Репликация

(позднелат. replicatio — повторение, от лат. replico — обращаюсь назад, повторяю)

редупликация, ауторепродукция, аутосинтез, протекающий во всех живых клетках процесс самовоспроизведения (самокопирования) нуклеиновых кислот (См. Нуклеиновые кислоты), Генов, хромосом (См. Хромосомы). В основе механизма Р. лежит ферментативный синтез дезоксирибонуклеиновой кислоты (См. Дезоксирибонуклеиновая кислота) (ДНК) или рибонуклеиновых кислот (См. Рибонуклеиновые кислоты) (РНК), осуществляемый по матричному принципу. Предложенная в 1953 Дж. Уотсономи Ф. Криком модель строения ДНК — так называемая двойная спираль — с одной стороны, объяснила, каким образом записана генетическая информация в молекуле ДНК (см. Генетический код), с другой — позволила понять и экспериментально изучать химические механизмы удвоения генетического материала. Строгая специфичность спаривания азотистых оснований в молекуле ДНК обусловливает Комплементарность последовательностей оснований в двух цепях и обеспечивает высокую точность Р. Пара Гуанин—Цитозинстабилизируется тремя водородными связями, пара Аденин—Тимин— двумя, что резко снижает вероятность неправильного спаривания оснований. Согласно Уотсону и Крику, процесс Р. ДНК предусматривает: 1) разрыв водородных связей и расплетение нитей двойной спирали; 2) синтез на одиночных нитях комплементарных цепей. В результате из одной двухцепочечной ДНК возникают две подобные молекулы, причём в каждой из дочерних молекул одна полинуклеотидная цепь родительская, а другая — синтезированная заново (полуконсервативный механизм Р.).

Р. ДНК — многоэтапный генетически контролируемый процесс, в котором участвуют ферменты ДНК-полимераза, ДНК-лигаза, ДНК-метилаза и др. Р. двухцепочечной ДНК имеет фиксированные начало и конец, ориентированное направление. Прерывистый синтез новых цепей начинается в том месте, где расплетаются комплементарные цепи родительской ДНК (см.рис.). В начале каждого из синтезированных отрезков цепей ДНК находится «затравочная» цепочка РНК из 50—100 нуклеотидов. С участием ДНК-полимеразы на РНК наращиваются фрагменты цепей ДНК (в каждом около 1000 нуклеотидов). Затем затравочная РНК уничтожается рибонуклеазой, а синтезированные фрагменты ДНК соединяются в длинные цепи при помощи фермента полинуклеотидлигазы.

У вирусов и фагов, имеющих однонитевую ДНК, Р. идёт особым образом. После внедрения в клетку хозяина одноцепочечной ДНК, которую называют (+)-цепью, на ней, как на матрице, синтезируется комплементарная ей (—)-цепь. На образовавшейся двухспиральной молекуле (репликативная форма) синтезируются новые одноцепочечные (+)-цепи, включающиеся в новые вирусные частицы. По такому же принципу происходит Р. РНК-содержащих вирусов и фагов. Т. о., во всех известных случаях Р. ДНК и РНК проходит через стадию двухцепочечных молекул.

У высших организмов — эукариотов (См. Эукариоты), клетки которых содержат сформированное ядро, основную генетическую функцию несут сложно организованные структуры — хромосомы, состоящие из ДНК, РНК, белков и других веществ. В интерфазе (См. Интерфаза), предшествующей делению клеток (см. Митоз, Мейоз), осуществляется Р. ДНК и других компонентов хромосом; затем удвоенные хромосомы разъединяются и распределяются равномерно между дочерними клетками. Т. о., вся наследственная информация в относительно неизмененном виде передаётся от клетки к клетке, от поколения к поколению.

Лит.: Уотсон Дж., Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1967; Ратнер В. А., Принципы организации и механизмы молекулярно-генетических процессов, Новосиб., 1972; Бреслер С. Е., Молекулярная биология, Л., 1973; Стент Г., Молекулярная генетика, пер. с англ., М., 1974.

М. М. Асланян.

