлении. Эта непрерывно синтезированная нить известна как ведущая. Другая нить, дополняющая родительскую ДНК от 5 до 3’, растет от вилки репликации, поэтому полимераза должен переместиться назад в сторону вилки репликации, чтобы начать добавлять основания к новой грунтовке, снова в направлении от вилки репликации. Она делает это до тех пор, пока не ударится по ранее синтезированной ветви, а затем снова не сдвинется назад. Эти шаги производят небольшие фрагменты последовательности ДНК, известные как фрагменты Оказаки, каждый из которых отделен грунтовкой для РНК. Нить с осколками Оказаки известна как запаздывающаяся нить, и, как говорят, ее синтез беспрерывен.
После синтеза ДНК-полимеразой III, грунтовки удаляются экнуклеазной активностью ДНК-полимераза I, и пробелы заполняются. Зарубки, которые остаются между вновь синтезированной ДНК (которая заменила грунтовку для РНК) А ранее синтезированная ДНК герметизируется лигазой ДНК фермента, которая катализирует образование ковалентной фосфодиестовой связи между концом 3’-OH одного фрагмента ДНК и концом 5’ фосфатов другого фрагмента, стабилизируя сахаро-фосфатную магистраль молекулы ДНК.
Репликация в эукариотах
Эукариотические геномы гораздо сложнее и крупнее, чем у прокариотических геномов, и обычно состоят из нескольких линейных хромосом. Например, геном человека имеет 3 миллиардов пар основание на гаплоидный набор хромосом, а 6 миллиардов пар основание вставляются во время репликации. На каждой эукариотической хромосоме существует множество источников репликации; геном человека имеет от 30,000 до 50,000 истоков репликации. Скорость репликации составляет приблизительно 100 нуклеотидов в секунду, что в 10 раз медленнее, чем при прокариотической репликации.
Основные этапы репликации в эукариотах те же, что и в прокариотах. Прежде чем начать репликацию, необходимо сделать ДНК доступной в качестве шаблона. Эукариотическая ДНК очень суперспиральная и упакованная, чему способствует множество белков, в том числе гистоны. После начала репликации в процессе, аналогичном обнаружению у прокариот, удлинению способствуют эукариотические ДНК-полимеразы. Ведущая нить непрерывно синтезируется эукариотическим полимеразным энзимом pol δ, в то время как запаздывающие нити синтезируются pol ε. Фермент рибонукласа H (RNase H) вместо ДНК-полимеразы, как и у бактерий, удаляет грунтовку РНК, которая затем заменяется нуклеотами ДНК. Зазоры, которые остаются загерметизированными лигазой ДНК.
Как и у прокариот, эукариотическая ДНК-полимераза может добавлять нуклеотиды только в направлении от 5 до 3’. В ведущей ветви синтез продолжается до тех пор, пока он не достигнет конца хромосомы или другой вилки репликации, прогрессирующей в противоположном направлении. На запаздывающие жилы синтезируется ДНК короткими растяжками, каждая из которых инициируется отдельной грунтовкой. Когда вилы репликации достигают конца линейной хромосомы, нет места для создания грунтовки для копирования фрагмента ДНК в конце хромосомы. Таким образом, эти концы остаются непарными, и со временем они могут становиться все короче, по мере того как клетки продолжают делить.
Этот текст адаптирован из Openstax, микробиология, глава 11.2: Репликация ДНК.
