Cпособность клітин підтримувати високу упорядкованість своєї організаціїзалежить від генетичної інформації, яка зберігається у формідезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). ДНК - це речовина, з якоїскладаються гени. Розмноження живих організмів, передача спадкових властивостейз покоління в покоління і розвиток багатоклітинного організму ззаплідненої яйцеклітини можливі тому, що ДНК здатна досамовідтворення. Сам процес самовідтворення ДНК називаєтьсяреплікацією. Іноді використовують також назва-синонім - редуплікація.

Матричний синтез ДНК

Як відомо, генетична інформація записана в ланцюзі ДНК у виглядіпослідовності нуклеотидних залишків, що містять одне з чотирьохгетероциклічних підстав: аденін (A), гуанін (G), цитозін (C) і тимін
(T). Запропонована Дж. Вотсон і Ф. Криком в 1953 році модель будови ДНКу формі регулярної подвійної спіралі відразу ж дозволила зрозуміти принципподвоєння ДНК. Інформаційний зміст обох ланцюгів ДНК ідентично, так яккожна з них містить послідовність нуклеотидів, строговідповідну послідовності іншого ланцюжка. Це відповідністьдосягається завдяки наявності водневих зв'язків між спрямованиминазустріч один одному підставами двох ланцюгів - попарно G і C або A і T.
Описуючи цю властивість подвійної спіралі, молекулярні біологи кажуть, щоланцюга ДНК комплементарні за рахунок утворення Уотсон-криковських пар GРC і
AРT. Оскільки два ланцюги мають протилежну спрямованість, їх називаютьантипаралельних. Легко уявити, що подвоєння ДНК відбуваєтьсявнаслідок того, що ланцюги розходяться, а потім кожна ланцюг служить матрицею,на якій збирається комплементарна нею нова ланцюг ДНК, внаслідокутворюються дві дочірні, двуспіральние, відрізнити по будівлі відбатьківської ДНК молекули. Кожна з них складається з одного ланцюга вихідноїбатьківського молекули ДНК і однією знову синтезованої ланцюга. Такиймеханізм реплікації ДНК, при якому від одного покоління до іншогопередається один з двох ланцюгів, що становлять батьківську молекулу ДНК,отримав назву полуконсерватівного і був експериментально доведено в 1958році М. Мезельсоном і Ф. Сталь.
Крім того, сітезу ДНК характерні такі властивості, як і антипаралельнихуніполярність. Кожна ланцюг ДНК має певну орієнтацію. Один кінецьнесе гідроксильну групу (ОН), приєднаної до 3'-вуглецю в цукрідезоксирибози, на іншому кінці ланцюга знаходиться залишок фосфорної кислоти в
5'-положенні цукру. Дві комплементарні ланцюга в молекулі ДНК орієнтованів протилежних напрямках - антипаралельних (при паралельнійорієнтації навпроти 3'-кінця одного ланцюга перебував би 3'-кінець інший).
Ферменти, які синтезують нові нитки ДНК, так звані ДНК-полімерази, можутьпересуватися уздовж матричних ланцюгів лише в одному напрямку - від їх 3'-решт до 5'-кінців. ? ри цьому синтез комплементарних ниток завжди ведеться в
5 '3' напрямку, тобто уніполярні. Тому в процесі реплікаціїодночасний синтез нових ланцюгів йде антипаралельних.
ДНК-полімерази можуть давати "задній хід", тобто рухатися в напрямку
3 '5'. У тому разі, коли останнє доданий при синтезі нуклеотидніланка виявилася некомплементарним нуклеотиду матричної ланцюга, воно будезаміщено комплементарним нуклеотидів. Відщепів "неправильний" нуклеотид, ДНК -полімераза продовжує синтез в 5 '3' напрямку. Така здатність довиправлення помилок отримала назву коректорської функції ферменту (див.нижче).