Структура Y-вилки, предполагаемая гипотезой прерывистой репликации ДНК.

ж.

Создание структуры, себе подобной (в процессе чего лежит передача наследственной информации от клетки к клетке и от поколения к поколению).

РЕПЛИКАЦИЯ (от позднелат. replicatio - повторение) (ауторепродукция - аутосинтез, редупликация), удвоение молекул ДНК (у некоторых вирусов РНК) при участии специальных ферментов. Репликацией называется также удвоение хромосом, в основе которого лежит репликация ДНК. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передачу ее от поколения к поколению.

РЕПЛИКАЦИЯ (от позднелатинского replicatio - повторение) (редупликация), удвоение молекул ДНК (у некоторых вирусов РНК) при участии ферментов. Обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передачу ее от поколения к поколению.

replication

copying бтх, replication

(англ. replication копирование, воспроизведение)

процесс образования реплики.

РЕПЛИКАЦИЯ

(от позднелат. replicatio — повторение), редупликация, ауторепликация, процесс самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых к-т, обеспечивающий точное копирование генетич. информации и передачу её от поколения к поколению. В основе механизма Р. лежит ферментативный синтез ДНК на матрице ДНК или РНК на матрице РНК. Важное место среди ферментов Р. занимает ДНК-зависимая ДНК-полимераза, ведущая синтез со скоростью ок. 1000 нуклеотидов в секунду (у бактерий). Р. ДНК полуконсервативна, т. е. при синтезе двух дочерних молекул ДНК каждая из них содержит одну «старую» и одну «новую» цепочку. Единица Р.— репликон. Фрагменты, синтезируемые в ходе Р., на одной («отстающей») цепи «сшиваются» ферментом ДНК-лигазой. При инициации каждого фрагмента синтезируется короткий участок РНК, к-рый потом заменяется ДНК. Р. ДНК in vivo — очень точный процесс. Частота ошибок, приводящих к спонтанным точковым мутациям, не превышает 109 на нуклеотид на поколение. В Р. участвуют белки, расплетающие двойную спираль ДНК, стабилизирующие расплетённые участки, предотвращающие запутывание молекул. Р. ДНК у эукариот происходит медленнее (ок. 100 нуклеотидов в секунду), но одновременно во мв. точках одной молекулы ДНК. Р. РНК ограничена узким кругом РНК-содержащих вирусов. Р. наз. также удвоение хромосом, в основе к-рого лежит Р. ДНК.

(редупликация), процесс воспроизведения (синтеза) дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). При этом из одной молекулы ДНК в результате её удвоения образуются две молекулы – точные копии исходной ДНК (лат. «репликацио» – повторение). Биологический смысл репликации – сохранение и точная (неискажённая) передача генетической информации в ряду поколений клеток и организмов, а также при воспроизведении ДНК-содержащих структур (митохондрий, пластид, некоторых вирусов). Поэтому репликация всегда предшествует делению ядер у эукариотических клеток, делению клеток бактерий, размножению вирусов и т.п. (см. Митоз, Мейоз).

Репликация, так же как другие важнейшие молекулярно-генетические процессы – транскрипция и трансляция, основана на матричном принципе биосинтеза и комплементарном взаимодействии между молекулами. Перед началом синтеза специальный фермент расплетает цепи двойной спирали ДНК, они расходятся (не полностью), и на каждой цепи другой фермент находит точку начала синтеза. Затем на обеих цепях, как на матрицах, происходит синтез новых цепей, причём избирательное соединение нуклеотидов строящейся цепи с цепью старой осуществляется по принципу комплементарности азотистых оснований. Расплетание цепей родительской ДНК и репликация идут параллельно. После завершения синтеза каждая новая молекула ДНК состоит из одной старой, родительской, цепи и одной новой. Такой способ репликации получил название полуконсервативного. На разных этапах процесса участвуют большое число разных ферментов, а также белки, препятствующие, напр., запутыванию цепей ДНК. В зависимости от формы ДНК – кольцевой или линейной – способы репликации имеют свои особенности. Репликация может осуществляться одновременно на многих участках одной молекулы ДНК.

