Характеристика нуклеїнових кислот

Для передачі генетичної інформації з ядра, де знаходиться ДНК, потрібна ІРНК. її синтез на матриці ДНК (транскрипція) необхідний дляперенесення інформації до цитоплазми, де на рибосомах відбувається синтез поліпептидно-го ланцюга (трансляція), в якому беруть участьіРНК,рРНК,тРНК.

Транскрипція генетичної інформації з ДНК на РНК і є першим кроком потоку біологічної інформації. РНК-продукт не залишаєтьсякомплементарно зв'язаним з ДНК-матрицею. Щойно після синтезу РНК подвійна спіраль ДНК відновлюється. Наступний крок - транс­ляція мРНК. Веукаріотичних клітинах тривалість існу­вання цієї молекули різна - від 30 хв. до 10 год.

Отже, генетична інформація записана в лінійній послідовності нуклеотидів ДНК. За участі РНК ця інформація надходить (транслюється) до рибосом з утворенням поліпептиду з амінокислот.

Потік біологічної інформації відбувається таки­ми шляхами:

Переконливі докази того, що саме з ДНК пов'я­зана передача спадкової інформації, отримані при ви­вченні вірусів. Проникаючи в клітину, вони вносять у неї лише нуклеїнову кислоту з дуже невеликою кіль­кістю білка, а вся білкова оболонка залишається поза клітиною. Отже, введена у клітину ДНК передає ге­нетичну інформацію, необхідну для утворення тако­го ж біологічного виду. Виявлено, що чиста нуклеї­нова кислота вірусу тютюнової мозаїки може зара­зити рослину і викликає типову картину захворюван­ня. Більш того, вдалося штучно створити вегетативні "гібриди" із вірусів, у яких білковий футляр належить одному виду, а нуклеїнова кислота - іншому. У таких випадках генетична інформація "гібридів" завжди зточністю відповідала тому вірусу, нуклеїнова кисло­та якого входила до складу "гібриду".

Трансформація(від лат. transformatio - пере­творення) - включення чужорідної ДНК у геном клітини-хазяїна, що призводить до зміни її структур­них і функціональних властивостей. Перенесення спадкової інформації від однієї клітини до іншої здійс­нюється за допомогою ДНК клітини-донора. Яви­ще трансформації було виявлено в дослідах англій­ського мікробіолога Гріффітса (1928) .

Трансдукція ( від лат. transductio — переміщен­ня) полягає в тому, що віруси, залишивши бактері­альні клітини, в яких вони паразитували, можуть за­хоплювати частину їх ДНК і, потрапивши в нові клітини, передають новим хазяїнам властивості по­передніх. Це явище вперше було відкрито в дослі­дженнях по зараженню бактерій вірусами.

Кон'югація(від лат. conjugatio - з'єднання) -це перенесення генетичного матеріалу від однієї бактерії до іншої шляхом утворення цитоплазматич­ного містка, переміщення частини ДНК та її інтег­рація з геномом клітини-реципієнта. Будова молекулиДНК.Макромолекула ДНК -це два довгі полімерні ланцюги, що складаються з мономерів дезоксирибонуклеотидів, тісно з'єднаних між собою. Нитки ДНК з'єднуютьсяводневими зв'язками між азотистими основами двох ланцюгів і утворюють подвійну спіраль ДНК. Таку модель будови ДНК запропонували в 1953 р. Дж. Уотсон і Ф. Крік. Вони використовували також дані, отримані іншими вченими (Р. Франклін, М. Уілкінс, Е. Чаргафф), які за допомогою рентгенівської ди­фракції й інших методів вивчали фізичну та хімічну природу ДНК. Пуринові та піримідинові основи взає­модіють одна з одною. Аденін одного ланцюга дво­ма водневими зв'язками з'єднується з тиміном іншого ланцюга, а гуанін - трьома водневими зв'яз­ками з цитозином. Таке сполучення азотистих ос­нов забезпечує міцний зв'язок обох ланцюгів. Два полінуклеотидні ланцюги ДНК антипаралельні. Тобто, 5'-кінець одного ланцюга з'єднаний із З'-кінцем іншо­го, і навпаки. Генетична інформація записана по­слідовністю нуклеотидів у напрямку від 5'-кінця до З'-кінця. Така нитка називається "змістовною", саме тут розташовані гени (матричний ланцюг). Дру­гий ланцюг у напрямку 3'-5' вважається "анти-змістовним". Він необхідний як "еталон" збережен­ня генетичної інформації і набуває значення у проце­сах реплікації та репарації.

