Definirea replicării ADN-ului. Procesul de replicare a ADN-ului. Trei principii ale structurii ADN-ului

Divizia celule apare prin mitoză, în timp ce, pentru a evita pierderea informației genetice, întregul genom nuclear se dublează mai întâi în faza S a ciclului celular. Durata fazei S este de 8 ore. ADN-ul centromer al cromozomului se replic în timpul etapei mijlocii a mitozei, care precede procesul de segregare a cromozomilor.

replicare mitocondriale și nucleare apare în diferite faze ale ciclului celular. În ciuda faptului că secvența generală a etapelor în replicarea ADN-ului nuclear la ființele superioare (eucariote) și bacterii (procariote) este aceeași, procesul în sine are diferențe minore. Deci, la eucariote, în timpul replicării, ADN-ul (nuclear) rămâne în configurația nucleozomală.

Fragmente ADN, bogat în perechi de baze G-C (benzile R ale eucromatinei în cromatina compactată), exprimă gene menajere care funcționează în toate celulele corpului. Aceste fragmente sunt replicate devreme în faza S. Regiunile heterocromatine bogate în perechi de baze A-T (benzi G) exprimă un număr mic de gene și se reproduc târziu în faza S.

Genele cu un conținut ridicat de perechi A-T, care codifică diverse proprietăți și funcționând numai în anumite celule, fac parte din heterocromatina facultativă. Replicarea lor are loc într-un stadiu incipient al fazei S numai în acele celule în care sunt exprimate, iar în etapele ulterioare - în celulele în care expresia nu are loc.

Zona în spirală ADN, care este primul care se desfășoară la începutul replicării, este numit locul de început al replicării (replicon). În acest moment, catena dublă este nerăsucită de enzima helicază, care dezvăluie secvența de baze. Procesul de replicare are loc de-a lungul unei catene cu o rată de aproximativ 40-50 de nucleotide pe secundă simultan în ambele direcții. Ființele superioare au multe repliconi situate la o distanță de 50.000-300.000 bp. La locul separării catenei de ADN apar umflături de replicare, la fiecare capăt al cărora se formează o furcă de replicare.

Nou ADN sintetizate cu participarea enzimelor numite ADN polimeraze din trifosfații dezoxiribonucleotid (ATP, GTP etc.), care sunt transformate în nucleotide monofosfat (AMP, GMP etc.). Scindarea și hidroliza pirofosfaților din trifosfați oferă procesului energie și îl fac complet ireversibil, făcând molecula de ADN suficient de stabilă.

Tot ADN polimeraza poate construi ADN nou numai în direcția de la capătul de 5" la 3". Aceasta înseamnă că enzimele trebuie să se deplaseze de-a lungul lanțului șablon de la capătul 3’ la capătul 5’. În acest sens, replicarea poate avea loc continuu de la replicon de-a lungul unui singur lanț, numit avansare. Datorită locației zaharurilor, replicarea de-a lungul celei de-a doua șuvițe rămase are loc numai pe porțiuni scurte cunoscute sub numele de fragmente Okazaki.

Lungimea noului fragmente de ADN, formată de-a lungul lanțului întârziat, are o medie de 100-200 de perechi de baze. În timpul sintezei, fragmentele Okazaki sunt reticulate de enzima ADN ligaza. În așteptarea replicării, stabilitatea secvenței primare de nucleotide monocatenar a catenei întârziate este menținută de proteina de legare la ADN monocatenar (sau proteina de destabilizare a helixului).

Pentru sinteza conducere lanțul necesită enzima ADN polimeraza S, iar pentru sinteza ADN polimerazei întârziate a. Acesta din urmă are o subunitate numită ADN primază, care sintetizează un primer scurt ARN care acționează ca primer. Replicarea ADN-ului mitocondrial are loc independent de procesele din nucleu. În acest caz, sunt utilizate o serie de alte enzime, dintre care una este ADN polimeraza y.

Genomul contine un număr mare de exemplare cinci gene histonice, rezultând sinteza multor histone (în special în timpul fazei S), care, imediat după replicare, sunt asociate cu o nouă catenă de ADN.
Trebuie remarcat faptul că procesul replicare se numește semi-conservator, deoarece compoziția moleculelor de ADN fiice include un lanț primar și unul sintetizat.

Replicarea telomerilor ADN

Problema principală a sintezei ADN la capătul catenei întârziate se află acea ADN polimerază a trebuie să se atașeze deasupra capătului secvenței care este replicată și să lucreze proximal în direcția de la capătul de 5" la 3". Pentru a rezolva această problemă, este nevoie de o enzimă de sinteză ADN, telomeraza, care extinde lanțul întârziat.