Две замечательные особенности характеризуют процесс репликации – высокая скорость и высокая точность. Так, вся молекула ДНК кишечной палочки (состоит из 4·10⁶ пар нуклеотидов) реплицируется за 20 мин, т. е. в одну секунду образуется участок ДНК размером приблизительно в 3000 пар нуклеотидов. Такая скорость возможна только при чрезвычайно «согласованном» действии всего комплекса ферментов, ведущих репликацию. У эукариот скорость репликации ниже – 100—300 пар нуклеотидов в секунду. Высокую точность репликации, столь важную для сохранения специфичной для каждого биологического вида наследственной информации, обеспечивают комплементарное спаривание нуклеотидов (возможная ошибка – одно неправильное спаривание на 10⁸ —10⁹) и наличие ферментов, способных узнавать и исправлять (вырезать) ошибки репликации.

Репликацией называют также матричный биосинтез РНК на РНК (у некоторых, т. н. РНК-содержащих вирусов) и удвоение хромосом, которому предшествует репликация ДНК. См. также Дезоксирибонуклеиновые кислоты, Молекулярная биология.

(от позднелат. replicatio - повторение) (редупликация), самовоспроизведение нуклеиновых к-т (обычно ДНК, у нек-рых вирусов РНК), обеспечивающее точное копирование генетич. информации и передачу ее от поколения к поколению. При Р. ДНК нуклеотидная последовательность копируется (целиком или частично) в виде комплементарной последовательности (см. Комплементарность) дезоксирибонуклеотидов.

В процессе Р. двойная спираль ДНК, состоящая из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, раскручивается на отдельные цепи и одновременно начинается синтез новых полинуклеотидных цепей; при этом исходные цепи ДНК играют роль матриц. Новая цепь, синтезирующаяся на каждой из исходных цепей, идентична др. исходной цепи. Когда процесс завершается, образуются две идентичные двойные спирали, каждая из к-рых состоит из одной старой (исходной) и одной новой цепи (рис. 1). Таким образом от одного поколения к другому передается только одна из двух цепей, составляющих исходную молекулу ДНК,-т. наз. полуконсервативный механизм Р.

Р. состоит из большого числа последоват. этапов, к-рые включают узнавание точки началу Р., расплетание исходного дуплекса (спирали), удержание его цепей в изолированном друг от друга состоянии, инициацию синтеза на них новых дочерних цепей, их рост (элонгацию), закручивание цепей в спираль и терминацию (окончание) синтеза. Все эти этапы Р., протекающие с высокой скоростью и исключит. точностью, обеспечивает комплекс, состоящий более чем из 20 ферментов и белков,-т. наз. ДНК-репликазная система, или реплисома. Функцион. единица Р.-реплик он, представляющий собой сегмент (участок) хромосомы или внехромосомной ДНК, ограниченный точкой начала, в к-рой инициируется Р., и точкой окончания, в к-рой Р. останавливается. Скорость Р. контролируется на стадии инициации. Однажды начавшись, Р. продолжается до тех пор, пока весь репликон не будет дуплицирован (удвоен). Частотд инициации определяется взаимод. спец. регуляторных белков с точкой начала Р. Бактериальные хромосомы содержат один репликон: инициации в единств. точке начала Р. ведет к Р. всего генома. В каждом клеточном цикле Р. инициируется только один раз, Плазмиды и вирусы, являющиеся автономными генетич. элементами, представляют собой отдельные репликоны, способные к многократной инициации в клетке-хозяине. Эукариотич. хромосомы (хромосомы всех организмов, за исключением бактерий и синезеленых водорослей) содержат большое число репликонов, каждый из к-рых также однократно инициируется за один клеточный цикл.

Рис. 1. Схема полуконсервативного механизма репликации: А, Т, G и С-остатки пуриновых и пиримидиновых оснований (соотв. аденина, тимина, гуанина и цитозина); 1 -исходная цепь ДНК; 2-новая цепь ДНК.