Два довгі антипаралельні полімерні ланцюги, що складаються із дезоксирибонуклеотидів, міцно з'єднані між собою водневими зв'язками. В резуль­таті цього утворюється подвійна спіраль, закруче­на навколо центральної осі.

Рентгеноструктурний аналіз показав, що діаметр подвійної спіралі складає 2 нм, відстань між двома завершеними витками - 3,4 нм. У кожний виток входить 10 пар нуклеотидів. Відстань між сусідні­ми основами складає 0,34 нм.

Нуклеотиди. ДНК - це полімерна молекула, мономерами в якій є иуклеотиди. Нуклеотид скла­дається з: 1) азотистої основи; 2) моносахаридуде­зоксирибози (в нуклеотидах РНК - рибози); 3) за­лишку фосфорної кислоти.

Азотисті основи бувають двох типів: пуринові -аденін (А) і гуанін (Г) і піримідинові - тимін (Т) і цитозин (Ц).

До складу молекули ДНК входять чотири типи нуклеотидів: дезоксиаденозин-монофосфат (дАМФ), дезоксигуанін-монофосфат (дГМФ),дезокситимі-дин-монофосфат (дТМФ), дезоксицитозин-моно-фосфат (дЦМФ). Сполучення нуклеотидів у моле­кулі ДНК відбувається в результаті взаємодії фос­фату одного нуклеотиду з гідроксильною групою де­зоксирибози іншого. В результаті утворюється фос-фодиефірний зв'язок, що об'єднує нуклеотиди в дов­гий ланцюжок. Скелет ланцюга складається з мо­лекул фосфату і пентоз, що чергуються. Синтез полі-нуклеотидноголанцюга відбувається за участю фер­менту ДНК-полімерази. Цей фермент приєднує фосфатну групу одного нуклеотиду до гідроксиль­ної групи дезоксирибози наступного.

Комплементарність пар основ. Два полінук­леотидні ланцюги ДНК не є ідентичними, але вони комплементарні один одному. Це по­в'язано із строгою відповідністю основ одного лан­цюга основам іншого. Відстань між двома ланцю­гами ДНК - 2 нм, що дозволяє вмістити тільки одну пару А-Т або Г-Ц, які відповідають цим розмірам. Тільки аденін і тимін, а також гуанін і цитозин ма­ють відповідні просторові структури для утворенняводневих зв'язків. Концепція специфічного зв'язу­вання пар основ свідчить, що аденін в одному лан­цюгу повинен відповідати тиміну в іншому, а гуанін повинен мати навпроти себе цитозин в іншому лан­цюгу. Таким чином, два ланцюги ДНК комплемен­тарні один одному. Колінеарність (від лат. collineare - мітити, направ­ляти) - властивість, що зумовлює відповідність між послідовностями триплетів нуклеотидів (кодонів) нуклеїнових кислот і амінокислот поліпептидних лан­цюгів. Тобто, послідовність амінокислот білка, в якій відповідні кодони розташовуються в гені. Це озна­чає, що положення кожної амінокислоти в поліпеп-тидному ланцюгу білка залежить від положення відповідного триплету в гені. Генетичний код вва­жається колінеарним, якщо кодони нуклеїнових кис­лот і відповідні їм амінокислоти білка розташовані в однаковому лінійному порядку.

Правила Е. Чаргаффа.