ДНК-полімерази
У 1957 році А. Корнберг виявив у кишкової палички фермент,каталізує процес полімеризації ДНК з нуклеотидів, він був названий ДНК -полімеразою. Потім ДНК-полімерази виявили і в інших організмах. Булопоказано, що субстратами всіх цих ферментів служатьдезоксірібонуклеозідтріфосфати (дНТФ), полімеризується на одноланцюжкові
ДНК-матриці. ДНК-полімерази послідовно нарощують одноланцюжкові ланцюг
ДНК, крок за кроком приєднуючи до неї наступні ланки в напрямку від 5 - 'до
3'-кінця, причому вибір чергового дНТФ диктується матрицею. Приєднаннякожного нового нуклеотидної залишку до 3'-кінця зростаючої ланцюгасупроводжується гідролізом багатою енергією зв'язку між першим і другимфосфатними залишками в дНТФ і відщеплення пірофосфату, що робить реакцію вцілому енергетично вигідною.
У клітинах зазвичай присутні кілька типів ДНК-полімерази, що виконуютьрізні функції і мають різну будову: вони можуть бути побудовані зрізної кількості білкових ланцюгів (субодиниць), від однієї до десятків.
Проте всі вони працюють на будь-яких послідовності нуклеотидів матриці;завдання цих ферментів-зробити точну копію кожної матриці.

Точність синтезу ДНК і механізм корекції
Генетичний матеріал живих організмів має величезні розміри іреплікується з високою точністю. У середньому в процесі відтвореннягеному ссавця, що складається з ДНК довжиною 3 млрд пар нуклеотидів,виникає не більше трьох помилок. При цьому ДНК синтезується надзвичайношвидко (швидкість її полімеризації коливається в межах від 500нуклеотидів/с у бактерій до 50 нуклеотидів/с у ссавців). Високаточність реплікації, поряд з її високою швидкістю, забезпечується наявністюспеціальних механізмів, що здійснюють корекцію, тобто усуваютьпомилки. Суть механізму корекції полягає в тому, що ДНК-полімеразидвічі перевіряють відповідність кожного нуклеотиду матриці: один раз передвключенням його до складу зростаючої ланцюга і другий раз перед тим, як включитиНаступне нуклеотид. Чергова фосфодіефірная зв'язок синтезується лише втому випадку, якщо останній (3'-кінцевий) нуклеотид зростаючої ланцюга ДНКутворив правильну Уотсон-криковських пару з відповідним нуклеотидівматриці. Якщо ж на попередній стадії реакції відбулося помилковеспаровування підстав, то подальша полімеризація зупиняється до тихпір, поки помилка не буде виправлена. Для цього фермент переміщується взворотному напрямку і вирізає останнє доданий ланка, після чого йогомісце може зайняти правильний нуклеотідпредшественнік. Іншими словами,багато хто (але не всі) ДНК-полімерази володіють, крім 5'-3'-синтетичноїактивності, ще й 3'-гідролізуючи активністю, яка забезпечуєвидалення помилково спарених з матрицею нуклеотидів.

Основні принципи реплікації
Основні правила, відповідно до яких відбувається реплікація, булиз'ясовані в дослідах з бактеріями, однак вони справедливі також і для вищихорганізмів.