Telomeraza- o ribonucleoproteină care conține un ARN mesager cu secvența 3"-AAUCCAAAU-5", care este complementară unei repetări și jumătate ale ADN-ului telomeric cu șase baze (5"-GGGTTA-3"). Fragmentul de secvență 3’-AAU al ARN-telomerazei se leagă de capătul terminal al catenei întârziate de șablon TTA-5’, lăsând restul ARN-ului liber. Dezoxiribonucleotidele sunt apoi atașate la acest ARN mesager, extinzând astfel secvența repetitivă din ADN cu un segment.

După aceea telomeraza este scindată și trimisă la celălalt capăt terminal cu secvența TTA-5", iar procesul se repetă. De îndată ce apare o repetare terminală suficient de lungă, ADN polimeraza a se atașează de fragmentul monocatenar rezultat și completează a doua catenă. prin metoda complementarităţii în direcţia proximală 5"-3"-, deplasându-se spre un situs dublu catenar deja existent, fuziunea ulterioară cu care are loc datorită acţiunii ADN ligazei.

Mecanisme de reparare a ADN-ului

Uneori în creștere lanţ o bază greșită este blocată accidental, dar, din fericire, celulele sănătoase au enzime de reparare post-replicare și un sistem de corecție a nepotrivirii bazelor care corectează astfel de erori. Mecanismul de acțiune al acestor sisteme se bazează pe îndepărtarea și înlocuirea bazelor introduse eronat în conformitate cu succesiunea lanțului matricei. Ei au nevoie de ADN polimeraze b și e pentru a funcționa.

Informațiile înregistrate în ADN nu trebuie doar implementate în procesul de dezvoltare a celulelor și organismelor, ci și transferate pe deplin generației următoare. În acest scop, înainte de diviziunea celulară, se efectuează un proces în ea. replicare, adică dublarea cantității de ADN.

Informațiile despre mecanismul de replicare sunt conținute în ADN-ul însuși: unele gene codifică enzime care sintetizează precursori ADN - nucleotide, altele - enzime care asigură conectarea nucleotidelor activate într-un singur lanț. Mecanismul de replicare a fost postulat pentru prima dată de J. Watson și F. Crick, care au observat că complementaritatea lanțurilor de ADN sugerează că această moleculă se poate duplica. Ei au sugerat că dublarea necesită ruperea legăturilor de hidrogen și separarea lanțurilor, fiecare dintre acestea având rolul de șablon în sinteza unui lanț complementar. Ca rezultat al unui act de duplicare, se formează două molecule de ADN dublu catenar, fiecare dintre ele având o catenă părinte și una nouă (vezi Fig.).

Mecanismul este numit replicare semi-conservativă. Mai târziu, natura matricei și principiul postulat al replicării ADN-ului au fost confirmate de numeroase date experimentale.

Replicarea ADN-ului începe în anumite puncte ale cromozomului - locuri de inițiere a replicării (origine). Procesul de replicare este deservit de un număr mare de enzime. Aparatul de replicare a ADN-ului bacterian, în special E. coli, a fost studiat cel mai amănunțit. Funcția de derulare a moleculei de ADN la procariote este îndeplinită de enzime specifice. helicaze , care folosesc energia hidrolizei ATP la ADP pentru lucru. Ele funcționează adesea ca parte a unui complex de proteine ​​care mișcă furculița și reproduce filamentele nerăsucite. Alte proteine ​​specifice care se leagă de regiunile monocatenar împiedică catenele de ADN să se reunească. Aceste secțiuni, divergente în direcții diferite, formează o structură caracteristică - furca de replicare (furca Kearns). Aceasta este partea moleculei de ADN în care are loc în prezent sinteza unei noi catene. Proteinele joacă un rol important în promovarea furculiței giraza , aparținând categoriei izomerazelor topologice. Se găsește numai în bacterii. Gyrase este o enzimă relaxantă care, producând rupturi dublu-catenar, îndepărtează pozitive (în fața furcii) și promovează formarea de superbobine negative (în spatele furcii) în ADN-ul relaxat.

Fiecare catenă de ADN matern servește ca șablon pentru sinteza moleculelor fiice. Pe un fir, sinteza se desfășoară continuu în direcția de la capătul de 5" la 3". Acest lanț se numește lider. Al doilea lanț cu direcția opusă, numit lagging, este sintetizat sub formă de fragmente separate, care sunt apoi reticulate de ligaze într-o moleculă continuă. Fragmentele sunt numite după omul de știință american R. Okazaki, care a postulat pentru prima dată această metodă de sinteză a ADN-ului, fragmente din Okazaki. În timpul sintezei, furculița de replicare se mișcă de-a lungul șablonului, iar noi segmente de ADN sunt deztors secvențial până când furculița atinge punctul final al sintezei (punctul de terminare).

