1. Напівконсервативна модель Уотсона–Кріка
У 1953 році Уотсон і Крік, описавши двоспіральну структуру ДНК, запропонували механізм реплікації: кожен ланцюг батьківської спіралі слугує матрицею для нового комплементарного ланцюга.
У 1958 р. Месельсон і Сталь довели це експериментально за допомогою ізотопу ¹⁵N: після однієї реплікації кожна молекула дочірньої ДНК містить один старий ланцюг і один новий — звідси назва «напівконсервативна».
🧬 Напівконсервативність: A−T → A−T та T−A нова, G−C → G−C та C−G нова. Точність забезпечується водневими зв'язками комплементарних пар і коробочкою вичитування ДНК-полімерази.
2. Ферменти реплікації
Реплікація — командна робота десятків білків. Ось ключові гравці:
| Фермент | Функція | Особливість |
|---|---|---|
| Геліказа | Розплітає подвійну спіраль | Рухається 3′→5′, споживає ATP |
| SSB-білки | Стабілізують одноланцюгові ділянки | Запобігають повторному скручуванню |
| Топоізомераза | Знімає супернакрутку перед вилкою | Тип I і II відрізняються механізмом |
| Праймаза | Синтезує РНК-праймери (~10 нт) | ДНК-пол. не може почати de novo |
| ДНК-полімераза III | Подовжує ланцюг 5′→3′ | Точність ~10⁻⁷; потребує праймер |
| ДНК-полімераза I | Замінює РНК-праймери ДНК | 5′→3′ ексонуклеазна активність |
| ДНК-лігаза | Зшиває фрагменти (приєднує за ATP) | 5′-фосфат + 3′-OH → фосфодіестерний зв'язок |
3. Провідний і відстаючий ланцюги
ДНК-полімераза синтезує ланцюг тільки у напрямку 5′→3′. Оскільки матричні ланцюги антипаралельні, реплікація на них відбувається по-різному:
⬆ Провідний ланцюг (leading strand)
Синтезується безперервно у напрямку розкриття реплікаційної вилки. Потрібен лише один РНК-праймер на початку.
⬇ Відстаючий ланцюг (lagging strand)
Синтезується фрагментами у протилежному напрямку від вилки — фрагменти Оказакі (100–2000 нт у різних організмів). Кожен фрагмент потребує свого РНК-праймера.
4. Фрагменти Оказакі
У 1968 р. Рейдзі Оказакі з дружиною Цунеко показали переривчастий синтез відстаючого ланцюга. Процес на відстаючому ланцюзі три фази:
- Праймаза синтезує короткий РНК-праймер (5′→3′).
- ДНК-полімераза III подовжує фрагмент до наступного праймера.
- ДНК-полімераза I замінює РНК-праймер ДНК, а лігаза зшиває фрагменти.
📏 У прокаріотів (E. coli) фрагменти Оказакі мають довжину ~1000–2000 нт; у еукаріотів — ~100–200 нт, що пов'язано з нуклеосомною структурою хроматину.
5. Точки початку реплікації (ori)
Реплікація починається в специфічних послідовностях — origin of replication (ori). Бактерія E. coli має лише одну точку ori (oriC) і дві біжучі вилки. Людська клітина — тисячі ori по всіх 23 хромосомах, що дозволяє реплікувати 6×10⁹ п.н. за кілька годин (S-фаза).
6. Проблема кінців і теломери
ДНК-полімераза не може синтезувати до самого кінця лінійної хромосоми: після видалення останнього РНК-праймера на 3′-кінці матриці залишається одноланцюгова ділянка. Щоразу хромосоми б коротшали.
Рішення — теломери: повторювані некодуючі послідовності (TTAGGG)ₙ у людини, що слугують буфером. Фермент теломераза (зворотна транскриптаза + РНК-матриця) подовжує теломери у статевих і стовбурових клітинах. У соматичних клітинах теломераза неактивна — теломери вкорочуються із кожним поділом, обмежуючи кількість поділів (межа Хейфліка ~50–70).
7. Точність і репаративна реплікація
ДНК-полімераза III має вбудовану 3′→5′ ексонуклеазну активність — «коректор» (proofreading): якщо неправильний нуклеотид включений, вілка зупиняється, ексонуклеаза його вирізає, і синтез продовжується. Після цього системи репарації (MMR, BER, NER) виправляють залишкові помилки.