Ініціація ланцюгів ДНК
ДНК-полімерази не можуть починати синтезу ДНК на матриці, а здатні тількидодавати нові дезоксірібонуклеотідние ланки до 3'-кінця вже наявноїполінуклеотидних ланцюга. Таку заздалегідь утворену ланцюг, до якоїдодаються нуклеотиди, називають затравкою. Коротку РНК-затравкисинтезує з рібонуклеозідтріфосфатов фермент, що не володієкоректує активністю і званий ДНК-Праймаза (від англ. primer --запал). Праймазная активність може належати або окремомуферменту, або однією з субодиниць ДНК-полімерази. Запал,синтезована цим неточним ферментом, які не вміють виправляти помилки,відрізняється від решти новосинтезованих ланцюга ДНК, оскільки складається зрібонуклеотідов, і далі може бути вилучена.
Розмір рібонуклеотідной затравки невеликий (менше 20 нуклеотидів) у порівнянніз розміром ланцюга ДНК, утвореною ДНК-полімеразою. Виконавши свою функцію
РНК-запал віддаляється спеціальним ферментом, а утворена при цьому проломзашпаровуються ДНК-полімеразою, що використовує в якості затравки 3'-ОН-кінецьсусіднього фрагмента Окадзакі (див нижче). Видалення крайніх РНК-праймерів,комплементарних 3'-кінців обох ланцюгів лінійної материнської молекули ДНК,призводить до того, що дочірні ланцюга виявляються коротший на 10-20 нуклеотидів
(у різних видів розмір РНК-затравок різний). У цьому полягає такзвана "проблема недореплікаціі решт лінійних молекул". У разіреплікації кільцевих бактеріальних ДНК цієї проблеми не існує, тому щоперший за часом освіти РНК-затравки видаляються ферментом, якийодночасно заповнює пролом що утворюється шляхом нарощування 3'-ОН-кінцязростаючої ланцюга ДНК, спрямованої в "хвіст" видаляється праймери. Проблеманедореплікаціі 3'-решт лінійних молекул ДНК вирішується еукаріотичнихклітинами за допомогою спеціального ферменту - теломерази.
Робота теломерази
У 1985 році він був виявлений у равнореснічной інфузорії Tetrahymenathermophila, а згодом - в дріжджах, рослинах і тварин, у тому числів яєчниках людини і імморталізованних (безсмертних) лініях ракових клітин
HeLa. Теломераза є ДНК-полімеразою, добудовують 3'-кінці лінійнихмолекул ДНК хромосом короткими (6-8 нуклеотидів) повторюванимипослідовностями (у хребетних TTAGGG). Згідно з номенклатурою, цейфермент називають ДНК-уклеотіділекзотрансферазой або теломернатермінальної трансферази. Крім білкової частини теломераза містить РНК,що виконує роль матриці для нарощування ДНК повторами. Довжина теломеразной
РНК коливається від 150 нуклеотидів у найпростіших до 1400 нуклеотидів удріжджів, у людини - 450 нуклеотидів. Сам факт наявності в молекулі РНКпослідовності, за якою відбувається матричний синтез шматка ДНК, дозволяєтеломеразу віднести до своєрідної зворотного транскриптазі, тобто ферменту,здатного вести синтез ДНК по матриці РНК.
В результаті того що після кожної реплікації дочірні ланцюга ДНК виявляютьсякоротше материнських на розмір першого РНК-праймера (10-20 нуклеотидів),утворюються виступаючі однониткових 3'-кінці материнських ланцюгів. Вони-то івпізнаються теломераза, яка послідовно нарощує материнські ланцюга
(у людини на сотні повторів), використовуючи 3'-ОН-кінці їх якзатравок, а РНК, що входить до складу ферменту, як матрицю.
Що утворюються довгі одноланцюжкові кінці, у свою чергу, служать матрицямидля синтезу дочірніх ланцюгів за традиційним реплікативного механізму.
Поступове вкорочення ДНК хромосом під час реплікації є однією зтеорій "старіння" клітинних колоній. Ще у 1971 році вітчизняний учений
А.М. Оловніков у своїй теорії маргінотоміі (від лат. Marginalis-крайової,tome - розтин) припустив, що це явище лежить в основі обмеженогопотенціалу подвоєння, яка спостерігається у нормальних соматичних клітин,зростаючих в культурі in vitro, так званого "ліміту Гейфліка".
Американський вчений Леонард Гейфліка на початку 60-х років показав, що якщодля культивування взяти клітини новонароджених дітей, то вони можуть пройти
80-90 поділів, у той час як соматичні клітини від 70-річних ділятьсятільки 20 - 30 разів. Обмеження на кількість клітинних поділів і називаютьлімітом Гейфліка.

