БЕЛКИ И ФЕРМЕНТЫ, УЧАСТВУЮЩИЕ В РЕПЛИКАЦИИ ДНК

Процесс репликации ДНК осуществляется с участием множе­ства белков, которые образуют сложный и эффективно работаю­щий репликативный комплекс.

ДНК-полимеразы. Комплементарное копирование одноцепочечной матрицы катализируют ДНК-зависимые ДНК-полимеразы или просто ДНК-полимеразы.

Полимеризация нуклеотидов в процессе репликации происхо­дит только в одном направлении: от 5'-конца к 3'-концу (5'-»3') строящейся цепи, и синтезированная полинуклеотидная цепь ДНК антипараллельна по отношению к ДНК-матрице.

ДНК-полимеразы безразличны к последовательности нуклео­тидов матрицы. ДНК синтезируется чрезвычайно быстро: скорость ее полимеризации колеблется в пределах от 50 нуклеотидов/с у эукариот до 500 нуклеотидов/с у бактерий.

Механизм коррекции. ДНК-полимеразы проверяют комплементарность каждого нуклеотида матрицы Дважды: один раз — перед включением его в состав растущей цепи и второй раз — перед тем, как включить следующий нуклеотид.

Очередная фосфодиэфирная связь в процессе репликации образуется лишь в том случае, если последний (3'-концевой) нуклеотид синтезируемой цепи комплементарен матрице. Если же на предыдущей стадии полимеризации произошла ошибка, то репликация останавливается до тех пор, пока неправильный нуклеотид не будет удален. Для этого фермент перемещается в обратно направлении и вырезает последнее добавленное звено.

ДНК-праймаза. ДНК-полимеразы не способны инициировать синтез новых цепей ДНК, они могут лишь добавлять дезоксирибонуклеотидные звенья к 3'-концу уже имеющейся полинуклеотидной цепи. Чтобы молекулы ДНК-полимераз могли начать син­тез ДНК, им необходима затравка, или праймер (от англ. primer — затравка), короткий олигодезоксирибонуклеотид или олигорибонуклеотид, комплементарный соответствующему участку ДНК-матрицы, у которого на конце имеется свободная 3'-ОН-группа.

На стадии инициации репликации короткую РНК-затравку из рибонуклеозидтрифосфатов синтезирует фермент, называемый ДНК-праймазой. ДНК-праймаза может быть отдельным фермен­том (как у бактерий) или входить в качестве субъединицы в ДНК-полимеразу (как у ДНК-полимеразы а эукариот).

После того как бу­дет синтезирован РНК-праймер, подключается ДНК-полимераза и продолжает наращивать цепь. Новосинтезированные цепи ДНК всегда содержат на 5'-конце несколько рибонуклеотидов: у про­кариот — от двух до пяти нуклеотидов, у эукариот их в два раза больше. В дальнейшем короткие праймеры замещаются сегмента­ми ДНК.

Поскольку две цепи в молекуле ДНК антипараллельны, а ДНК-полимеразы способны наращивать полинуклеотидную цепь толь­ко в направлении 5'->3', один и тот же фермент, ДНК-полимераза, не может обеспечить сборку дочерних цепей одновременно в направлениях 5'-»3' и 3'-»5' в соответствии с перемещением репликативной вилки при расплетании биспиральной молекулы ДНК.

Направление расплетания двойной спирали при репликации совпадает с направлением синтеза ДНК лишь для одной матричной цепи, в то же время оно противоположно направлению синтеза ДНК на комплементарной матрице.

Рисунок. Синтез цепей ДНК в репликативной вилке.

Направление репликации 5'→3'. Одна цепь (лидирующая) синтезируется как единое целое, а другая (отстающая) — короткими фрагментами (фрагменты Оказаки - 1000 — 2000 нуклеотидов у прокариот и 100 — 200 нуклеотидов в реплицирующейся ДНК эукариот), которые впоследствии соединяются с образованием непрерывной цепи.

Вновь образованная цепь, которая синтезируется непрерывно, получила название ведущей, или лидирующей, а другая, собирае­мая из фрагментов Оказаки, ведомой, или отстающей.

Синтез каж­дого из этих фрагментов начинается с РНК-затравки. Такой меха­низм репликации называется прерывистым (или полунепрерывным).