Пластический обмен: репликация ДНК

Удвоение генетического материала происходит строго в синтетический период интерфазы. Биологи обозначают этот этап латинской буквой S. Он наступает перед делением клетки путём митоза или мейоза.

С позиции энергозатрат этот процесс относится к реакциям анаболизма. Любой внутриклеточный анаболизм всегда требует серьёзных затрат молекул АТФ, поэтому синтез нуклеиновых кислот классифицируют как пластический обмен. В ходе построения новой полимерной цепи клетка непрерывно расходует энергетически богатые нуклеотиды.

Молекулы нуклеиновых кислот строятся по трём основным правилам:

1. Полуконсервативность. Каждая вновь образованная двойная спираль содержит одну старую материнскую нить и одну новую дочернюю нить. Исходная матрица сохраняется ровно наполовину.
2. Комплементарность азотистых оснований. Нуклеотиды объединяются по чётко заданным парам. Аденин связывается с тимином двумя водородными связями, а гуанин образует тройную водородную связь с цитозином. Правило Чаргаффа: количество аденина в молекуле ДНК равно количеству тимина, а гуанина — цитозину.
3. Антипараллельность цепей в пространстве. Две нити спирали всегда располагаются в противоположных направлениях. Окончанию 5′ одной цепи соответствует окончание 3′ другой цепи.

Механизм репликации строится на слаженной работе белкового комплекса. Нужно запомнить функции трёх главных ферментов.

Хеликаза выполняет роль расплетающего фактора. Эта молекула двигается по плотной двойной спирали и разрывает водородные связи между спаренными комплементарными основаниями.

ДНК-полимераза выступает в роли строителя новой цепи из свободных нуклеотидов. Этот белок способен синтезировать цепочку строго в одном направлении от 5′-конца к 3′-концу растущей нити. По материнской матрице фермент двигается в обратном направлении — от 3′-конца к 5′-концу.

Лигаза — это сшивающий фермент. Молекула надёжно склеивает отдельные синтезированные фрагменты нуклеиновой кислоты в одну неразрывную цепь.

Синтез полимеров начинается со стадии инициации. Хеликаза разделяет две нити, в результате чего образуется репликативный пузырь. По краям этого пузыря возникают репликативные вилки, которые по пространственной форме напоминают латинскую букву V.

Вслед за инициацией стартует элонгация — стадия активного удвоения. Цепи антипараллельны, а полимераза умеет строить новую нить только в одну заданную сторону. Поэтому процесс на двух расплетённых матрицах идёт по-разному:

• На первой матрице синтез идёт непрерывно вслед за движущейся хеликазой. Образующаяся нить называется лидирующей, или ведущей.
• На второй матрице полимеразе приходится двигаться в противоположную от хеликазы сторону короткими рывками, собирая участки длиной по несколько сотен нуклеотидов. Образующаяся прерывистая нить называется отстающей.
• Короткие отрезки строящейся отстающей цепи называются фрагментами Оказаки. Позднее они сшиваются между собой при участии лигазы.

Терминация означает окончание всех перечисленных реакций. Две готовые и полностью идентичные двойные спирали отделяются друг от друга, и клетка переходит в стадию готовности к делению.

Задание 1

В молекуле ДНК количество нуклеотидов с гуанином составляет 20% от общего числа. Сколько нуклеотидов в % с тимином в этой молекуле. В ответ запишите только соответствующее число.

Решение

Количество разных видов нуклеотидов (аденина, тимина, гуанина и цитозина) в составе молекулы ДНК подчиняется правилу Чаргаффа: количество аденина равно количеству тимина, а гуанина — цитозину: А = Т, Г = Ц.

Количество всех нуклеотидов ДНК составляет 100% (А + Т + Г + Ц = 100%). Согласно правилу Чаргаффа, количество гуанина равно количеству цитозина (Г = Ц = 20%), а сумма количества гуанина и цитозина равна 40% (Г + Ц = 40%). На тимин и аденин остаётся 60% (Т + А = 100 − (Г + Ц) = 100 − 40 = 60%). А так как аденин и тимин содержатся в молекуле ДНК в равных количествах, то количество и аденина, и тимина составит по 30% (А = Т = 60 : 2 = 30%).

Ответ: 30.

Задание 2

Установите последовательность стадий репликации ДНК. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.
1) расплетение цепей ДНК
2) присоединение хеликазы к точке начала репликации
3) формирование двух идентичных молекул ДНК
4) синтез полинуклеотидной цепи ДНК
5) синтез РНК-затравки

Решение

1. 2) присоединение хеликазы к точке начала репликации (инициация процесса).
2. 1) расплетение цепей ДНК ферментом хеликазой, образование репликационной вилки и разрыв водородных связей.
3. 5) синтез РНК-затравки (праймера) ферментом праймазой, который необходим ДНК-полимеразе для начала работы.
4. 4) синтез полинуклеотидной цепи ДНК (элонгация), происходящий по правилу комплементарности.
5. 3) формирование двух идентичных молекул ДНК из одной материнской (терминация).

Ответ: 21543.

Задание 1

В некоторой молекуле ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится 16%. Определите процентное содержание нуклеотидов с цитозином, входящих в состав этой молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Задание 2

Установите последовательность процессов, происходящих при репликации ДНК. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.
1) синтез РНК-затравки
2) разделение готовых молекул ДНК
3) синтез цепи ДНК
4) присоединение хеликазы к ДНК
5) расплетение цепей ДНК

Теперь ты понимаешь тонкости матричного синтеза и молекулярных реакций внутри клетки.

После изучения статьи ты умеешь:

• правильно определять периоды жизненного цикла и находить стадию удвоения ДНК;
• понимать разницу между ведущей и отстающей цепью в репликативной вилке;
• чётко различать функции ферментов хеликазы, ДНК-полимеразы и лигазы;
• решать расчётные биологические задачи на правило комплементарности и изменение массы генетического материала.

Чтобы не допускать обидных ошибок по невнимательности и закрепить навык, рекомендуем решить 8–10 прототипов по цитологии в «100балльном банке». Внимательно читай условия каждого задания и обращай внимание на названия ферментов.