Sinteza unei noi catene de ADN necesită un mic fragment de ARN ca primer, deoarece enzima sa principală, ADN polimeraza, are nevoie de un grup liber de 3 "OH pentru a funcționa. Trei ADN polimeraze diferite cu funcții similare, denumite polI, polII și polIII, au fost găsite la procariote. ADN polimeraza I a fost studiată cel mai pe deplin. Este o singură polipeptidă cu activitate multifuncțională (polimeraza, 3 "→ 5" exonuclează și 5 "→ 3" exonuclează). Sinteza primerului (amorsului) este realizată de enzima primază, care este uneori inclusă în complex - primozomul de 15-20 de proteine ​​care activează matricea Primerul este format din 10 -60 de ribonucleotide După ce enzima cheie a sintezei ADN-ului din E. coli - polIII - atașează primele dezoxiribonucleotide de sămânță, aceasta este îndepărtată cu polI, care are 3" → Activitatea exonucleazei de 5", adică capacitatea de a scinda nucleotidele terminale de la 3" - capătul lanțului. Sămânța este de asemenea sintetizată în firul rămas la începutul fiecărui fragment Okazaki. Clivarea acestuia, precum și alungirea fragmentelor sintetizate de polIII, este realizată de polI. Rolul polII în replicarea ADN-ului E. coli nu este încă complet clar.

În timpul replicării ADN-ului eucariotic, procesul de replicare este complicat de prezența proteinelor în cromozomi. Pentru a dezlega ADN-ul, este necesar să se distrugă complexul puternic condensat de ADN și histone și, după replicare, să compacteze din nou moleculele fiice. Desfacerea ADN-ului determină supraînfăşurarea regiunilor situate în apropierea furcii de replicare. Pentru a ameliora tensiunea rezultată și mișcarea liberă a furcii, aici funcționează enzime de relaxare specifice - topoizomerazele. Două tipuri de topoizomeraze au fost identificate în diferite organisme: tipurile I și II. Ele modifică gradul de supercoilare și tipul de supercoil producând rupturi într-una (topoizomeraze de tip I) sau ambele catene de ADN (topoizomeraze de tip II) și elimină riscul de încurcare a ADN-ului.

Replicarea ADN-ului bacterian este un proces bidirecțional cu un singur loc de inițiere. În schimb, cromozomul eucariot constă din situsuri de replicare separate - repliconi și are multe locuri de inițiere. Replicon-urile se pot replica la momente diferite și la rate diferite. Rata de replicare a ADN-ului în celulele eucariote este mult mai mică decât în ​​cele procariote. În E. coli, rata este de aproximativ 1500 bp. pe secundă, la eucariote - 10-100 bp. pe secunda. ADN-ul circular dublu catenar al unor virusuri se reproduce într-un model inel de rulare. În acest caz, o catenă de ADN este incizată într-un loc de către o enzimă specifică, iar nucleotidele încep să se atașeze de capătul liber de 3" OH format cu ajutorul enzimei polIII. Molecula circulară internă servește ca matrice. Șuvița incizată este deplasată și apoi dublată ca și lanțul întârziat E. coli pentru a forma fragmente care sunt reticulate de ligaze.

Acizii nucleici joacă un rol important în asigurarea activității vitale a celulelor organismelor vii. Un reprezentant important al acestui grup de compuși organici este ADN-ul, care poartă toată informația genetică și este responsabil pentru manifestarea caracteristicilor necesare.

Ce este replicarea?

În procesul de diviziune celulară, este necesară creșterea cantității de acizi nucleici din nucleu, astfel încât să nu existe pierderi de informații genetice în acest proces. În biologie, replicarea este duplicarea ADN-ului prin sinteza de noi catene.

Scopul principal al acestui proces este de a transfera informații genetice către celulele fiice într-o formă neschimbată, fără mutații.

Enzime și proteine ​​de replicare

Dublarea unei molecule de ADN poate fi comparată cu orice proces metabolic dintr-o celulă care necesită proteine ​​adecvate. Deoarece replicarea este o componentă importantă a diviziunii celulare în biologie, prin urmare, multe peptide auxiliare sunt implicate aici.

• ADN polimeraza este cea mai importantă enzimă de reduplicare, care este responsabilă de sinteza lanțului fiică.În citoplasma celulei, în procesul de replicare, este obligatorie prezența trifosfaților nucleici, care aduc toate bazele nucleice.

Aceste baze sunt monomeri de acid nucleic, astfel încât întregul lanț al moleculei este construit din ele. ADN polimeraza este responsabilă de procesul de asamblare în ordinea corectă, altfel apariția tuturor tipurilor de mutații este inevitabil.

