Репликация ДНК

Урок о том, как клетка делает точную копию всей своей ДНК перед делением.

Репликация — удвоение молекулы ДНК, при котором каждая из двух старых цепей служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи.

Зачем нужна репликация

Чтобы из одной клетки получились две, каждая дочерняя должна унести полный комплект ДНК. Значит, перед делением весь геном нужно скопировать — точно, целиком и быстро. Ошибка здесь обернётся мутацией в потомстве.

Полуконсервативный механизм

Двойная спираль расплетается, как застёжка-молния. Каждая старая цепь становится матрицей: по правилу комплементарности фермент ДНК-полимераза достраивает напротив неё новую цепь. В итоге каждая из двух новых молекул состоит из одной старой и одной новой цепи — поэтому механизм называют полуконсервативным.

pair = {"A": "T", "T": "A", "G": "C", "C": "G"}
original = "ATGCGGAT"

def replicate(strand):
    new = "".join(pair[b] for b in strand)
    return new

strand1 = original
strand2 = replicate(strand1)
# после расплетания каждая цепь достраивается
molecule_A = (strand1, replicate(strand1))
molecule_B = (replicate(strand2), strand2)
print("Молекула A:", molecule_A)
print("Молекула B:", molecule_B)
print("Совпадают исходной:", molecule_A[0] == molecule_B[1])

Вывод:

Молекула A: ('ATGCGGAT', 'TACGCCTA')
Молекула B: ('ATGCGGAT', 'TACGCCTA')
Совпадают исходной: True

Обе дочерние молекулы идентичны исходной — копирование точное.

Ведущая и отстающая цепь

ДНК-полимераза умеет синтезировать только в направлении $5' \to 3'$. Поскольку цепи антипараллельны, одна новая цепь (ведущая) строится непрерывно, а вторая (отстающая) — короткими кусочками (фрагментами Оказаки), которые потом сшиваются ферментом лигазой.

Как работает под капотом

Точность репликации поразительна: ДНК-полимераза умеет проверять себя (корректирующая активность) и исправлять только что поставленное неверное основание. Без проверки ошибка случалась бы примерно раз на $10^4$ нуклеотидов, а с проверкой и системами репарации — примерно раз на $10^9$. Для генома человека из $3 \cdot 10^9$ пар это означает лишь единицы ошибок на всё удвоение. Именно высокая, но не идеальная точность даёт и стабильность наследования, и редкие мутации — топливо эволюции.

Частые ошибки

• Считают, что новая ДНК полностью новая. Она наполовину старая (полуконсервативность).
• Думают, что полимераза строит в любом направлении. Только $5' \to 3'$.
• Путают репликацию (ДНК в ДНК) с транскрипцией (ДНК в РНК).

Итог

• Репликация полуконсервативна: каждая новая молекула = старая цепь + новая цепь.
• Матрицей служит правило комплементарности, синтез ведёт ДНК-полимераза.
• Синтез идёт только $5' \to 3'$: отсюда ведущая и отстающая цепи.
• Корректирующая активность снижает частоту ошибок примерно до одной на миллиард.