Пластический обмен: репликация ДНК

Чтобы понять, как молекула копирует сама себя, в первую очередь необходимо изучить её строение. ДНК представляет собой двуцепочечную спираль. Исключение составляют лишь некоторые ДНК-содержащие вирусы, у которых геном представлен одноцепочечной ДНК.

Каждый мономер молекулы ДНК состоит из трёх обязательных компонентов:

• азотистого основания;
• пятиуглеродного остатка моносахарида дезоксирибозы;
• остатка фосфорной кислоты.

Азотистые основания бывают четырёх видов: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Две полинуклеотидные цепи закручиваются в спираль и удерживаются вместе благодаря водородным связям. Эти связи возникают между азотистыми основаниями строго по правилу комплементарности. Напротив аденина всегда располагается тимин, а напротив гуанина всегда находится цитозин. Между аденином и тимином образуются две водородные связи, между гуанином и цитозином — три водородные связи.

Функции ДНК в клетке строго определены. Эта макромолекула отвечает за хранение, реализацию и передачу наследственной информации из поколения в поколение.

В клетках присутствует ещё один важный тип нуклеиновых кислот — рибонуклеиновая кислота (РНК). Для успешного выполнения заданий на соответствие важно чётко понимать отличия этих полимеров.

• В составе ДНК углевод представлен дезоксирибозой, тогда как в РНК присутствует моносахарид рибоза.
• В ДНК азотистому основанию аденину комплементарен тимин. В молекуле РНК тимин отсутствует, вместо него содержится азотистое основание урацил.
• Молекула ДНК чаще всего является двуцепочечной, а молекула РНК состоит из одной цепи.

Понимание пространственной конфигурации генетического материала долгое время оставалось неразрешимой задачей. В 1953 году учёные Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предложили модель пространственной структуры ДНК в виде двойной спирали. При создании своей модели они опирались на результаты рентгеноструктурного анализа, которые ранее получили исследователи Морис Уилкинс и Розалинд Франклин. За это выдающееся открытие Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1962 году. Их работа заложила фундамент современной молекулярной генетики.

Процесс репликации относится к реакциям матричного синтеза, которые составляют пластический обмен клетки. Данный процесс происходит в синтетическом (S) периоде интерфазы клеточного цикла, строго до начала клеточного деления.

Репликация является полуконсервативным процессом. Это означает, что в результате удвоения образуются две двойные спирали, в каждой из которых одна цепь осталась от материнской молекулы (сохранилась «старая» цепь), а вторая цепь синтезировалась заново (появилась «новая» цепь).

Двойная спираль ДНК антипараллельна. Это важнейшее свойство означает, что две цепи направлены в противоположные стороны. Один конец цепи обозначается как 3′-конец (читается как «три-штрих-конец»), а противоположный — как 5′-конец. Напротив 5′-конца одной цепи всегда находится 3′-конец комплементарной ей второй цепи.

Механизм процесса

Процесс синтеза катализируется комплексом ферментов. Рассмотрим алгоритм репликации пошагово:

1. Специальный фермент хеликаза расплетает двойную спираль ДНК, разрушая водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями. В результате образуется структура, напоминающая вилку; она получила название репликативной вилки.
2. Главный фермент процесса — ДНК-полимераза — начинает присоединять свободные нуклеотиды к растущей цепи строго по принципу комплементарности.
3. ДНК-полимераза способна двигаться по материнской матрице только в одном направлении: она считывает матрицу в направлении от 3′-конца к 5′-концу. Следовательно, синтез новой дочерней цепи ДНК всегда идёт в направлении 5′ → 3′.
4. Из-за антипараллельности материнских цепей синтез протекает неравномерно. Одна цепь (лидирующая) синтезируется непрерывно в направлении 5′ → 3′, вслед за движением репликативной вилки.
5. Вторая цепь (отстающая) синтезируется прерывисто, в направлении, противоположном движению репликативной вилки. Она собирается из коротких фрагментов, которые называются фрагментами Оказаки.
6. Фермент лигаза сшивает фрагменты Оказаки в единую непрерывную полинуклеотидную цепь.

Разберём, как применять полученные теоретические знания на практике. Тема встречается в первой и во второй частях экзамена. Рассмотрим подробный пример с решением.

Задание 3: правило Чаргаффа

В заданиях базового уровня часто требуется рассчитать доли нуклеотидов. Здесь действует правило Чаргаффа, вытекающее из принципа комплементарности. Согласно этому правилу, количество аденина равно количеству тимина (А = Т), а количество гуанина равно количеству цитозина (Г = Ц). Сумма всех азотистых оснований составляет 100%.

Пример задачи. В некоторой молекуле ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится 18%. Определите процентное содержание нуклеотидов с цитозином, входящих в состав этой молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Логика решения пошагово:

1. Вычисляем долю комплементарного нуклеотида. Если аденина 18%, то тимина также 18%.
2. Суммируем их количество: 18% + 18% = 36%.
3. Определяем оставшуюся долю, которая приходится на гуанин и цитозин. Вычитаем полученное число из 100%: 100% – 36% = 64%.
4. Поскольку количество гуанина равно количеству цитозина, делим остаток пополам: 64% / 2 = 32%.

Ответ: 32.

Понятие репликации встречается в 5-й линии ЕГЭ

Задание. Все перечисленные ниже термины, кроме двух, используются для описания процессов, происходящих в интерфазе клеточного цикла. Определите два термина, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1. рост клетки;
2. биосинтез;
3. образование веретена деления;
4. конъюгация;
5. репликация.

Решение. Термины интерфазы: 1, 2, 5. Выпадающие термины: 3, 4.

Обоснование:

• Образование веретена деления (3) → профаза митоза.
• Конъюгация (4) → профаза I мейоза.
• Остальные процессы (рост, биосинтез, репликация) протекают в G₁, S или G₂ периодах интерфазы.

Задача. Сколько молекул ДНК содержит каждая хромосома перед митозом? В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ: 2.

Связь с репликацией:

• G₁-период: 1 хромосома = 1 молекула ДНК.
• S-период (репликация): удвоение ДНК по полуконсервативному механизму.
• G₂-период / перед митозом: 1 хромосома = 2 сестринские хроматиды = 2 молекулы ДНК.
• Репликация является единственным клеточным процессом, обеспечивающим переход от однохроматидного к двухроматидному состоянию хромосомы перед делением.

Для закрепления темы выполни следующие два задания.

Упражнение 1. В молекуле ДНК на долю нуклеотидов с гуанином приходится 22%. Определите процентное содержание нуклеотидов с аденином, входящих в состав этой молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

Упражнение 2. Фрагмент вирусной РНК имеет последовательность: 5′-АУГЦЦЦУУГААГЦ-3′. На матрице этой РНК фермент обратная транскриптаза синтезирует вирусную ДНК. Запишите последовательность двуцепочечной вирусной ДНК, укажите штрих-концы и обозначьте смысловую и транскрибируемую цепи.