Вивчаючи хімічний склад ДНК в 1950 році, Ервін Чаргаффсформулював важливі положення щодо структу­ри ДНК:

I. Молярна частка пуринів (аденіну - А і гуа­ніну - Г) дорівнює молярній частці піримідинів (ци­тозину - Ц і тиміну - Т):

А+Г=Ц+Т,або А+Г/Ц+Т=1

II. Кількість аденіну і цитозину дорівнюєкількості гуаніну і тиміну:

А+Ц=Г+Т,або А+Ц/Г+Т=1

III.Кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину:

А=Т, або А/Т=1,Г=Ц, або Г/Ц=1

IV.Відношення суми молярних концентрацій Г+Ц до суми молярних концентрацій А+Т у різних
видів значно змінюється: Г+Ц/А+Т названо коефі­цієнтом специфічності. Для бактерій коефіцієнт специфічності дорівнює 0,45-2,8, для вищих рослин, тварин і людини - 0,45-0,94.

V. Існують види ДНК, в яких А+Т > Г+Ц (АТ-тип) та ДНК, в яких А+Т<Г+Ц (ГЦ-тип).

АТ-тип ДНК характерний для вищих рослин, тварин і лю­дини. ГЦ-тип властивий грибам, бактеріям, вірусам.

Ці правила є основою встановлення хімічної і фізичної природи ДНК, просторової структури мо­лекули, а також механізму генетичного коду.

Видова специфічність ДНК. За співвідношен­ням (А+Т) і (Г+Ц) представники різних видів різняться між собою, причому у тварин переважаєпара А+Т, а у мікроорганізмів співвідношення (А+Т) і (Г+Ц) однакове. Ці явища використовують як один із генетичних критеріїв визначення виду. У цьому полягає індивідуальна специфічність ДНК. У таб­лиці 1.9 наведено приклади співвідношення основ ДНК різних видів організмів.

Просторова організація ДНК Молекула ДНК може існувати в різній конфігурації залежно від на­вколишніх умов. Відомо декілька форм ДНК:а) В-форма - має стандартну структуру відповідно до мо­делі молекули Уотсона і Кріка і в нормальних фізіо­логічних умовах є основним структурним типом;

б) А-форма - виявлена у зневодненому середовищі при високому вмісті калію і натрію. Така ДНК має дещо змінену спіралізацію;

в) С-форма - має мен­ше основ на один виток, а значить інші - фізичні характеристики;

г) Z-форма - на відміну від інших форм, закручена вліво.

Деякі форми при зміні фізіо­логічних умов можуть переходити одна в одну, що додатково регулює роботу генів. Знання структури ДНКдозволило зрозуміти суть багатьох молеку­лярно-генетичних процесів.

Отже, в молекулі ДНК можна виділити первин­ну структуру — послідовність нуклеотидів у ланцю­гу, вторинну структуру - два комплементарніанти-паралельні ланцюги, з'єднані водневими зв'язками, і третинну структуру - тривимірну спіраль. Зазна­чимо, що: а) геометрія спіралі ДНК залежить від послідовності нуклеотидів; б) значна частина ДНК не кодує білків або РНК; в) кожний ген - це склад­на функціонально-активна одиниця, призначена для регульованого синтезу РНК.

Рибонуклеїнові кислоти (РНК). Спадкова інформація зберігається в молекулі ДНК. Проте ДНК не бере участі в життєдіяльності клітин. Рольпосередників у передачі спадкової інформації від ДНК у цитоплазму відіграють рибонуклеїнові кис­лоти. Взаємовідносини ДНК, РНК і білків можнапредставити у вигляді схеми ДНК —> РНК —> білок.

У цьому випадку один з ланцюгів ДНК є матри­цею для молекул РНК, що, зокрема, є матрицями синтезу білків або входять до складу рибосом чи переносять амінокислоти.

