Краткое содержание: Параграф § 26 / Биология 10 класс

Процесс репликации ДНК: Самоудвоение генетического материала

Процесс самоудвоения молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) называется репликацией (или редупликацией) и является ключевым событием синтетического периода интерфазы клеточного цикла. Точное копирование генетической информации необходимо для её передачи от материнской клетки к дочерним клеткам при последующем делении.

Основные принципы репликации

• Комплементарность: Каждая из двух цепей исходной ДНК содержит последовательность нуклеотидов, которая служит матрицей. Новая цепь строится строго по принципу комплементарности, где аденин (А) всегда соединяется с тимином (Т), а гуанин (Г) — с цитозином (Ц). Если исходная цепь имеет последовательность А, то матрицей для синтеза новой цепи А' будет комплементарная ей цепь.
• Полуконсервативный синтез: Дочерняя молекула ДНК всегда состоит из одной старой (материнской) цепи и одной вновь синтезированной цепи. Таким образом, в дочерних молекулах ДНК сохраняется половина генетического материала исходной молекулы. Это делает дочерние молекулы ДНК полностью идентичными исходной материнской молекуле.
• Антипараллельность: Две цепи в молекуле ДНК ориентированы в противоположных направлениях. Нуклеотид в начале одной цепи имеет остаток фосфорной кислоты, связанный с 5'-атомом дезоксирибозы, а в конце — свободную гидроксильную группу при 3'-атоме углерода. Соответственно, синтез новой цепи всегда происходит только в направлении от 5'-конца к 3'-концу.

Механизм репликации ДНК: Стадии

Процесс репликации делится на три основные стадии:

1. Инициация (Начало): Репликация начинается с раздвоения двойной спирали. Специальные белки, включая ДНК-расплетающий белок (хеликазу), разрывают водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями, расплетая двойную спираль. Образуется репликационная вилка. Другие белки предотвращают повторное соединение разделенных цепей и обеспечивают эффективную работу ДНК-полимеразы.
2. Элонгация (Удлинение): На этой стадии фермент ДНК-полимераза, используя принципы комплементарности и антипараллельности, строит новые цепи, двигаясь по матрице в направлении \( 5' \to 3' \).
   • Ведущая цепь (лидирующая): Синтезируется непрерывно, так как направление её синтеза \( 5' \to 3' \) совпадает с направлением движения репликационной вилки.
   • Отстающая цепь (лагающая): Синтезируется прерывисто, в виде коротких отрезков (фрагментов Оказаки), так как её синтез должен идти в направлении, обратном движению репликационной вилки. После синтеза фрагменты Оказаки объединяются с помощью фермента ДНК-лигазы. В результате репликационная вилка является асимметричной.
3. Терминация (Завершение): Репликация заканчивается, когда дочерние молекулы ДНК отделяются от ферментного комплекса. В процессе синтеза фермент ДНК-полимераза осуществляет корректирующую функцию (репарацию), исправляя ошибки, возникающие при неверном включении нуклеотидов, что обеспечивает высокую точность передачи наследственной информации.

Шпаргалка по матричному синтезу ДНК

• Репликация (Редупликация): Процесс самоудвоения молекулы ДНК, происходящий в синтетический период (S-фаза) интерфазы. Обеспечивает точное копирование генетической информации.
• Основные принципы:
  • Комплементарность: А связывается с Т, Г связывается с Ц.
  • Полуконсервативный синтез: Дочерняя ДНК состоит из одной материнской (старой) и одной новой цепи.
  • Антипараллельность: Цепи ДНК ориентированы противоположно (\( 5' \to 3' \) и \( 3' \to 5' \)).
• Ключевые ферменты и белки:
  • ДНК-полимераза: Катализирует синтез новой цепи ДНК в направлении \( 5' \to 3' \). Обладает корректирующей функцией (репарация).
  • ДНК-расплетающий белок (Хеликаза): Расплетает двойную спираль ДНК, разрывая водородные связи.
  • ДНК-лигаза: Соединяет фрагменты Оказаки на отстающей цепи.
  • ДНК-связывающие белки: Предотвращают повторное соединение разделенных цепей.
• Стадии репликации: Инициация \(\to\) Элонгация \(\to\) Терминация.
• Репликационная вилка: Участок ДНК, где происходит расплетение двойной спирали и синтез новых цепей.
• Ведущая (лидирующая) цепь: Синтезируется непрерывно.
• Отстающая (лагающая) цепь: Синтезируется прерывисто, в виде фрагментов Оказаки.
• Ключевые фигуры (эксперимент): В 1958 году М. Мезельсон и Ф. Шталь экспериментально подтвердили полуконсервативный принцип репликации, используя изотопы азота \(^{15}\)N и \(^{14}\)N.