• Primaza este o proteină care este responsabilă pentru formarea unui primer pe catena matriță de ADN. Acest primer se mai numește și primer; are prezența monomerilor inițiali din care sinteza ulterioară a întregului lanț polinucleotidic este posibilă pentru enzima ADN polimerază. Această funcție este îndeplinită de primer și de enzima corespunzătoare.
• Helicaza (helicaza) formează o furcă de replicare, care este o divergență a lanțurilor matricei prin ruperea legăturilor de hidrogen. Acest lucru face ca polimerazelor să se apropie mai ușor de moleculă și să înceapă sinteza.
• Topoizomeraza. Dacă vă imaginați o moleculă de ADN ca o frânghie răsucită, pe măsură ce polimeraza se mișcă de-a lungul lanțului, se va forma o tensiune pozitivă din cauza răsucirii puternice. Această problemă este rezolvată de topoizomerază, o enzimă care rupe lanțul pentru o perioadă scurtă de timp și desface întreaga moleculă. După aceea, zona deteriorată este cusată din nou împreună, iar ADN-ul nu experimentează stres.
• Proteinele Ssb se atașează ca niște grupuri de catenele de ADN la bifurcația de replicare pentru a preveni re-formarea legăturilor de hidrogen înainte de sfârșitul procesului de reduplicare.
• Ligaz. constă în coaserea fragmentelor de Okazaki pe firul întârziat al moleculei de ADN. Acest lucru se întâmplă prin excizarea primerilor și inserarea monomerilor nativi ai acidului dezoxiribonucleic în locul lor.

În biologie, replicarea este un proces complex în mai multe etape care este extrem de important în diviziunea celulară. Prin urmare, utilizarea diferitelor proteine ​​și enzime este necesară pentru o sinteză eficientă și corectă.

mecanism de reduplicare

Există 3 teorii care explică procesul de duplicare a ADN-ului:

1. Cel conservator susține că o moleculă fiică de acid nucleic are o natură matriceală, iar a doua este complet sintetizată de la zero.
2. Semi-conservator propus de Watson și Crick și confirmat în 1957 în experimente pe E. Coli. Această teorie afirmă că ambele molecule de ADN fiice au o catenă veche și una nou sintetizată.
3. Mecanismul de dispersie se bazează pe teoria conform căreia moleculele fiice au secțiuni alternative pe toată lungimea lor, constând atât din monomeri vechi, cât și din noi.

Un model semi-conservator a fost acum dovedit științific. Ce este replicarea la nivel molecular? La început, helicaza rupe legăturile de hidrogen ale moleculei de ADN, deschizând astfel ambele lanțuri pentru enzima polimerază. Acestea din urmă, după formarea semințelor, încep sinteza de noi lanțuri în direcția 5’-3’.

Proprietatea antiparalelismului ADN este principalul motiv pentru formarea catenelor conducătoare și întârziate. Pe catena principală, ADN polimeraza se mișcă continuu, iar pe cea mai întârziată formează fragmente Okazaki, care în viitor vor fi conectate cu ajutorul ligazei.

Caracteristici de replicare

Câte molecule de ADN sunt în nucleu după replicare? Procesul în sine implică o dublare a setului genetic al celulei, prin urmare, în perioada de sinteză a mitozei, setul diploid are de două ori mai multe molecule de ADN. O astfel de intrare este de obicei marcată ca 2n 4c.

Pe lângă semnificația biologică a replicării, oamenii de știință au găsit aplicații pentru proces în diferite domenii ale medicinei și științei. Dacă în biologie replicarea este duplicarea ADN-ului, atunci în laborator, reproducerea moleculelor de acid nucleic este folosită pentru a crea câteva mii de copii.

Această metodă se numește reacția în lanț a polimerazei (PCR). Mecanismul acestui proces este similar cu replicarea in vivo, prin urmare, pentru cursul său sunt utilizate enzime și sisteme tampon similare.

concluzii

Replicarea are o mare importanță biologică pentru organismele vii. Transmiterea în timpul diviziunii celulare nu este completă fără duplicarea moleculelor de ADN, astfel încât activitatea coordonată a enzimelor este importantă în toate etapele.

Este o moleculă de ereditate, atunci pentru a realiza această calitate, trebuie să se copieze exact pe sine și astfel să păstreze toate informațiile disponibile în molecula originală de ADN sub forma unei secvențe specifice de nucleotide. Acest lucru este asigurat printr-un proces special care precede diviziunea oricărei celule din organism, care se numește replicare ADN.