РНК мають вигляд довгих нерозгалужених полі­мерних молекул, що складаються з одного ланцю­га. Одноланцюгові РНК можуть утворювати под­війні спіралі, якщо різні частини ланцюга мають антипаралельні комплементарні сегменти, пов'язані один з одним. У частини вірусів РНК єносієм спадкової інформації за відсутності ДНК. Деякі РНК мають каталітичну активність на певні клітинні процеси. РНК - полімеррибонуклеотидів, що складаються із фосфорної кислоти, рибози й азо­тистих основ (аденін, гуанін, цитозин, урацил). Ри­боза разом із залишками фосфорної кислоти утво­рює скелет молекули, на якому розташовані азотисті основи. Усі різновиди РНК синтезуються на моле­кулах ДНК за участю ферментів РНК-полімераз на основі принципу комплементарності. При цьому в синтезованій молекулі аденін ДНК комплементарний урацилу РНК, а гуанін - цитозину. Якщо вміст ДНК у клітинах постійний, то вміст РНК дуже ко­ливається у залежності від типу клітини, інтенсив­ності метаболізму і синтезу білків.

Молекули РНК мають багато спільного зі струк­турою ДНК, але відрізняються низкою ознак:

а) вуг­леводом РНК є рибоза,

б) РНК не містить тиміну, його місце в молекулі займає урацил,

в) РНК - одноланцю-гова молекула,

г) правила Чаргаффа не виконуються.

Типи РНК На основі розміру, структури і функції молекул розрізняють три типи РНК, характерних як для прокаріотів, так і для еукаріотів.

Інформаційна РНК (іРНК). її молекули утворю­ються на певних ділянках ДНК, мають назву струк­турних генів, у вигляді комплементарної копії ділян­ки одного з її ланцюгів. Вони несуть закодовану інформацію первинної структури білків у цитоплаз­му, де прикріплюються до рибосом і реалізують цю інформацію.

Інформаційна РНК є матрицею для синтезу полі­пептидів (білків), тому її називають також матрич­ною. Матрична РНК є шаблоном, на якому буду­ються поліпептиди відповідно до закладеної гене­тичної інформації. Звичайно, вона несе інформацію про синтез тільки однієї молекули білка - це так зва­на моноцистронна іРНК. Іноді вона містить де­кілька цистронів, розташованих поряд, для різних білків і відома під назвоюполіцистронна іРНК. Інформа­ційна РНК містить інформацію про порядок розта­шування амінокислот у синтезованому білку. Розта­шування амінокислот кодується чіткою послідовніс­тю нуклеотидів у молекулі іРНК (генетичний код). Кожній амінокислоті відповідає свій триплет нуклео­тидів (кодон). Молекули ІРНК складаються з 300-3000 нуклеотидів. Вони становлять 0,5-3,0 % маси всіх РНК клітини. Інформаційна РНК утворюється в ядрі у вигляді незрілої про-іРНК, яка містить і неінфор-мативні послідовності нуклеотидів - інтрони. В резуль­таті процесингу(вирізання інтронних ділянок) вона "дозріває" і надходить у цитоплазму, де відразу при­єднується до рибосом. Проте іноді іРНК може нако­пичуватися у клітинах, зв'язуватися із спеціальними білками, що "консервують" її, з утворенням інфор-мосом. У такому вигляді інформація може тривалий час зберігатися у клітинах. Поштовхом для їх вико­ристання є фізіологічні зміни в клітині, що призводять до активації синтезу білка. Наприклад, в овоциті на­копичується багато інформосом, а їх іРНК починає функціонувати тільки після запліднення.

Транспортна РНК (тРНК). Молекули тРНК утворюються на спеціальних генах. Транспортні РНК короткі, однониткові, мають форму листка ко­нюшини завдяки комплементарному спо­лученню основ на різних ділянках ланцюга, склада­ються з невеликого числа нуклеотидів - 75-90. Від загальної маси РНК на тРНК припадає близько 10-15 %. Молекули тРНК переносять до місць синте­зу білків тільки відповідні їм амінокислоти з цитоп­лазми. Кожній амінокислоті відповідає своя тРНК внаслідок особливостей нуклеотидної послідовності та просторової структури. МолекулитРНК мають чотири важливі ділянки: а) транспортну; б) антико-дон; в) ділянку приєднання фермента; г) ділянку зв'язування з рибосомою.

