Microsoft Word 60 2012 Белясова doc

топологических проблем в процессе раскручивания двойной спирали 
в репликативной вилке. Эти ферменты изменяют степень сверхспира-
лизации и приводят к образованию «шарнира», который создает усло-
вия для непрерывного движения репликативной вилки. В различных 
организмах идентифицированы топоизомеразы двух основных типов. 
Топоизомеразы типа 
Ι надрезают одну из двух цепей, в результате чего 
концевой участок двойной спирали может повернуться вокруг ин-
тактной цепи, и затем воссоединяют концы разрезанной цепи. Топо-
изомеразы типа 
ΙΙ вносят временные разрывы в обе комплементарные 
цепи, изменяют степень сверхспирализации, а затем соединяют разо-
рванные концы. 
Геликазы осуществляют образование и продвижение вдоль спи-
рали ДНК репликативной вилки – участка молекулы с расплетенны-
ми цепями. Эти ферменты используют для расплетения цепей энер-
гию, высвобождающуюся при гидролизе АТР. Для обеспечения более 

---

32 
высокой скорости раскручивания несколько геликаз действуют в ком-
плексе с белками второго типа, которые связываются с одноцепочеч-
ными участками молекулы и тем самым стабилизируют расплетенный 
дуплекс. 
Наконец, ДНК-лигазы катализируют процессы воссоединения 
фрагментов цепей ДНК, участвуя в образовании ковалентных связей 
(фосфодиэфирных мостиков) между 5
′-P- и 3′-ОН-группами соседних 
дезоксирибонуклеотидов. Эти ферменты также используют энергию 
макроэргических связей, образующуюся при гидролизе АТР или GTP. 
Механизм репликации двухцепочечной ДНК лучше всего иссле-
дован для бактерий E. coli и будет рассмотрен на данном примере. 
Инициация репликации ДНК. Процесс репликации ДНК кишечной 
палочки начинается в строго определенной точке, которая называется 
origin (ori), или точкой начала репликации, и расположена на 85-й ми-
нуте генетической карты хромосомы этих бактерий. В ori репликации 
на ДНК действуют ферменты (топоизомеразы, геликазы), обусловли-
вающие формирование репликативной вилки, в которой собственно и 
происходит копирование цепей. Для репликации необходимо наличие 
ДНК-матрицы в виде одноцепочечного участка ДНК, смеси дезоксири-
бонуклеозидтрифосфатов, реплисомы (комплекса ферментов, прини-
мающих участие в репликации) и 3
′-ОН-группы нуклеиновой кисло-
ты – затравки, к которой ДНК-полимераза должна присоединять сле-
дующий нуклеотид. Дело в том, что ни одна из ДНК-полимераз не 
может начинать процесс полимеризации нуклеотидов de novo. Эту 
функцию выполняют РНК-полимеразы, которые узнают ori реплика-
ции в репликативной вилке и синтезируют коротенькие (10–60 рибо-
нуклеотидов) последовательности – РНК-затравки (праймеры). При 
этом синтез затравок осуществляется в направлении от 5
′-конца к 3′-
концу, и в результате образуется свободный 3
′-ОН-конец, который мо-
жет использовать ДНК-полимераза для продолжения процесса полиме-
ризации цепей на стадии элонгации репликации (рис. 1.10). 
Элонгация репликации ДНК. Синтез новых цепей ДНК осуществ-
ляется с соблюдением принципа комплементарности: каждый подби-
раемый в растущую цепь нуклеотид должен быть комплементарен со-
ответствующему (расположенному напротив) нуклеотиду в исходной 
(матричной) цепи. 
Поскольку все ДНК-полимеразы осуществляют процесс полимери-
зации нуклеотидов только в одном направлении (5
′ → 3′), а реплика-
тивная вилка движется вдоль ДНК в обоих направлениях, непрерывно 
синтезироваться в каждом из направлений может лишь одна нить, ко-