Esența replicării ADN-ului este că o enzimă specială rupe legăturile slabe de hidrogen care leagă nucleotidele a două lanțuri. Ca rezultat, catenele de ADN sunt deconectate, iar bazele azotate libere „iese” din fiecare catenă (aspectul așa-numitei furculițe de replicare). O enzimă specială, ADN polimeraza, începe să se deplaseze de-a lungul lanțului de ADN liber de la capătul 5- la 3-terminal (catena principală), ajutând la unirea nucleotidelor libere, sintetizate constant în celulă, până la capătul de 3" al noului sintetizat. Catenă de ADN.Pe a doua catenă de ADN (catenă întârziată) se formează ADN nou sub formă de segmente mici formate din 1000-2000 de nucleotide (fragmente Okazaki).

Pentru a începe replicarea fragmentelor de ADN ale acestei catene, este necesară sinteza fragmentelor scurte de ARN (trăsăturile caracteristice ale ARN-ului vor fi discutate mai jos) ca semințe, pentru care se folosește o enzimă specială - ARN polimeraza (primază). Ulterior, primerii ARN sunt îndepărtați, iar ADN-ul este inserat în golurile formate folosind ADN polimeraza I. Astfel, fiecare catenă de ADN este utilizată ca șablon sau șablon pentru construirea unei catene complementare, iar replicarea ADN-ului este semi-conservativă (adică o catenă). într-o moleculă nouă de ADN este „veche”, iar a doua este nouă).

Diferite enzime sunt folosite pentru a replica catenele conducătoare și întârziate din celulă. Ca urmare a replicării, se formează două noi molecule de ADN absolut identice, care sunt, de asemenea, identice cu molecula originală de ADN înainte de începerea reduplicării acesteia (procesul de replicare a ADN-ului este prezentat mai detaliat în Fig. 3.5). ADN polimeraza, ca orice altă enzimă, accelerează semnificativ procesul de adăugare a nucleotidelor complementare la un lanț de ADN liber, cu toate acestea, afinitatea chimică a adeninei pentru timină și a citozinei pentru guanină este atât de mare încât se combină între ele chiar și în absență. a ADN polimerazei într-un amestec simplu de reacție.

Se poate spune, oarecum simplificator, că fenomenul de dublare exactă a moleculei de ADN, care se bazează pe complementaritatea bazelor acestei molecule, este baza moleculară a eredității. Rata de replicare a ADN-ului la om este relativ lentă și ar dura săptămâni pentru a replica ADN-ul oricărui cromozom uman dacă replicarea începe dintr-un singur punct. De fapt, în molecula de ADN a oricărui cromozom și fiecare cromozom uman conține o singură moleculă de ADN, există multe locuri de inițiere a replicării (repliconi). De la fiecare replicon, replicarea continuă în ambele direcții până când repliconurile învecinate se îmbină. Prin urmare, replicarea ADN-ului în fiecare cromozom are loc relativ rapid.

Replicare (din lat. replicatio - reînnoire) - procesul de sinteză a unei molecule de ADN fiică pe matricea moleculei de ADN părinte. În timpul diviziunii ulterioare a celulei mamă, fiecare celulă fiică primește o copie a unei molecule de ADN care este identică cu ADN-ul celulei mamă inițiale. Acest proces asigură transmiterea exactă a informațiilor genetice de la o generație la alta. Replicarea ADN-ului este realizată de un complex enzimatic complex, format din 15-20 de proteine ​​diferite, numit replizom (replizom în engleză)

Replicarea ADN-ului este un eveniment cheie în cursul diviziunii celulare. Este important ca până în momentul divizării, ADN-ul să fie replicat complet și o singură dată. Acest lucru este asigurat de anumite mecanisme de reglare a replicării ADN-ului.

Replicarea are loc în trei etape:

1. Inițierea replicării

2. Alungirea

3. Încetarea replicării.

Replicarea este reglementată în principal în stadiul de inițiere. Acest lucru este destul de ușor de implementat, deoarece replicarea poate începe nu de la orice segment de ADN, ci de la unul strict definit, numit locul de inițiere a replicării. În genom, pot exista fie doar unul, fie mai multe astfel de site-uri. Noțiunea de site de inițiere a replicării este strâns legată de noțiunea de replicon. Un replicon este o întindere de ADN care conține un situs de inițiere a replicării și se replic după începerea sintezei ADN din acest site. Genomul bacterian, de regulă, este un singur replicon, ceea ce înseamnă că replicarea întregului genom este rezultatul unui singur act de inițiere a replicării.

Genomii eucariote (precum și cromozomii lor individuali) constau dintr-un număr mare de repliconi independenți, ceea ce reduce semnificativ timpul total de replicare a unui cromozom individual. Mecanismele moleculare care controlează numărul de inițieri de replicare la fiecare loc pe ciclu de diviziune celulară sunt numite control al numărului de copii. Pe lângă ADN-ul cromozomial, celulele bacteriene conțin adesea plasmide, care sunt repliconi individuali. Plasmidele au propriile lor mecanisme de control al numărului de copii: pot furniza sinteza unei singure copii a plasmidei pe ciclu celular sau a mii de copii.