До транспортної ділянки приєднується специфіч­на амінокислота. Вона утворена двома комплемен­тарними кінцевими ділянками РНК, 3'-кінець якої складається з семи пар основ, він довший і формує одноланцюгову ділянку, що закінчується послідов­ністю ЦЦА з вільною ОН-групою. До цієї групи при­єднується амінокислота, що транспортується. Антикодон складається з п'яти нуклеотидів. У центрі -три специфічнихрибонуклеотиди (триплет). Азотисті основи антикодона мають комплементар­ний триплет на ланцюгу іРНК, цей триплет нази­вається кодоном. У період синтезу білка антико­дон знаходить відповідний йому кодон на ІРНК і тим­часово приєднується до нього водневими зв'язками.

Ділянка приєднання ферменту - це спеціальна час­тина молекули тРНК для специфічного зв'язування з ферментом аміноацил-тРНК-синтетазою, що ка­талізує приєднання амінокислоти до молекули тРНК.

Ділянка зв'язування з рибосомою - особлива частина молекули (певна послідовність нуклеотидів) тРНК, що потрібна для прикріплення до рибосоми.

Рибосомальна РНК (рРНК). Рибосомальна РНК утворюється на спеціальних генах ДНК в ядерці. Рибосомальна РНК - велика одноланцюго-варозгалужена молекула, що включає 3000-5000 нуклеотидів. Із загальної маси РНК на її частку при­падає до 90 %. У каріоплазмі рРНК і різні білкиоб'єднуються у співвідношенні 1:1 для утворення малих і великих субодиниць рибосом.

Рибосомальна РНК утворює структурний кар­кас рибосоми, їй належить важлива роль у процесі синтезу білків. Рибосомальна РНК забезпечує зв'я­зування іРНК з рибосомами за допомогою певних послідовностей нуклеотидів. Таким чином встанов­люється початок і рамка зчитування інформації з іРНК. Багато білків рибосом виконують не тільки структурну, але й ферментативну функцію.

Таким чином, чотири різновиди нуклеїнових кис­лот мають багато спільного в будові, але викону­ють різноманітні функції. Унікальна властивість молекули ДНК подвою­ватися перед поділом клітини називається ре­плікацією. Ця властивість зумовлена особливі­стю будови молекули ДНК, що складається з двох комплементарних ланцюгів. Реплікація відбу­вається в ядрі під час S-періоду інтерфази. На цей час хромосоми під світловим мікроскопом не виявляються. Реплікація ДНК - найважливіший молекулярний процес, що є в основі всіх різновидів поділу клітин, усіх типів розмноження, а, значить, в основі забез­печення тривалого існування окремих індивідуумів, популяцій і всіх видів живих організмів. Для кожно­го виду дуже важливо підтримувати сталість свого генотипу та фенотипу, а значить, зберігати незмін­ність нуклеотидної послідовності генетичного коду. Для цього необхідно абсолютно точно відтворювати молекули ДНК перед кожним поділом клітини, тобто основне функціональне значення реплікації- забезпе­чення нащадка стабільною генетичною інформацією розвитку, функціонування і поведінки.

Механізм реплікації ДНК. Реплікація ДНК - складний, багатоступеневий процес, що вимагає залучення великої кількості спеціальних білків і фер­ментів. Наприклад, ініціаторні білки утворюють ре-плікаційну вилку, ДНК-топоізомерази розкручують ланцюги, ДНК-геліказа і дестабілізуючий білок роз­щеплюють ДНК на два окремих ланцюги, ДНК-полі­мераза і ДНК-праймаза каталізують полімериза­цію нуклеотидтрифосфатів і утворення нового лан­цюга, ДНК-лігази руйнують РНК-затравки на відстаючих ланцюгах ДНК та ін.Про­цес відбувається аналогічно як у прокаріотів, так і веукаріотів, хоча дещо відрізняється за швидкістю, спрямованістю, кількістю точок реплікації тощо. Швидкість реплікації в еукаріотів дуже велика і скла­дає 50 нуклеотидів за секунду, а в прокаріотів ще вища - до 2000 нуклеотидів за секунду.

