Тема удвоения ДНК часто вызывает затруднения на ЕГЭ по биологии, так как требует глубокого понимания многих молекулярных процессов. Репликация — это механизм самоудвоения нуклеиновой кислоты, который обеспечивает точное копирование и передачу генетической информации дочерним клеткам. В статье разберём, в какой период жизненного цикла клетки протекает этот процесс, какие ферменты в нём участвуют и как безошибочно решать задания по этой теме.
Место процесса в клеточном цикле
Удвоение генетического материала происходит строго в синтетический период интерфазы. Биологи обозначают этот этап латинской буквой S. Он наступает перед делением клетки путём митоза или мейоза.
С позиции энергозатрат этот процесс относится к реакциям анаболизма. Любой внутриклеточный анаболизм всегда требует серьёзных затрат молекул АТФ, поэтому синтез нуклеиновых кислот классифицируют как пластический обмен. В ходе построения новой полимерной цепи клетка непрерывно расходует энергетически богатые нуклеотиды.
Базовые принципы репликации
Молекулы нуклеиновых кислот строятся по трём основным правилам:
- Полуконсервативность. Каждая вновь образованная двойная спираль содержит одну старую материнскую нить и одну новую дочернюю нить. Исходная матрица сохраняется ровно наполовину.
- Комплементарность азотистых оснований. Нуклеотиды объединяются по чётко заданным парам. Аденин связывается с тимином двумя водородными связями, а гуанин образует тройную водородную связь с цитозином. Правило Чаргаффа: количество аденина в молекуле ДНК равно количеству тимина, а гуанина — цитозину.
- Антипараллельность цепей в пространстве. Две нити спирали всегда располагаются в противоположных направлениях. Окончанию 5′ одной цепи соответствует окончание 3′ другой цепи.
Ферменты: биологические инструменты
Механизм репликации строится на слаженной работе белкового комплекса. Нужно запомнить функции трёх главных ферментов.
Хеликаза выполняет роль расплетающего фактора. Эта молекула двигается по плотной двойной спирали и разрывает водородные связи между спаренными комплементарными основаниями.
ДНК-полимераза выступает в роли строителя новой цепи из свободных нуклеотидов. Этот белок способен синтезировать цепочку строго в одном направлении от 5′-конца к 3′-концу растущей нити. По материнской матрице фермент двигается в обратном направлении — от 3′-конца к 5′-концу.
Лигаза — это сшивающий фермент. Молекула надёжно склеивает отдельные синтезированные фрагменты нуклеиновой кислоты в одну неразрывную цепь.
Механизм процесса и репликативная вилка
Синтез полимеров начинается со стадии инициации. Хеликаза разделяет две нити, в результате чего образуется репликативный пузырь. По краям этого пузыря возникают репликативные вилки, которые по пространственной форме напоминают латинскую букву V.
Вслед за инициацией стартует элонгация — стадия активного удвоения. Цепи антипараллельны, а полимераза умеет строить новую нить только в одну заданную сторону. Поэтому процесс на двух расплетённых матрицах идёт по-разному:
- На первой матрице синтез идёт непрерывно вслед за движущейся хеликазой. Образующаяся нить называется лидирующей, или ведущей.
- На второй матрице полимеразе приходится двигаться в противоположную от хеликазы сторону короткими рывками, собирая участки длиной по несколько сотен нуклеотидов. Образующаяся прерывистая нить называется отстающей.
- Короткие отрезки строящейся отстающей цепи называются фрагментами Оказаки. Позднее они сшиваются между собой при участии лигазы.
Терминация означает окончание всех перечисленных реакций. Две готовые и полностью идентичные двойные спирали отделяются друг от друга, и клетка переходит в стадию готовности к делению.
Разбор заданий ЕГЭ
Задание 1
В молекуле ДНК количество нуклеотидов с гуанином составляет 20% от общего числа. Сколько нуклеотидов в % с тимином в этой молекуле. В ответ запишите только соответствующее число.
Решение
Количество разных видов нуклеотидов (аденина, тимина, гуанина и цитозина) в составе молекулы ДНК подчиняется правилу Чаргаффа: количество аденина равно количеству тимина, а гуанина — цитозину: А = Т, Г = Ц.
Количество всех нуклеотидов ДНК составляет 100% (А + Т + Г + Ц = 100%). Согласно правилу Чаргаффа, количество гуанина равно количеству цитозина (Г = Ц = 20%), а сумма количества гуанина и цитозина равна 40% (Г + Ц = 40%). На тимин и аденин остаётся 60% (Т + А = 100 − (Г + Ц) = 100 − 40 = 60%). А так как аденин и тимин содержатся в молекуле ДНК в равных количествах, то количество и аденина, и тимина составит по 30% (А = Т = 60 : 2 = 30%).
Ответ: 30.
Задание 2
Установите последовательность стадий репликации ДНК. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.
1) расплетение цепей ДНК
2) присоединение хеликазы к точке начала репликации
3) формирование двух идентичных молекул ДНК
4) синтез полинуклеотидной цепи ДНК
5) синтез РНК-затравки
Решение
- 2) присоединение хеликазы к точке начала репликации (инициация процесса).
- 1) расплетение цепей ДНК ферментом хеликазой, образование репликационной вилки и разрыв водородных связей.
- 5) синтез РНК-затравки (праймера) ферментом праймазой, который необходим ДНК-полимеразе для начала работы.
- 4) синтез полинуклеотидной цепи ДНК (элонгация), происходящий по правилу комплементарности.
- 3) формирование двух идентичных молекул ДНК из одной материнской (терминация).
Ответ: 21543.
Задачи для самостоятельного решения
Задание 1
В некоторой молекуле ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится 16%. Определите процентное содержание нуклеотидов с цитозином, входящих в состав этой молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.
В задаче используется принцип комплементарности. Процентное содержание аденина равно содержанию тимина. Сумма нуклеотидов А и Т составляет 32%. На долю гуанина и цитозина остаётся 68%. Разделив это число пополам, получаем ответ.
Ответ: 34.
Задание 2
Установите последовательность процессов, происходящих при репликации ДНК. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.
1) синтез РНК-затравки
2) разделение готовых молекул ДНК
3) синтез цепи ДНК
4) присоединение хеликазы к ДНК
5) расплетение цепей ДНК
- 4) присоединение хеликазы к ДНК — фермент хеликаза находит точку начала репликации и связывается с молекулой ДНК.
- 5) расплетение цепей ДНК — хеликаза разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, раскручивая двойную спираль и образуя репликационную вилку.
- 1) синтез РНК-затравки — фермент праймаза создаёт короткий участок РНК (праймер), необходимый для начала работы ДНК-полимеразы.
- 3) синтез цепи ДНК — ДНК-полимераза достраивает новую цепь ДНК по принципу комплементарности.
- 2) разделение готовых молекул ДНК — образуются две идентичные двухцепочечные молекулы ДНК, которые полностью обособляются друг от друга.
Ответ: 45132.
Заключение
Теперь ты понимаешь тонкости матричного синтеза и молекулярных реакций внутри клетки.
После изучения статьи ты умеешь:
- правильно определять периоды жизненного цикла и находить стадию удвоения ДНК;
- понимать разницу между ведущей и отстающей цепью в репликативной вилке;
- чётко различать функции ферментов хеликазы, ДНК-полимеразы и лигазы;
- решать расчётные биологические задачи на правило комплементарности и изменение массы генетического материала.
Чтобы не допускать обидных ошибок по невнимательности и закрепить навык, рекомендуем решить 8–10 прототипов по цитологии в «100балльном банке». Внимательно читай условия каждого задания и обращай внимание на названия ферментов.
