Главная/Библиотека/Репликация ДНК

Репликация: как ДНК копирует себя

Перед делением клетка обязана удвоить весь геном. Разберём, кто расстёгивает спираль, почему одна новая цепь собирается легко, а вторая рывками, и как всё это идёт с бешеной скоростью и почти без ошибок. Пригодится урок про структуру ДНК — особенно про концы 5′ и 3′.

Молекулярная биология · урок 2 вилка · Оказаки · корректура ⏱ ~16 мин
Главный принцип

Каждая копия наполовину старая

Спираль расходится на две цепи, и каждая служит матрицей для новой. В итоге получаются две двойные спирали, и в каждой одна цепь старая, а вторая новая. Такой способ называют полуконсервативным. Это доказали Мезельсон и Сталь в знаменитом опыте.

Почему не иначе

Могло бы быть по-другому. При консервативном копировании старая спираль осталась бы целой, а новая была бы полностью новой. При дисперсном старые и новые куски перемешались бы в каждой цепи. Природа выбрала средний путь: старая цепь плюс новая.

Кто работает у вилки

Расстегнуть молнию непросто

Спираль плотно закручена, и чем сильнее её расплетаешь в одном месте, тем туже она перекручивается рядом. Поэтому у точки расхождения (репликационной вилки) трудится целая бригада ферментов.

Топоизомераза
Снимает перекрут перед вилкой — временно надрезает остов и даёт спирали раскрутиться.
Хеликаза
Расстёгивает «молнию» — рвёт водородные связи между парами оснований, разводя две цепи.
Праймаза
Кладёт короткую РНК-затравку (около 10 нуклеотидов). Без неё полимеразе не с чего начать.
ДНК-полимераза
Достраивает новую цепь, добавляя нуклеотиды на 3′-конец затравки.
Лидирующая и отстающая

Одна цепь легко, другая рывками

Всё упирается в одно правило: полимераза умеет добавлять нуклеотиды только на 3′-конец, то есть строит в направлении 5′→3′. А цепи антипараллельны, и это делает их неравноправными.

просто

Лидирующая цепь

Её «правильное» направление совпадает с движением вилки. Полимераза просто едет следом и строит непрерывно.

сложно

Отстающая цепь

Тут 5′→3′ смотрит против вилки. Синтез идёт короткими кусками вслед за открыванием — фрагментами Оказаки, каждому нужна своя затравка.

Потом РНК-затравки заменяются на ДНК, а фрагменты сшивает лигаза в сплошную цепь. Отстающей её назвали как раз потому, что она собирается медленнее и по кусочкам.

Скорость и точность

Быстро и почти без ошибок

Самое поразительное тут — темп и аккуратность. У бактерий полимераза ставит до 700–1000 пар в секунду. При этом сырой синтез ошибается примерно раз на 10 миллионов нуклеотидов, а после проверки — куда реже.

Скорость
До 700–1000 пар оснований в секунду (у кишечной палочки).
Сырая точность
Около 1 ошибки на 10⁷ нуклеотидов.
После корректуры
Полимераза сама замечает неверную пару и вырезает её → примерно 1 ошибка на 10⁹.
Ловушки

Где чаще всего спотыкаются

✗ «Репликация консервативная — старая спираль остаётся целой»
Она полуконсервативная: в каждой новой спирали одна цепь старая, одна новая (Мезельсон-Сталь).
✗ «Полимераза строит в любую сторону»
Только 5′→3′, добавляет на 3′-конец. Из-за этого и появляется отстающая цепь.
✗ «Обе цепи строятся одинаково»
Лидирующая — непрерывно, отстающая — фрагментами Оказаки с отдельными затравками.
✗ «Затравку кладёт полимераза»
РНК-затравку кладёт праймаза. Полимераза лишь продолжает с готового 3′-конца.
Тренажёр рассуждений

Не угадать ответ, а построить его

Прочитай вопрос и подумай сам. Потом открывай по шагу, будто рядом преподаватель и спрашивает «а почему?».

Почему одна цепь строится рывками, фрагментами Оказаки?
Главное ограничение полимеразы?
Она добавляет нуклеотиды только на 3′-конец, то есть строит 5′→3′.
Что с лидирующей цепью?
На её матрице «правильное» направление совпадает с движением вилки → синтез непрерывный.
А с отстающей?
Там 5′→3′ смотрит против вилки, поэтому строить приходится короткими кусками вслед за открыванием.
Вывод. Эти куски — фрагменты Оказаки. Каждому нужна своя РНК-затравка, а потом лигаза сшивает их в цепь.
Показать следующий шаг →
Как удаётся ошибаться лишь раз на миллиард, если сырой синтез ошибается раз на десять миллионов?
Сколько ошибок при простом копировании?
Примерно одна на 10⁷ нуклеотидов.
Что делает полимераза дальше?
Проверяет только что поставленный нуклеотид и вырезает неверную пару (корректура).
Что в итоге?
После корректуры остаётся около одной ошибки на 10⁹.
Вывод. И это при скорости до тысячи пар в секунду — быстро и точно одновременно.
Показать следующий шаг →
Мини-кейс

Собери, как работает антибиотик

Пациенту с инфекцией назначили фторхинолон. Бактерии активно делятся, но после начала лечения перестают размножаться и гибнут. Наши собственные клетки при этом не страдают.

Как фторхинолон убивает бактерию?
Что нужно бактерии, чтобы копировать ДНК?
Снять перекрут спирали у вилки — это делает топоизомераза (у бактерий её называют ДНК-гиразой).
Что делает препарат?
Блокирует бактериальную гиразу.
К чему это ведёт?
Спираль не расплести → репликация встаёт → бактерия не делится и гибнет.
Вывод. Мишень — именно бактериальный фермент, наши топоизомеразы устроены иначе. Поэтому препарат бьёт по микробу, а не по нам.
Показать следующий шаг →
Повторение

Закрепить с интервалами

Карточки подстраиваются под тебя: «легко» отодвигает повтор дальше, «снова» возвращает скоро. Прогресс хранится в браузере.

Куда дальше

Связи с другими темами

Копирование разобрано

Дальше — как с ДНК считывают РНК

В библиотеку →