розплітання подвійної спіралі ДНК
Оскільки синтез ДНК відбувається на одноланцюжкові матриці, йому повиннопередувати обов'язкове розділення (хоча б на час) двох ланцюжків ДНК.
Дослідження, проведені на початку 60-х років на реплікуютьсяхромосомах, виявили особливу, чітко обмежену область реплікації,переміщається уздовж батьківського спіралі ДНК і характеризується місцевимрозходженням двох її ланцюгів. Ця активна область з-за своєї Y-образноїформи була названа Реплікаційний виделкою. Саме в ній ДНК-полімеразисинтезують дочірні молекули ДНК. За допомогою електронної мікроскопіїреплікується ДНК удалосьустановіть, що область, яка вжереплікованих, має вигляд вічка всередині нерепліціровавшейся ДНК. Важливовідзначити, що Реплікаційний вічко утворюється лише в тих місцяхмолекули, де знаходяться специфічні нуклеотидні послідовності. Ціпослідовності, що отримали назву точок початку реплікації, складаютьсяприблизно з 300 нуклеотидів. Залежно від того, в одному або вдвох напрямках відбувається реплікація (а це залежить від природиорганізму), вічко містить одну або дві Реплікаційний вилки.
Послідовне рух Реплікаційний вилки призводить до розширеннявічка.
Подвійна спіраль ДНК дуже стабільна, для того щоб вона розкрилася,необхідні особливі білки. Спеціальні ферменти ДНК-Гелікази швидко рухаютьсяпо одиночній ланцюга ДНК, використовуючи для переміщення енергію гідролізу ATФ.
Зустрічаючи на шляху ділянку подвійної спіралі, що вони розривають водневі зв'язкиміж основами, розділяють ланцюга і просувають Реплікаційний вилку. Слідомза цим з поодинокими ланцюгами ДНК зв'язуються спеціальні дестабілізуючіспіраль білки, які не дозволяють поодиноким ланцюгів ДНК зімкнутися. Прицьому вони не закривають основ ДНК, залишаючи їх доступними для спарювання.
Не слід забувати, що комплементарні ланцюга ДНК закручені один навколоодного в спіраль. Отже, для того щоб Реплікаційний вилка моглапросуватися вперед, вся ще не подвоєна частина ДНК повинна була б дужешвидко обертатися. Ця топологічна проблема вирішується шляхом утворення вспіралі свого роду "шарнірів", що дозволяють ланцюгів ДНК розкрутитися.
Що належать до особливого класу білки, що називаються ДНК-топоізомераз,вносять в ланцюг ДНК одноїм дволанцюжкові розриви, що дозволяють ланцюгів ДНКрозділитися, а потім закладають ці розриви. Топоізомерази беруть участь такожв розчеплення зачеплених дволанцюжкові кілець, що утворюються при реплікаціїкільцевих двунітевих ДНК. За допомогою цих важливих ферментів подвійна спіраль
ДНК в клітині може приймати "смугами" форму з меншим числом витків;в такій ДНК легше відбувається розбіжність двох ланцюжків ДНК в Реплікаційнийвилці.

Переривчастих синтез ДНК
Легко уявити, що реплікація відбувається шляхом безперервного зростаннянуклеотиду за нуклеотидів обох нових ланцюгів в міру переміщенняРеплікаційний вилки; при цьому, оскільки два ланцюга в спіралі ДНКантипаралельних, одна з дочірніх ланцюгів повинна була б зростати в напрямку
5'-3 ', а інша в напрямку 3'-5'. У дійсності, однак, виявилося,що дочірні ланцюга ростуть тільки в напрямку 5'-3 ', то є завждиподовжується 3'-кінець затравки, а матриця зчитується ДНК-полімеразою внапрямку 3'-5 '. Це твердження на перший погляд здається несумісним зрухом Реплікаційний вилки в одному напрямку, що супроводжуєтьсяодночасним зчитуванням двох антипаралельних ниток. Розгадка секретуполягає в тому, що синтез ДНК відбувається безперервно тільки на одній зматричної ланцюгів. На другому матричної ланцюга ДНК синтезується порівнянокороткими фрагментами (довжиною від 100до 1000 нуклеотидів, залежно відвиду), названими по імені виявив їх вченого фрагментами Окадзакі).
Новостворена ланцюг, що синтезується безперервно, називаєтьсяведучою, а інша, що збирається з фрагментів Окадзакі, що відстає. Синтезкожного з цих фрагментів починається з РНК-затравки. Через деякий час
РНК-затравки видаляються, проломи забудовуються ДНК-полімеразою і фрагментизшиваються в одну безперервний ланцюг ДНК спеціальним ферментом.

