**Введение**
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — это лишь один из типов генетической информации, который есть у человека и других живых организмов. Для хранения информации используются азотистые основания ДНК: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Эта информация кодируется в виде последовательности, которая служит своего рода чертежом, определяющим характеристики организма.
ДНК помогает хранить информацию, необходимую организму для выживания, роста, развития и размножения. Чтобы выполнять все эти функции, последовательность ДНК должна быть преобразована в сообщение, которое будет использоваться для создания белков — более сложных молекул, выполняющих большинство функций в организме.
Существует три различных типа ДНК, все они двухцепочечные и связаны взаимодействием между комплементарными азотистыми основаниями. Их называют В-формой, А-формой и Z-формой ДНК. ДНК выполняет три различные функции, связанные с иммунитетом, структурой и генетикой.
Во время деления клеток происходит процесс, известный как репликация ДНК, в ходе которого ДНК копирует себя. Этот процесс называется полуконсервативным. Репликация ДНК включает в себя инициацию, элонгацию и терминацию. Он начинается с определения места репликации, проходит через несколько этапов и заканчивается соединением молекул фрагментов ДНК. Соединяя две отдельные цепи ДНК в одну, мы получаем двухцепочечную ДНК. ДНК помогает передать генетический код для роста, функционирования и развития. Она также способствует размножению живых клеток, сохраняя их первоначальный генетический состав.
**Способы репликации ДНК**
Существуют три возможных способа репликации ДНК:
1. **Полуконсервативный:** в процессе репликации ДНК две цепи молекулы постепенно разделяются путём разрыва водородных связей.
2. **Консервативный:** ДНК производит две молекулы: одну, идентичную исходной молекуле ДНК и содержащую обе исходные цепи; другую, состоящую из двух новых цепей ДНК (с точно такими же последовательностями, как у исходной молекулы).
3. **Дисперсный:** репликационная ДНК создаёт две молекулы ДНК-«гибриды», или смеси ДНК дочерних и родительских клеток.
**Полуконсервативная репликация ДНК**
«Нам не ускользнуло, что специфическое спаривание, которое мы предположили, немедленно подсказывает возможный механизм копирования генетического материала» (Уотсон и Крик, 1955).
Когда две цепи разделяются, они служат моделью для синтеза новых комплементарных цепей. Каждая молекула ДНК будет иметь одну вновь синтезированную цепь после завершения репликации. Этот механизм получил название полуконсервативной репликации ДНК.
**Эксперимент, демонстрирующий полуконсервативную репликацию ДНК**
В 1958 году Мэтью Мезельсон и Франклин Сталь провели следующий эксперимент. В течение многих поколений они выращивали кишечную палочку (Escherichia coli) в среде с NH4Cl как единственным источником азота (N15 — тяжёлый изотоп азота). Затем клетки перенесли в среду, содержащую обычный 14NH4Cl, и взяли образцы по мере размножения клеток. Из образцов извлекли ДНК, которая всё ещё присутствовала в виде двухцепочечных спиралей. Поскольку кишечная палочка делится через 20 минут, в одном поколении после перехода с N15 на 14N-среду извлечённая из культуры ДНК имела гибридную или промежуточную плотность.
**Ферменты, участвующие в полуконсервативной репликации ДНК**
В процессе полуконсервативной репликации ДНК участвуют следующие ферменты:
* **ДНК-геликаза:** помогает раскручивать двухцепочечную ДНК.
* **ДНК-праймаза:** добавляет короткий РНК-праймер.
* **ДНК-полимераза (прокариоты):**
* **ДНК POL I:** удаляет праймеры и заполняет пробелы.
* **ДНК POL II:** участвует в репарации ДНК.
* **ДНК POL III:** основной фермент для синтеза ДНК.
* **ДНК-полимераза (эукариоты):**
* **ДНК POL альфа:** инициирует репликацию, синтезируя РНК-праймеры.
* **ДНК POL бета:** участвует в репарации (аналогично ДНК POL II у прокариот).
* **ДНК POL гамма:** полимеризация в митохондриях.
* **ДНК POL дельта:** основной фермент для синтеза ДНК (аналогично ДНК POL III у прокариот).
* **ДНК POL эпсилон:** проверка и заполнение пробелов.
* **Однонитевые связывающие белки (SSB):** SSB контролирует накручивание цепей ДНК.
* **Экзонуклеазы FEN1 и РНКаза H:** удаляют начальные РНК-нуклеотиды.
* **Лигаза:** соединяет две независимые цепи ДНК в одну, образуя двухцепочечную молекулу.
* **Топоизомеразы/гиразы:** предотвращают суперспирализацию ДНК.
**Механизм полуконсервативной репликации ДНК**
Процесс полуконсервативной репликации ДНК состоит из трёх этапов:
1. **Инициация:** это начальный этап репликации ДНК. Фермент геликаза распознаёт ORIC — точки начала репликации, связывается с цепью ДНК и раскручивает или разделяет двухцепочечную молекулу ДНК. В результате два двуцепочечных фрагмента ДНК частично разделяются на две отдельные цепи. Создаётся репликационная вилка, которая выглядит как вилка, но на самом деле является двуцепочечной, поскольку другая половина цепи не участвует в положительном цикле в этот момент.
2. **Элонгация:** праймер модифицирует шаблонную цепь ДНК, добавляя РНК-нуклеотиды. Следующий фермент распознаёт и связывается с относительно коротким фрагментом РНК, который производится другим ферментом — праймазой. Ведущая цепь — это направление цепи от 3′ к 5′. Отстающая цепь — это направление цепи от 5′ к 3′. Специальный фермент ДНК-полимераза добавляет нуклеотид, дополняющий шаблонную ДНК при добавлении нуклеотидов. ДНК-полимераза может только дополнить существующую цепь, она не может создавать новые. В конце концов, экзонуклеазы FEN1 и РНКаза H преобразуют РНК-нуклеотиды в ДНК-нуклеотиды. В результате, когда присутствует аденин, добавляется тимин, и наоборот для гуанина и цитозина.
3. **Терминация:** в какой-то момент синтез новой цепи должен прекратиться. ДНК-полимераза прекращает добавление нуклеотидов, когда достигается точка терминации. Фермент лигаза соединяет цепи, вводя фосфодиэфирную связь в молекулу ДНК.