Основні етапи реплікації:

1. Ініціація(від лат. initialis - первинний, по­чатковий). Активація дезоксирибонуклеотидів. Монофосфати дезоксирибонуклеотидів (АМФ, ГМФ, ЦМФ, ТМФ) знаходяться у стані "вільного плавання" в ядрі і є "сировиною" для синтезу ДНК. Для включення в ДНК вони активуються в результаті взаємодії з АТФ. Ця реакція називається фосфорилуванням і каталізується ферментом фосфорилазою. При цьо­му утворюютьсятрифосфати дезоксирибонуклео­тидів, такі як АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ. У такому вигляді вони енергезовані та здатні до полімеризації.

Розпізнавання точки ініціації.Розкручування ДНК починається з певної точки. Така особлива точ­ка називається точкою ініціації реплікації(спеціаль­на послідовність нуклеотидів). Для визначення точки ініціації необхідні специфічні білки-ініціатори. У вірусів і прокаріотів є тільки одна точка ініціації. В еукаріотів, що мають великі молекули ДНК, може бути багато точок ініціації реплікації, що, зрештою, зливаються одна з одною при повному роз'єднанні ланцюгів ДНК.

Реплікація обох ланцюгів ДНК відбувається од­ночасно і безупинно.

Розкручування молекули ДНК Подвійна спіраль ДНК розкручується і розгортається на окремі нитки ДНК шляхом розриву слабких водневих зв'язків між комплементарними нуклеотидами. Цей процес забез­печують ферменти - гелікази. Оголені основи А, Т, Г і Ц обох ланцюгів проектуються в каріоплазму.

Ферменти, що названі топоізомеразами, розрива­ють і заново зшивають окремі нитки ДНК, допомага­ють розкручуванню спіралі. Завдяки роз'єднанню лан­цюгів ДНК виникають реплікаційні вилки. Нові нитки ДНК утворюються на кожному із звільнених ланцюгів. їх ріст відбувається в протилежних напрямках.

2. Елонгація. Вільні трифосфати дезоксирибо­нуклеотидів своїми азотистими основами приєдну­ються водневими зв'язками до азотистих основ обох ланцюгів ДНК, відповідно до правила комплементарності, тобто А-Т, Ц-Г.

Елонгація - це додавання дезоксирибонуклеоти-ду до З'-кінця ланцюга, що росте. Процес каталі­зується ДНК-полімеразою.

Трифосфати дезоксирибонуклеотидів (тринуклео-тиди), приєднуючись до кожного ланцюга ДНК, розривають свої внутрішні високоенергетичні зв'яз­ки й утворюють монофосфати дезоксирибонуклео­тидів (мононуклеотиди), що є звичайними компонентами ДНК. При цьому в нуклеоплазму надхо­дять пірофосфатні молекули, що звільнилися.

Утворення нових ланцюгів ДНК. У подальшо­му приєднані сусідні нуклеотиди зв'язуються між собою фосфорними залишками та утворюють новий ланцюг ДНК. Процес каталізується ферментом ДНК-полімеразою. При цьому необхідна присутність іонів металів Мп²⁺ або Mg²⁺. ДНК-полімераза може полімеризувати дезоксирибонуклеотиди в напрямку 5-3', тобто від вуглецевого 5'-кінця до вуглецевого З'-кінця молекул ДНК.Оскільки дві нитки ДНК є антипаралельними, нові нитки повинні утворюватися на старих (материнських) нитках у протилежних на­прямках. Одна нова нитка утворюється в напрямку 5'-З'. Ця нитка називається провідною. На другій материнській нитці утворюються короткі сегменти ДНК унапрямку 3'-5'. Згодом вони з'єднуються разом, утворюючи довгу відстаючу нитку.

