ДНК є надійним сховищем генетичної інформації. Але її потрібно не тільки тримати в цілості, а й передавати нащадкам. Від цього залежить виживання виду. Адже батьки повинні передати дітям все те, чого вони досягли в ході еволюції. У ній записано все: починаючи від кількості кінцівок і закінчуючи кольором очей. Звичайно, у мікроорганізмів цієї інформації набагато менше, але і її потрібно передати. Для цього клітина ділиться. Щоб генетична інформація дісталася обом дочірнім клітинам, її потрібно подвоїти, цей процес називається "реплікація ДНК". Вона відбувається перед поділом клітини, неважливо, який саме. Це може бути бактерія, яка вирішила розмножитися. Або це може бути зростання нової шкіри на місці порізу. Процес подвоєння дезоксирибонуклеїнової кислоти повинен чітко відрегулювати і завершитися до початку ділення клітини.
Де відбувається подвоєння
Реплікація ДНК відбувається безпосередньо в ядрі (в еукаріот) або в цитоплазмі (у прокаріот). Нуклеїнова кислота складається з нуклеотидів - аденіну, тиміну, цитозину і гуаніну. Обидві ланцюжка молекули побудовані за принципом компліментарності: аденіну в одного ланцюга відповідає тимін, а гуаніну - цитозин. Подвоєння молекули має пройти таким чином, щоб і у дочірніх спіралей зберігся принцип компліментарності.
Початок реплікації - ініціація
Дезоксирибонуклеїнова кислота є двуцепочечную спіраль. Реплікація ДНК відбувається шляхом добудовування дочірніх ланцюгів по кожній батьківської ланцюжку. Щоб цей синтез став можливий, спіралі потрібно «розплутати», а ланцюжки відокремити один від одного. Цю роль виконує геліказу - вона розкручує спіраль дезоксирибонуклеїнової кислоти, обертаючись з великою швидкістю. Початок подвоєння ДНК не може початися з будь-якого місця, такий складний процес вимагає певної ділянки молекули - сайту ініціації реплікації. Після того як була визначена початкова точка подвоєння, а геліказу розпочала свою роботу по розплутування спіралі, ланцюжки ДНК розходяться в сторони, утворюючи репликативную вилку. На них сідають ДНК-полімерази. Саме вони і будуть синтезувати дочірні ланцюжка.
елонгація
В одній молекулі дезоксирибонуклеїнової кислоти може утворитися від 5 до 50 реплікативних вилок. Синтез дочірніх ланцюжків відбувається одночасно в декількох ділянках молекули. Але це непросто добудовування компліментарних нуклеотидів. ланцюжки нуклеїнової кислоти антіпараллельни один одному. Різна спрямованість батьківських ланцюгів позначається при подвоєнні, це зумовило складний механізм реплікації ДНК. Одна з ланцюгів добудовується дочірньої безперервно і називається лідируючої. Воно і правильно, адже полімеразі дуже зручно приєднувати вільний нуклеотид до 3`-ОН кінця попереднього. Такий синтез йде безперервно, на відміну від процесу на другий ланцюга.
Запізніла ланцюг, фрагменти О`Казакі
З іншого ланцюжком виникають складнощі, адже там вільним виявляється 5`-кінець, до якого неможливо прикріпити вільний нуклеотид. Тоді ДНК полімераза діє з іншого боку. Для того щоб добудувати дочірню ланцюжок, створюється праймер, комплементарний батьківської ланцюга. Він утворюється у самій репликативной вилки. З нього і починається синтез маленького шматочка, але вже по «вірному» шляху - приєднання нуклеотидів відбувається до 3`-кінця. Таким чином, добудова ланцюжка у другій дочірньої спіралі відбувається переривчасто і має напрям, протилежний руху реплікативної вилки. Ці фрагменти були названі фрагментами О`Казакі, вони мають довжину близько 100 нуклеотидів. Після того як фрагмент добудувався до попереднього готового шматочка, праймери вирізаються спеціальним ферментом, місце вирізу заповнюється відсутніми нуклеотидами.
Терминация
Подвоєння завершується, коли обидві ланцюжки добудували собі дочірні, а всі фрагменти О`Казакі зшиті між собою. У еукаріотів реплікація ДНК закінчується, коли реплікативні вилки зустрічаються один з одним. А у прокаріотів ця молекула кільцева, а процес її подвоєння відбувається без попереднього розриву ланцюга. Виходить, що вся дезоксирибонуклеїнової кислоти є одним великим репліконом. І подвоєння закінчується тоді, коли реплікативні вилки зустрічаються на протилежному боці кільця. Після закінчення реплікації обидві ланцюжки батьківської дезоксирибонуклеїнової кислоти повинні бути зчеплені назад, після чого обидві молекули закручуються до освіти суперспіраль. Далі відбувається метилування обох молекул ДНК по аденіну в ділянці -ГАТЦ-. Це не роз`єднує ланцюга і не заважає їх компліментарності. Це необхідно для складання молекул в хромосоми, а також для регуляції читання генів.
Швидкість і точність реплікації
Друга стадія подвоєння ДНК (елонгація) проходить зі швидкістю близько 700 нуклеотидів в секунду. Якщо згадати, що на один виток нуклеїнової кислоти припадає 10 пар мономерів, то виходить, що під час «розплітання» молекула обертається з частотою 70 обертів на секунду. Для порівняння: швидкість обертання кулера в системному блоці комп`ютера становить приблизно 500 оборотів в секунду. Але незважаючи на високі темпи, ДНК полімераза практично ніколи не помиляється. Адже вона просто підбирає компліментарні нуклеотиди. Але навіть якщо вона робить помилку, ДНК-полімераза її розпізнає, робить крок назад, відриває неправильний мономер і замінює його вірним. Механізм реплікації ДНК дуже складний, але основні моменти ми змогли розібрати. Важливо розуміти його значення як для мікроорганізмів, так і для багатоклітинних істот.