Начиная с точки инициации, Р. осуществляется в ограни-ченной зоне, перемещающейся вдоль исходной спирали ДНК. Эта активная зона Р. (т. наз. репликац. вилка) может двигаться в обоих направлениях. При однонаправленной Р. вдоль ДНК движется одна репликац. вилка. При Двунаправленной Р. от точки инициации в противоположных направлениях расходятся две репликац. вилки; скорости их движения могут различаться. При Р. ДНК бактерии и млекопитающих скорость роста дочерней цепи составляет соотв. 500 и 50 нуклеотидов в 1 с; у растений эта величина не превышает 20 нуклеотидов в 1 с. Движение двух вилок в противоположных направлениях создает петлю, к-рая имеет вид "пузыря" или "глаза". Продолжающаяся Р. расширяет "глаз" до тех пор, пока он не включит в себя весь репликон.

В ходе Р. рост цепи осуществляется благодаря взаимод. дезоксирибонуклеозидтрифосфата с 3'-ОН концевым ну-клеотидом уже построенной части ДНК; при этом отщепляется пирофосфат и образуется фосфодиэфирная связь. Рост полинуклеотидной цепи (рис. 2) идет только с ее З'-конца, т. е. в направлении 5': 3' (см. Нуклеиновые кисло-ты). Фермент, катализирующий эту р-цию,-ДНК-полиме-раза (см. Полидезоксирибонуклеотид-синтетазы)- не способен начать матричный синтез на одноцепочечной ДНК, если нет хотя бы олигонуклеотидного биспирального участка (т. наз. затравочного олигонуклеотида) комплементарного матрице; затравочным олигонуклеотидом во мн. случаях является не ДНК, а РНК.

Рис. 2. Направление роста дезоксирибонуклеотидных цепей при репликации; сплошные линии - исходная ДНК, пунктирные - новые цепи ДНК (стрелки показывают направлениеих роста); 1-репликац. вилка.

Энергия, затрачиваемая на образование каждой новой фосфодиэфирной связи в цепи ДНК, обеспечивается расщеплением фосфатной связи между a- и b-фосфатными группами нуклеозидтрифосфата.

ДНК-полимераза имеет один центр связывания нуклеозидтрифосфата, общий для всех четырех нуклеотидов. Выбор из среды нуклеотида, основание к-рого комплементарно очередному основанию матрицы, протекает без ошибок, благодаря определяющему влиянию ДНК-матрицы (исходной цепи ДНК). При нек-рых мутационных повреждениях структуры ДНК-полимеразы в ряде случаев происходит включение некомплементарных нуклеотидов.

В процессе Р. формальной ДНК на короткое время с вероятностью 10^-4-10^-5 возникают редкие таутомерные формы всех 4 азотистых оснований нуклеотидов, к-рые образуют неправильные пары. Высокая точность Р. (вероятность ошибок не превышает 10^-9) обусловлена наличием механизмов, осуществляющих коррекцию ( репарацию).

Репликац. вилка асимметрична. Из двух синтезируемых дочерних цепей ДНК одна строится непрерывно, а другая-с перерывами. Первую наз. ведущей, или лидирующей, цепью, а вторую-отстающей. Синтез второй цепи идет медленнее; хотя в целом эта цепь строится в направлении 3': 5', каждый из ее фрагментов в отдельности наращивается в направлении 5': 3' (рис. 3). Благодаря такому прерывистому механизму синтеза, Р. обеих антипараллельных цепей осуществляется с участием одного фермента-ДНК-полимеразы, катализирующего наращивание нуклеотидной цепи только в направлении 5': 3'.

Рис. 3. Схема механизма роста цепей ДНК при репликации: А-ведущая цепь, Б-отстающая цепь, В-фрагмент Оказаки.