Replicarea începe la locul inițierii replicării odată cu desfășurarea dublei helix ADN, formând o furcă de replicare, locul replicării directe a ADN-ului. Fiecare site poate forma una sau două furcuri de replicare, în funcție de dacă replicarea este unidirecțională sau bidirecțională. Replicarea bidirecțională este mai frecventă. La ceva timp după începerea replicării, un microscop electronic poate fi folosit pentru a observa un ochi de replicare - o regiune a cromozomului în care ADN-ul a fost deja replicat, înconjurat de regiuni mai extinse de ADN nereplicat.

În furca de replicare, ADN-ul copiează un complex proteic mare (replizom), a cărui enzimă cheie este ADN polimeraza. Furculița de replicare se mișcă cu o rată de aproximativ 100.000 de perechi de baze pe minut la procariote și 500-5000 la eucariote.

Mecanismul molecular de replicare:

Enzimele (helicaza, topoizomeraza) și proteinele care leagă ADN-ul desfășoară ADN-ul, mențin matricea într-o stare diluată și rotesc molecula de ADN. Corectitudinea replicării este asigurată de potrivirea exactă a perechilor de baze complementare și de activitatea ADN polimerazei, care este capabilă să recunoască și să corecteze eroarea. Replicarea la eucariote este realizată de mai multe ADN polimeraze diferite (spre deosebire de replicarea ADN-ului la procariote).

ADN polimeraza I acționează asupra catenei întârziate pentru a elimina primerii ARN și a pre-replica situsurile ADN purificate. ADN-polimeraza III este principala enzimă de replicare a ADN-ului care sintetizează catena principală de ADN și fragmentele Okazaki în timpul sintezei catenei întârziate (fragmentele Okazaki sunt fragmente de ADN relativ scurte care se formează pe catena întârziată în timpul replicării ADN). În continuare, moleculele sintetizate sunt răsucite conform principiului supraînfăşurării şi compactării ulterioare a ADN-ului. Sinteza este consumatoare de energie.

Lanțurile moleculei de ADN diverg, formează o furcă de replicare și fiecare dintre ele devine un șablon pe care este sintetizat un nou lanț complementar. Ca rezultat, se formează două noi molecule de ADN dublu catenar, identice cu molecula părinte.

În procesul de replicare, dubla helix ADN, constând din două lanțuri polinucleotidice complementare, se desfășoară în lanțuri separate și, în același timp, începe sinteza de noi lanțuri polinucleotidice; în acest caz, lanțurile inițiale de ADN joacă rolul de șabloane. Noua catenă sintetizată pe fiecare dintre firele originale este identică cu cealaltă fire originale. Când procesul este finalizat, se formează două elice duble identice, fiecare dintre ele constând dintr-un lanț vechi (original) și un lanț nou (Fig. 1). Astfel, doar una dintre cele două catene care alcătuiesc molecula originală de ADN este transmisă de la o generație la alta - așa-numitul mecanism semi-conservator de replicare.

Replicarea constă dintr-un număr mare de etape succesive, care includ recunoașterea punctului de pornire al replicării, desfășurarea duplexului original (helix), menținerea lanțurilor acestuia într-o stare izolată unele de altele, inițierea sintezei de noi lanțuri fiice pe ele, creșterea (alungirea), răsucirea lanțurilor într-o spirală și terminarea (capătul) sintezei. Toate aceste etape de replicare, care se desfășoară cu viteză mare și cu o acuratețe excepțională, sunt asigurate de un complex format din mai mult de 20 de enzime și proteine, așa-numitul sistem ADN replicază sau replizom. Unitatea funcțională de replicare este un replicon, care este un segment (secțiune) a unui cromozom sau ADN extracromozomial, limitat de punctul de început la care este inițiată replicarea și de punctul final la care se oprește replicarea. Rata de replicare este controlată în stadiul de inițiere. Odată începută, replicarea continuă până când întregul replicon este duplicat (dublat). Frecvența inițierii este determinată de interacțiunea proteinelor reglatoare speciale cu originea replicării. Cromozomii bacterieni conțin un singur replicon: inițierea la o singură origine a replicării duce la replicarea întregului genom. În fiecare ciclu celular, replicarea este inițiată o singură dată. Plasmidele și virusurile, care sunt elemente genetice autonome, sunt repliconi separați capabili de inițiere multiplă în celula gazdă. Cromozomii eucarioți (cromozomii tuturor organismelor, cu excepția bacteriilor și algelor albastre-verzi) conțin un număr mare de repliconi, fiecare dintre care este de asemenea inițiat o dată pe ciclu celular.

