Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой двуспиральную молекулу, состоящую из нуклеотидов, каждый из которых включает фосфатную группу, дезоксирибозу и одну из азотистых оснований: аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) или цитозин (C). Комплементарное спаривание оснований (А–Т, G–C) обеспечивает точное копирование генетической информации при репликации. Двуспиральная структура ДНК с антипараллельными цепями создает направление синтеза: одна цепь синтезируется непрерывно (лидирующая), другая — дискретно (лагging).
Репликация ДНК является полуконсервативной, что означает, что каждая дочерняя молекула содержит одну исходную цепь и одну синтезированную заново. Основные этапы процесса:
Инициация Происходит в специфических последовательностях — точках начала репликации (origin of replication). Белки-инициаторы распознают эти последовательности и способствуют локальному расплетанию двойной спирали. Хеликазы разрывают водородные связи между комплементарными основаниями, образуя репликационную вилку. SSB-белки стабилизируют одноцепочечные участки, предотвращая их вторичное свертывание. Топоизомеразы снимают избыточное напряжение, возникающее при раскручивании спирали.
Элонгация ДНК-полимеразы катализируют синтез новой цепи в направлении 5’ → 3’, используя матрицу исходной цепи. Для запуска синтеза требуется РНК-праймер, синтезируемый праймазой. На лидирующей цепи синтез непрерывен, тогда как на лагging-цепи формируются оказы Фрагменты Оказаки, которые затем соединяются ДНК-лигазой.
Корректировка и контроль ошибок ДНК-полимеразы обладают 3’→5’ экзонуклеазной активностью, обеспечивающей репарацию во время синтеза. Ошибки, которые не были исправлены полимеразой, устраняются пострепликационными механизмами репарации.
Репликация в эукариотических клетках организована в репликационные форки, где множество белков образуют репликационный комплекс: хеликаза, праймаза, ДНК-полимеразы α, δ и ε, SSB-белки, топоизомераза и ферменты для обработки рибонуклеотидных праймеров. Координация этих компонентов обеспечивает синхронный синтез обеих цепей и минимизацию ошибок.
Эукариотические хромосомы линейные, что создает проблему окончания репликации на концах (т.н. проблема теломер). Специальный фермент теломераза, содержащий матричную РНК, удлиняет концевые участки ДНК, предотвращая потерю генетической информации после каждого цикла деления.
Репликация строго координируется с клеточным циклом:
Модификация репликационных белков (фосфорилирование, связывание с ингибиторами) регулирует скорость и точность синтеза. Нарушения контроля приводят к геномной нестабильности, мутациям и могут способствовать развитию опухолей.
У прокариот репликация чаще всего инициируется в одной точке и протекает быстро за счет компактной кольцевой ДНК. Эукариоты имеют множественные точки начала, более сложную упаковку хроматина и специализированные ферменты для теломер. Несмотря на различия, основные принципы полуконсервативного синтеза и корректуры ошибок универсальны для всех организмов.
Энергетически реакция синтеза ДНК является эндэргической и обеспечивается гидролизом нуклеозидтрифосфатов. ДНК-полимераза катализирует присоединение дезоксирибонуклеотидов с образованием фосфодиэфирной связи, выделяя пирофосфат, который затем гидролизуется ферментом пирофосфатазой, что делает процесс практически необратимым и направленным.
Молекулярная точность репликации поддерживается за счет комплементарности оснований, 3’→5’ экзонуклеазной активности полимераз и системы пострепликационной репарации, включая mismatch repair и nucleotide excision repair. Эти механизмы создают высокую точность синтеза — частота ошибок ниже 10⁻⁹ на нуклеотид.
Репликация ДНК обеспечивает надежное копирование генетической информации, позволяя клеткам делиться и поддерживать наследственность. Нарушения репликации вызывают мутации, хромосомные аберрации и геномную нестабильность, что имеет критическое значение для онкологии, генетических заболеваний и биотехнологии.