Кооперативний дію білків Реплікаційний вилки.
До цих пір ми говорили про участь окремих білків у реплікації так, якніби-то вони працюють незалежно один від одного. Тим часом удійсності більша частина цих білків об'єднана в великий комплекс,який швидко рухається вздовж ДНК та злагоджено здійснює процесреплікації з високою точністю. Цей комплекс порівнюють з малесенькою
"швейної машиною": "деталями" його служать окремі білки, а джереломенергії - реакція гідролізу нуклеозідтріфос фатов. Спіраль розплітається ДНК -Гелікази; цього процесу допомагають ДНК-топоізомераза, розкручують ланцюги
ДНК, і безліч молекул що дестабілізує білка, що зв'язуються з обомаодиночними ланцюгами ДНК. В області вилки діють два ДНК-полімерази - наведучої і відстає ланцюга. На провідною ланцюга ДНК-полімераза працюєбезперервно, а на відстає фермент час від часу перериває і зновувідновлює свою роботу, використовуючи короткі РНК-затравки, синтезовані
ДНК-Праймаза. Молекула ДНК-Праймаза безпосередньо пов'язана з ДНК -Гелікази, утворюючи структуру, яка називається праймосомой. Праймосома рухається внапрямку розкриття Реплікаційний вилки і по ходу руху синтезує
РНК-затравки для фрагментів Окадзакі. У цьому ж напрямі рухається ДНК -полімераза провідною ланцюга і, хоча на перший погляд це важко уявити,
ДНК-полімераза відстає ланцюга. Для цього, як вважають, останнянакладає ланцюг ДНК, яка служить їй матрицею, саму на себе, що ізабезпечує розворот ДНК-полімерази відстає ланцюга на 180 градусів.
Узгоджена рух двох ДНК-полімерази забезпечує координовануреплікацію обох ниток. Таким чином, у репліційний вилці одночаснопрацюють близько двадцяти різних білків (з яких ми назвали тільки частина),здійснюючи складний, високоупорядоченний і енергоємний процес.

Узгодженість процесів реплікації ДНК і клоеточного поділу
Клітині перед кожним діленням повинна синтезувати копіївсіх своїх хромосом. Реплікація ДНК еукаріотичної хромосомиздійснюється за допомогою поділу хромосоми на безліч окремихрепліконов. Такі реплікони активуються не всі одночасно, протеклітинного поділу повинна передувати обов'язкова одноразовареплікація кожного з них. Зі сказаного ясно, що за хромосомі еукаріотів вкожний момент часу може рухатися незалежно один від одного безлічРеплікаційний вилок. Зупинка просування вилки відбувається тільки призіткненні з іншого виделкою, що рухається в протилежному напрямку, абопо досягненні кінця хромосоми. У результаті вся ДНК хромосом ми в короткийтермін виявляється реплікованих. Після збірки на молекулі ДНК хромосомнихбілків кожна пара хромосом у процесі мітозу впорядковано розділяється задочірнім клітинам.

Висновки
Процес реплікації ДНК узгоджений з клітинним поділом і требуетсовместногодії багатьох білків. У ньому беруть участь:
1. ДНК-Гелікази і дестабілізують білки; вони розплітає подвійну спіральбатьківської ДНК і формують Реплікаційний вилку.
2. ДНК-полімерази, які каталізують синтез полінуклеотидних ланцюга ДНК внапрямку 3'-5, копіюючи в Реплікаційний вилці матрицю з високим ступенемточності. Оскільки два ланцюги подвійної спіралі ДНК антипаралельних, внапрямку 5'-3 'безперервно синтезується лише один з двох ланцюгів,ведуча, інша ланцюг, отстающа, синтезується у вигляді коротких фрагментів
Окадзакі. ДНК-полімераза здатна до виправлення власних помилок, але неможе самостійно почати синтез нової лінії.
3. ДНК-Праймаза, яка каталізує короткі молекули РНК-затравки.
Згодом фрагменти РНК видаляються - їх замінює ДНК.
4.Теломераза, закінчуються побудова недореплікацірованих 3'-рештлінійних молекул ДНК.
5. ДНК-топоізомерази, що допомагають вирішити проблеми кручення і сплутуванняспіралі ДНК.
6. Ініціаторние білки, що зв'язуються в точці початку реплікації ісприяють утворенню нового Реплікаційний вічка з однією або двомавиделками. У кожній з вилок слідом за ініціаторнимі білками до розплетеною
ДНК спочатку приєднується білковий комплекс, що складається з ДНК-Гелікази і
ДНК-Праймаза (праймосома).
Потім до праймосоме додаються інші білки і виникає "Реплікаційниймашина ", яка і здійснює синтез ДНК.

Література
1. О. О. Фаворова. Збереження ДНК у ряду популяцій: реплікація ДНК.
Соросівський освітній журнал, 1996 р.
2. Г.М. Димшиц. Проблема раеплікаціі решт лінійних молекул і теломераза.
Соросівський освітній журнал, 2000 р.