Pornind de la punctul de inițiere, replicarea are loc într-o zonă limitată care se deplasează de-a lungul helixului ADN original. Această zonă de replicare activă (așa-numita replication fork) se poate deplasa în ambele direcții. În replicarea unidirecțională, o furcă de replicare se mișcă de-a lungul ADN-ului. În replicarea bidirecțională, două bifurcături de replicare diverg de la punctul de inițiere în direcții opuse; vitezele lor pot varia. În timpul replicării ADN-ului la bacterii și mamifere, rata de creștere a lanțului fiice este resp. 500 și 50 de nucleotide în 1 s; la plante, această valoare nu depășește 20 de nucleotide pe secundă. Mișcarea a două furci în direcții opuse creează o buclă care arată ca o „bule” sau „ochi”. Replicarea continuă extinde „ochiul” până când include întregul replicon.

În cursul replicării, creșterea lanțului se realizează datorită interacțiunii trifosfatului dezoxiribonucleozid cu nucleotida terminală 3 "-OH a părții deja construite a ADN-ului; în acest caz, pirofosfatul este scindat și o legătură fosfodiesterică. se formează.Creşterea lanţului polinucleotidic are loc numai de la capătul său de 3", adică în direcţia 5" : 3". Enzima care catalizează această reacție este ADN polimeraza.

Energia cheltuită pentru formarea fiecărei noi legături fosfodiester în lanțul ADN este furnizată de scindarea legăturii fosfat între grupările a- și b-fosfat ale nucleozidului trifosfat.

ADN polimeraza are un loc de legare a trifosfatului de nucleozid comun tuturor celor patru nucleotide. Alegerea unei nucleotide din mediu, a cărei bază este complementară cu următoarea bază a matriței, se desfășoară fără erori datorită influenței determinante a matriței ADN (lanțul ADN original). Cu unele leziuni mutaționale ale structurii ADN polimerazei, în unele cazuri, are loc includerea de nucleotide necomplementare.

În procesul de replicare a ADN-ului formal, formele tautomerice rare ale tuturor celor 4 baze azotate ale nucleotidelor apar pentru o perioadă scurtă de timp, cu o probabilitate de 10-4-10-5, care formează perechi neregulate. Precizia ridicată a replicării (probabilitatea erorilor nu depășește 10-9) se datorează prezenței mecanismelor care efectuează corecția (repararea).

Furca de replicare este asimetrică. Dintre cele două catene fiice de ADN sintetizate, una este construită continuu, iar cealaltă intermitent. Primul se numește lanțul conducător, sau lanțul de conducere, iar al doilea se numește cel mai întârziat. Sinteza celui de-al doilea lanț este mai lentă; deși, în ansamblu, acest lanț este construit în direcția 3" : 5", fiecare dintre fragmentele sale crește individual în direcția 5" : 3". Datorită acestui mecanism discontinuu de sinteză, replicarea ambelor lanțuri antiparalele se realizează cu participarea unei enzime, ADN polimeraza, care catalizează extinderea lanțului de nucleotide numai în direcția 5" : 3".

Segmentele scurte de ARN complementare catenei de ADN șablon servesc drept semințe pentru sinteza fragmentelor catenei întârziate. Acești primeri ARN (primeri), constând din aproximativ 10 nucleotide, sunt sintetizați la anumite intervale de timp pe un șablon de catenă întârziată din ribonucleozide trifosfați în direcția 5": 3" folosind enzima primază ARN. Primerii ARN sunt apoi extinși cu deoxinucleotide de la capătul 3’ de către ADN polimeraza, care continuă să se extindă până când catena care este construită ajunge la ARN primerului atașat la capătul 5’ al fragmentului anterior. Fragmentele formate în acest fel (așa-numitele fragmente Okazaki) ale lanțului întârziat în bacterii au 1000-2000 de reziduuri dezoxiribonucleotide; în celulele animale, lungimea lor nu depășește 200 de nucleotide.

Pentru a asigura formarea unui lanț continuu de ADN din multe dintre aceste fragmente, intră în joc un sistem special de reparare a ADN-ului, care elimină primerul ARN și îl înlocuiește cu ADN. În bacterii, primerul ARN este îndepărtat nucleotidă cu nucleotidă datorită activității exonucleazei 5’:3’ a ADN polimerazei. În acest caz, fiecare monomer ribonucleotidic scindat este înlocuit cu dezoxiribonucleotida corespunzătoare (capătul de 3" al fragmentului sintetizat pe lanțul vechi este folosit ca sămânță). Enzima ADN ligază completează întregul proces, catalizând formarea unui fosfodiester. legătura dintre grupa 3"-OH a noului fragment de ADN și gruparea fosfat de 5" a fragmentului precedent. Formarea acestei legături necesită energie, care este furnizată în timpul hidrolizei conjugate a legăturii pirofosfat a coenzimei-nicotinamidă-adenindinucleotide. (în celulele bacteriene) sau ATP (în celulele animale și bacteriofagi).