Утворення праймерів. На відстаючій нитці спо­чатку утворюється короткий ланцюг РНК за шаб­лоном ДНК. Вона називається РНК-праймером і містить послідовність із 10-60 нуклеотидів. Фер­мент праймаза каталізує полімеризацію блоків РНК (А, У, Г, Ц) у праймері. РНК-праймер утворюється тому, що ДНК-полімераза не може ініціювати син тез нової нитки ДНК у відстаючому ланцюгу в на­прямку 3'—5^і, вона тільки може каталізувати її ріст. Праймери пізніше віддаляються, а порожнини, які утворилися, заповнюються дезоксирибонуклеотида-ми ДНК у напрямку 5-3', що завершує побудову другого ланцюга. На місці праймерів утворюються фрагменти нового ланцюга ДНК, які називаються фрагментамиОкадзакі і складаються із 100-200 нуклеотидів. Ці фрагменти легуються (зшива­ються) полінуклеотидлігазами, в результаті чого ут­ворюється другий повноцінний ланцюг. Цей процес називається дозріванням.

Редагування. Чітка комплементарність пар ос­нов забезпечує точну реплікацію ДНК. Однак іноді виникають помилки в приєднанні основ. Вони вида­ляються ДНК-полімеразою, яка для цього знову зв'язується з молекулами ДНК (репарація).

3. Термінація(від лат. terminalis - кінцевий). Після завершення процесу реплікації молекули, що утворилися, розділяються, і кожна дочірня нитка ДНК скручується разом з материнською в подвійну спіраль. Так утворюються дві молекули ДНК, іден­тичні материнській. Вони формуються окремими фрагментами по довжині хромосоми. Такий окре­мий фрагмент ДНК, що подвоюється на одній хро­мосомі, називається репліконом.Виникає відразу декілька репліконів, причому асинхронно й у різних її ділянках. Процес реплікації стосується всієї хромо­соми та перебігає практично одночасно, з однако­вою швидкістю. Після завершення реплікації в реплі-конах вони зшиваються ферментами в одну молеку­лу ДНК. Уклітині людини, що ділиться, утворюєть­ся більше 50000 репліконів одночасно. Довжина кож­ного з них 30 мкм. Завдяки великій кількості реплі­конів швидкість реплікації збільшується в тисячі разів. Тривалість процесу подвоєння генетичного матеріа­лу складає приблизно 10 год. Ділянки хромосом, де починається реплікація, називаються точками ініціації. Вважають, що це, ймовірно, місця прикріплення інтер-фазних хромосом до білків ламели ядерної оболон­ки. Процес включається цитоплазматичним факто­ром невідомої природи, що надходить в ядро. Реплі­кація перебігає в строго визначеному порядку, тобто спочатку починають реплікуватись одні ділянки хро­мосом, а пізніше - інші. У синтетичному періоді інтер-фазиподвоюється також і кількість гістонових білків, що асоціюються із синтезованими ДНК і утворю­ють класичну структуру хроматину. Порушення точ­ності реплікації призводить до порушення синтезу білків і розвитку патологічних змін клітин і органів.

Значення реплікації:

а) процес є важливим моле­кулярним механізмом, що лежить в основі всіх різно­видів поділу клітин про- й еукаріотів;

б) забезпечує всі типи розмноження як одноклітинних, так і багатоклі­тинних організмів;

в) підтримує сталість клітинного складу органів, тканин і організму внаслідок фізіоло­гічної регенерації;

г) забезпечує тривале існування окремих індивідуумів;

д) забезпечує тривале існу­вання видів організмів;

є) процес сприяє точному по­двоєнню інформації;

ж) у процесі реплікації можливі помилки (мутації), що може призводити до порушень синтезу білків з розвитком патологічних змін.

Під дією фізичних і хімічних агентів, а також при нормальному біосинтезі ДНК у ній можуть виника­ти ушкодження. Виявилося, що клітини мають ме­ханізми виправлення пошкоджень у нитках ДНК. Здатність клітин до виправлення пошкоджень у молекулах ДНК одержала назву репарації (від. лат. reparatio - відновлення).

Процес репарації ДНК полягає в тому, що гене­тична інформація подана в ДНК двома копіями -по одній в кожному з двох ланцюгів подвійної спіралі ДНК. Завдяки цьому випадкове пошкодження в од­ному з ланцюгів може бути видалено реплікаційним ферментом і ушкоджена ділянка ланцюга ресинте-зована у своєму нормальному вигляді за рахунок інформації, що міститься в неушкодженому ланцюгу.