---

33 
торую называют лидирующей. Вторая (противоположная) нить синте-
зируется короткими фрагментами (фрагменты Оказаки) и называется 
отстающей (рис. 1.10). Фрагменты Оказаки у прокариот содержат по-
рядка 1000 нуклеотидов, а у эукариот – 100–200 нуклеотидов.
Рис. 1.10. Репликация у клеток E. coli (стрелками показано направление
синтеза новых цепей ДНК. Незаштрихованные толстые линии –
РНК-праймеры, начинающие синтез; сплошные жирные линии –
фрагменты удлиняющихся цепей ДНК. Вертикальными линиями показаны
водородные связи между комплементарными нуклеотидами) 
Кроме полимеризации цепей, которую осуществляет в основном 
ДНК-полимераза 
ΙΙΙ, в процессе репликации ДНК происходят сле-
дующие события: 
– вырезание РНК-затравок из лидирующей цепи и из каждого 
фрагмента Оказаки. Эту функцию выполняет Pol-
Ι с помощью своей 
5
′ → 3′-экзонуклеазной активности; 
– заполнение «брешей», оставшихся после вырезания РНК-
затравок. Эту работу также осуществляет ДНК-полимераза 
Ι, исполь-
зуя свободную 3
′-ОН-группу соседнего фрагмента Оказаки; 
– соединение фрагментов ДНК в отстающей цепи с помощью 
фермента ДНК-лигазы: когда растущий 3
′-гидроксильный конец каж-
дого фрагмента Оказаки доходит до 5
′-дезоксинуклеотидного конца 
соседнего фрагмента, вступает в действие ДНК-лигаза, и образуется 
непрерывная отстающая цепь; 

---

34 
– исправление ошибок репликации – корректорская правка. Этот 
механизм характерен как для Pol-
Ι, так и для Pol-ΙΙΙ и основывается на 
их 3
′ → 5′-экзонуклеазной активности. Известно, что ДНК-полимераза 
проверяет комплементарность подбираемого нуклеотида, контролируя 
размер новой предполагаемой пары нуклеотидов в своем активном 
центре, и ее полимеразная активность включается лишь тогда, когда 
эта комплементарность установлена. С другой стороны, каждый вновь 
встроенный нуклеотид также проверяется на соответствие своей паре 
в активном центре фермента. Если размер образовавшейся пары нук-
леотидов не соответствует истинному (когда основания противопо-
ложных нуклеотидов не комплементарны друг другу), с помощью 
своей 3
′ → 5′-экзонуклеазной активности фермент вырезает неком-
плементарный нуклеотид и ищет ему замену. 
Дополнительным механизмом, уменьшающим ошибки реплика-
ции, служит репарация ДНК. В результате частота ошибочного вклю-
чения нуклеотидов в образующуюся при репликации цепь ДНК край-
не низка (10
–10
–10
–8
). 
Терминация репликации. При двунаправленной репликации коль-
цевого генома (как у кишечной палочки) репликативные вилки встре-
чаются на расстоянии 180
° от точки репликации, и в этом месте реп-
ликация завершается. Кольцевые ДНК в месте встречи соединяются 
лигазой, при этом они оказываются попарно сцепленными, и в даль-
нейшем происходит их разделение на отдельные геномы с помощью 
топоизомеразы типа 
ΙΙ. 
Скорость репликации ДНК у бактерий E. coli составляет пример-
но 1,5 т. п. н. в секунду. Таким образом, полный геном кишечной па-
лочки (4 
⋅ 10
3
т. п. н.) реплицируется примерно за 40 мин. Однако 
клетки E. coli делятся быстрее – каждые 20 мин, и это означает, что 
при прежней скорости копирования увеличивается частота актов ини-
циации в той же самой точке начала репликации. То есть еще до за-
вершения первого раунда репликации генома в сайте ori инициируется 
второй раунд репликации. Скорость движения репликативной вилки в 
эукариотических клетках значительно меньше (10–100 п. н. в секунду), 
но завершение репликации в разумное время обеспечивается одно-
временной инициацией во множестве точек. В результате хромосома 
дрозофилы, содержащая, например, 6,5 
⋅ 10
4
т. п. н., реплицируется за 
несколько минут. 
В целом закономерности репликации, выявленные для прокариот, 
характерны и для большинства эукариотических геномов. Отличия 

---

35 
состоят, в первую очередь, в наличии у эукариот множества сайтов 
инициации репликации на каждой хромосоме, иных, чем у прокариот, 
механизмах исправления ошибок репликации, а также в ферментатив-
ном оснащении процесса репликации. Схематическое изображение 
процессов репликации циклических ДНК, формирующих геномы про-
кариот и плазмид, и линейных (эукариотических) геномов представ-
лено на рис. 1.11.
Рис. 1.11. Типы двунаправленной репликации двухцепочечной ДНК
(сплошными линиями обозначены исходные цепи ДНК;
пунктиром – новые цепи) 
В линейной ДНК раскручивание цепей осуществляется путем 
вращения одной цепи вокруг другой. В кольцевой ДНК раскручивание 
и репликация ведут к образованию структуры, напоминающей кольцо 
с внутренней петлей. Ее называют тэта-петлей, поскольку по форме 
она похожа на греческую букву 
Θ. Такие петли можно наблюдать на