Desfășurarea dublei helix și a spațiilor. separarea lanțului se realizează folosind mai multe proteine ​​speciale. Helicazele desfășoară porțiuni scurte de ADN chiar înainte de bifurcația de replicare. Separarea fiecărei perechi de baze consumă energia hidrolizei a două molecule de ATP în adenozin difosfat și fosfat. Mai multe molecule de proteine ​​de legare a ADN-ului sunt atașate la fiecare dintre catenele separate, ceea ce împiedică formarea perechilor complementare și reunificarea inversă a catenelor. Datorită acestui fapt, secvențele de nucleotide ale lanțurilor de ADN sunt disponibile pentru sistemul de replicare. Alte proteine ​​specifice ajută primaza să acceseze șablonul de lanț întârziat. Ca rezultat, primaza se leagă de ADN și sintetizează primeri ARN pentru fragmente ale catenei întârziate. Formarea de noi elice nu necesită nicio cheltuială de energie sau participarea unei enzime complementare „de răsucire”.

În cazul unui replicon circular (de exemplu, într-o plasmidă), procesul descris este numit q-replicare. Moleculele de ADN circulare sunt răsucite pe ele însele (supercoilate), atunci când se desfășoară dublu helix în procesul de replicare, acestea trebuie să se rotească continuu în jurul propriei axe. În acest caz, apare stresul de torsiune, care este eliminat prin ruperea unuia dintre lanțuri. Ambele capete sunt apoi reconectate imediat unul la celălalt. Această funcție este îndeplinită de enzima ADN topoizomeraza. Replicarea în acest caz are loc de obicei în două direcții, adică. există două furci de replicare. După ce replicarea este finalizată, apar două molecule dublu catenare, care sunt mai întâi legate între ele ca legături în același lanț. Când se separă, unul dintre cele două inele este rupt temporar.

O variantă alternativă de replicare circulară a repliconului implică o rupere a uneia dintre catenele moleculei de ADN dublu catenar. Capătul 3’ liber rezultat este extins covalent, rămânând legat de șablon (al doilea lanț, neîntrerupt), iar capătul 5’ este înlocuit treptat cu un nou lanț polinucleotidic. În acest fel, un lanț se desfășoară și se prelungește continuu în timp ce furca de replicare alunecă în jurul lanțului matricei inelare (mecanismul inelului de rulare). Pe măsură ce noua catenă crește, catena deplasată cu capătul de 5" eliberat devine un șablon liniar pentru sinteza unei noi catene complementare. Această sinteză pe șablonul liniar continuă până când se formează o catenă fiică de ADN, care este complementară cu o tură. a șablonului circular, adică la întreg. În acest fel, un număr mare de copii complementare pot coborî din șablonul circular. Acest mecanism se găsește la unii virusuri, precum și la un număr de celule eucariote.

O altă schemă de replicare implică formarea unei structuri numită bucla D. Conform acestui mecanism, la început doar unul dintre lanțurile repliconului circular este replicat, în timp ce al doilea lanț, rămânând intact, este deplasat, formând o buclă. Replicarea celei de-a doua catene începe de la un punct de pornire diferit și numai după ce o parte a primei catene a fost replicată. Un astfel de mecanism de replicare a fost găsit, de exemplu, în ADN-ul mitocondrial.

Replicarea ARN (sinteza ARN-ului pe un șablon de ARN) este mai puțin studiată. Se efectuează numai la unii viruși (de exemplu, la virușii poliomielitei și a furiei). Enzima care catalizează acest proces este ARN polimeraza dependentă de ARN (numită și ARN replicază sau ARN sintetază). Există mai multe tipuri de replicare, ARN:

1. virusuri care conțin ARN mesager sau ARNm [i.e. numit (+)ARN], ca rezultat al replicării, formează un lanț complementar [(-)ARN], care nu este ARNm, care este folosit ca matriță pentru sinteza (+)ARN;

2. virusurile care conțin (--) ARN sintetizează (+) ARN ca rezultat al replicării;

3. Virușii care conțin ARN dublu catenar [(+)ARN și (--)ARN] sintetizează (+)ARN ca rezultat al replicării asimetrice.

Ipoteza despre mecanismul de replicare a fost formulată în 1953 de către J. Watson și F. Crick, care au sugerat că două catene de ADN complementare după separarea lor pot acționa ca șabloane pentru formarea de noi catene de ADN pe ele. În 1958, M. Meselson și F. Stahl au confirmat experimental acest mecanism de replicare.