За часом здійснення у клітинному циклі розріз­няють дореплікатшну, реплікаттну і постреп-лікаттну репарацію.

Дореплікативна репарація. Це процес віднов­лення пошкодженої ДНК до її подвоєння. У найпрос­тіших випадках розриви можуть бути відновлені ферментом лігазою. В інших випадках використо­вується повна ферментативна система репарації (на­ведена нижче).

Реплікативна репарація. Це сукупність про­цесів відновлення ДНК у ході реплікації. При цьому ушкоджена ділянка видаляється впродовж реплікації у зоні росту ланцюга. У забезпеченні високої точ­ності реплікації значна роль належить механізму самокорекції, який здійснюється ДНК-полімеразою або тісно зв'язаним з нею ферментом ендонуклеа-зою. Цей процес пов'язаний із визначенням помил­ково включеного в ланцюгнуклеотиду, відщеплен­ням його і заміною на відповідний. В результаті цього частота помилок знижується в 10 разів (з 10⁵-10⁶).

Постреплікатйена репарація. її механізм точ­но не вивчений. При постреплікативній репарації відбувається вирізання пошкодженої ділянки і зши­вання кінців. При цьому клітина може зберігати життєздатність і передавати дефектну ДНК дочір­нім клітинам. Припускають можливість різних варіан­тів синтезу ДНК на пошкодженій матриці.

За механізмами розвитку репарації розрізняють: ексцизійну, неексцизійну, рекомбінативну репарацію.

Ексцизійна репарація (вирізаюча). При ексцизійній репарації усуваються пошкодження, які з'я­вилися під впливом іонізуючої радіації, хімічних ре­човин та інших чинників. Це основний тип репарації, виявлений як у прокаріотів, так і у клітинах еукаріотів.

На основі однієї з запропонованих моделей вста­новлено п'ять послідовних етапів ексцизійної репа­рації:

1) "розпізнавання" пошкодження ДНК ендо-нуклеазою;

2) розрізування ендонуклеазою одного з ланцюгів молекули ДНК поблизу пошкодження;

3) "вирізання" пошкодженої ділянки та її розширен­ня екзонуклеазою;

4) матричний синтез нового лан­цюга ДНК-полімеразою (репаративна реплікація);

5) з'єднання новоутвореної ділянки з ниткою ДНК під впливом фермента ДНК-лігази.

Неексцизійна репарація. Фоторепарація. Здат­ність до репарації була виявлена у бактерій, які зазнавали впливу ультрафіолетових променів. В ре­зультаті опромінення цілісність молекул ДНК пору­шується, тому що в них виникають димери, тобто зчеплені між собою сусідні піримідиновіоснови. Димери можуть формуватися між двома тиміна-ми, тиміном і цитозином, двома цитозинами, тимі-ном і урацилом, двома урацилами. Однак опромі­нені клітини на світлі виживають набагато краще, ніж у темряві. Після ретельного аналізу причин цьо­го явища встановлено, що в пошкоджених кліти­нах на світлі відбувається репарація ДНК (фото­репарація). Вона здійснюється спеціальним фер­ментом ДНК-фотолігазою, яка активується кван­тами видимого світла. Фермент з'єднується з по­шкодженою ДНК, роз'єднує зв'язки в димерах і відновлює цілісність нитки ДНК. Фермент ДНК фотолігаза, що фотореактивує, не є видоспецифіч-ним, тобто діє на різні види ДНК. У ньому є ціано-кобаламін (вітамін В_[2), що поглинає кванти види­мого світла та передає енергію молекулі фермен­ту. На ранніх стадіях еволюції живих організмів, коли був відсутній озоновий екран, який затримує велику частину потоку згубних для організмів со­нячних ультрафіолетових променів, фоторепарація відігравала особливо важливу роль.

Рекомбінатшна репарація. Якщо, наприклад, димери тиміну не усунуті до рекомбінації, то це призводить до зміни структури дочірніх ДНК.Такі порушення можуть усуватися безпосередньо в процесі кросинговеру. Але при цьому не відбу­вається усунення димеру, він видаляється вже після реплікації.