В качестве затравок для синтеза фрагментов отстающей цепи служат короткие отрезки РНК, комплементарные матричной цепи ДНК. Эти РНК-затравки (праймеры), состоящие примерно из 10 нуклеотидов, с определенными интервалами синтезируются на матрице отстающей цепи из рибонуклеозидтрифосфатов в направлении 5': 3' с помощью фермента РНК-праймазы. РНК-праймеры затем наращиваются дезоксинуклеотидами с 3'-конца ДНК-поли-меразой, к-рая продолжает наращивание до тех пор, пока строящаяся цепь не достигает РНК-затравки, присоединенной к 5'-концу предыдущего фрагмента. Образующиеся таким образом фрагменты (т. наз. фрагменты Оказаки) отстающей цепи насчитывают у бактерий 1000-2000 дез-оксирибонуклеотидных остатков; в животных клетках их длина не превышает 200 нуклеотидов.

Чтобы обеспечить образование непрерывной цепи ДНК из многих таких фрагментов, в действие вступает особая система репарации ДНК, удаляющая РНК-затравку и заменяющая ее на ДНК. У бактерий РНК-затравка удаляется нуклеотид за нуклеотидом благодаря 5': 3'-экзонуклеазной активности ДНК-полимеразы. При этом каждый отщепленный рибонуклеотидный мономер замещается соответствующим дезоксирибонуклеотидом (в качестве затравки используется З'-конец синтезированного на старой цепи фрагмента). Завершает весь процесс фермент ДНК-лигаза, катализирующий образование фосфодиэфирной связи между группой З'-ОН нового фрагмента ДНК и 5'-фосфатной группой предыдущего фрагмента. Образование этой связи требует затраты энергии, к-рая поставляется в ходе сопряженного гидролиза пирофосфатной связи кофермента-никотинамид-адениндинуклеотида (в бактериальных клетках) или АТФ (в животных клетках и у бактериофагов).

Раскручивание двойной спирали и пространств. разделение цепей осуществляется при помощи неск. спец. белков. Т. наз. геликазы расплетают короткие участки ДНК, находящиеся непосредственно перед репликац. вилкой. На разделение каждой пары оснований расходуется энергия гидролиза двух молекул АТФ до аденозиндифосфата и фосфата. К каждой из разделившихся цепей присоединяется неск. молекул ДНК-связывающих белков, к-рые препятствуют образованию комплементарных пар и обратному воссоединению цепей. Благодаря этому нуклеотидные последовательности цепей ДНК оказываются доступными для репликативной системы. Др. специфич. белки помогают праймазе получить доступ к матрице отстающей цепи. В результате праймаза связывается с ДНК и синтезирует РНК-затравки для фрагментов отстающей цепи. Для формирования новых спира-,лей не требуется ни затрат энергии, ни участия к.-л. "закручивающего" фермента.

В случае кольцевого репликона (напр., у плазмиды) описанный процесс наз. q-репликацией. Т. к. кольцевые молекулы ДНК закручены сами на себя (суперспирализо-ваны), при раскручивании двойной спирали в процессе Р. они должны непрерывно вращаться вокруг собств. оси. При этом возникает торсионное напряжение, к-рое устраняется путем разрыва одной из цепей. Затем оба конца сразу же вновь соединяются друг с другом. Эту ф-цию выполняет фермент ДНК-топоизомераза. Р. в этом случае обычно происходит в двух направлениях, т. е. существуют две репликац. вилки (рис. 4). После завершения Р. появляются две двухцепочечные молекулы, к-рые сначала связаны друг с другом как звенья одной цепи. При их разделении одно из двух колец временно разрывается.

Рис. 4. Один из механизмов репликации плазмиды (начало репликации обозначено точками); направления движения репликац. вилки показаны стрелками, образующиеся новые цепи ДНК-пунктиром.

Альтернативный вариант Р. кольцевого репликона предполагает разрыв в одной из цепей двухспиральной молекулы ДНК. Образовавшийся при этом свободный 3'-конец кова-лентно наращивается, оставаясь связанным с матрицей (второй, неразорванной цепью), а 5'-конец постепенно вытесняется новой полинуклеотидной цепью (рис. 5). Таким образом одна цепь разматывается и непрерывно удлиняется, а репликац. вилка скользит вокруг кольцевой матричной цепи (механизм "катящегося кольца"). По мере роста новой цепи вытесненная цепь с освободившимся 5'-концом становится линейной матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Этот синтез на линейной матрице продолжается до тех пор, пока не образуется дочерняя цепь ДНК, комплементарная одному обороту кольцевой матрицы, т. е. целому репликону. Таким путем с кольцевой матрицы может сходить большое число комплементарных копий. Такой механизм обнаружен у нек-рых вирусов, а также в ряде клеток эукариот.

Рис. 5. Схема репликации по механизму катящегося кольца (новая молекула ДНК показана пунктиром): 1-3'-конец ДНК; 2-5'-конец ДНК.

Еще одна схема Р. предполагает формирование структуры, названной D-петлей. Согласно этому механизму, сначала реплицируется только одна из цепей кольцевого репликона, тогда как вторая цепь, оставаясь интактной, вытесняется, образуя петлю. Р. второй цепи начинается с др. стартовой точки и только после того, как реплицировалась часть первой цепи. Такой механизм Р. обнаружен, напр., у митохондриальных ДНК.

Р. РНК (синтез РНК на РНК-матрице) изучена меньше. Она осуществляется только у нек-рых вирусов (напр., у вирусов полиомиелита и бешенства). Фермент, катализирующий этот процесс,-РНК-зависимая РНК-полимераза (его называют также РНК-репликазой или РНК-синтетазой). Известно неск. типов Р, РНК: 1) вирусы, содержащие матричные РНК, или мРНК [т. наз. (+)РНК], в результате Р. образуют комплементарную ей цепь [(-)РНК], не являющуюся мРНК, к-рая используется как матрица для синтеза (+)РНК; 2) вирусы, содержащие (Ч)РНК, в результате Р. синтезируют (+)РНК; 3) вирусы, содержащие двухцепочечную РНК [(+)PHK и (Ч)РНК], в результате асимметрической Р. синтезируют (+)РНК.

Гипотеза о механизме Р. сформулирована в 1953 Дж. Уотсоном и Ф. Криком, к-рые предположили, что две комплементарные цепи ДНК после их разделения могут выполнять ф-ции матриц для образования на них новых цепей ДНК. В 1958 М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально подтвердили такой механизм Р.

Лит.: Степт Г., Кэлиндар Р., Молекулярная генетика, пер. с англ., М., 1981, с. 499-520; Kornberg А., DNA replication, S. F., 1980; Ogawa T, Oka-zaki Т., "Ann. Rev. Biochem.", 1980, v. 49, p. 421-57. П. Л. Иванов.

реплика́ция

(от позднелат. replicatio — повторение) (ауторепродукция, аутосинтез, редупликация), удвоение молекул ДНК (у некоторых вирусов РНК) при участии специальных ферментов. Репликацией называют также удвоение хромосом, в основе которого лежит репликация ДНК. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключённой в молекулах ДНК, и передачу её от поколения к поколению.

* * *

РЕПЛИКА́ЦИЯ (от позднелат. replicatio — повторение) (ауторепродукция, аутосинтез, редупликация), удвоение молекул ДНК (у некоторых вирусов РНК) при участии специальных ферментов. Репликацией называется также удвоение хромосом, в основе которого лежит репликация ДНК. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передачу ее от поколения к поколению.

(от лат.replicare — отражать)

(в биологии) создание себе подобной структуры; в молекулярной генетике — синтез на каждой из нитей молекулы ДНК, иногда РНК, парной ей нити; репликация лежит в основании механизма передачи наследственной информации от клетки к клетке, от поколения к поколению (см. Трансляция, транскрипция).

copying бтх, replication

(от позднелат. replicatio - повторение) (ауторепродукция, аутосинтез, редупликация), удвоение молекул ДНК (у нек-рых вирусов РНК) при участии спец. ферментов. Р. наз. также удвоение хромосом, в основе к-рого лежит Р. ДНК. Р. обеспечивает точное копирование генетич. информации, заключённой в молекулах ДНК, и передачу её от поколения к поколению.