Синтез ДНК (или репликация, иногда встречается термин редупликация) – образование новой молекулы этого вещества на базе (матрице) исходной. В ходе деления клеток каждая вновь образовавшаяся клетка получает ДНК, являющуюся точной копией начальной.
Описание этого явления
Благодаря синтезу нуклеиновой кислоты обеспечивается полная и уникальная передача наследственной информации. Именно поэтому существует замена поколений, и более того, из поколения в поколение вся информация передается неизменной.
Репликация – довольно сложный механизм, который осуществляется взаимодействием уникального белкового комплекса. Этот комплекс называется реплисома.
Синтез ДНК имеет три стадии: инициация, элонгация, терминация. Редупликация начинается не с какого угодно участка спирали, а только со строго определенного. Этот участок является сайтом репликации. Геном же может содержать как один такой сайт, так и много. Инициация невозможна без так называемого репликона. На этом участке собственно и начинается репликация.
На сайте инициации происходит так называемое расплетание двойной спирали ДНК. В этом месте образуется репликационная вилка, где с помощью реплисомы и начинается синтез. Во время элонгации благодаря таким ферментам, как хеликаза и топоизомераза происходит вращение спирали. Правильность записи информации обеспечивается правилом комплементарности, а также ДНК-полимеразой. Явление происходит непрерывно, по направлению репликационной вилки. Во время этого затрачивается определенное количество энергии.
Когда исчерпываются возможности ДНК-матрицы, репликация прекращается. По-видимому, на этом же этапе прекращаются и ферментные реакции, обеспечивающие точность протекания деления. Следует отметить, что точность редупликации достаточно высока, а вероятность ошибки очень низкая. Если же случается ошибка синтеза, то она легко исправляется во время репарации.
История открытия синтеза
Нуклеиновые соединения изучаются еще с середины 19 века. К 1872 г. было выделено дезоксирибонуклеиновую кислоту. К началу ХХ века было установлено, что молекулы ДНК являются полимерами, которые состоят из нуклеотидов (всего их – четыре).
В 1930 году установлено, что это вещество считается обязательной составляющей всех живых организмов, поэтому встал вопрос об изучении синтеза ДНК. Для этого было исследовано типы нуклеотидной связи, строение всех нуклеотидов.
В 1950-х гг. было обнаружено, что образцы ДНК состоят из двух цепей. В 1953 г. благодаря опытам Д. Уотсона и Ф. Крика было предложено трехмерную модель дезоксирибонуклеиновой кислоты.
В 1958 г. на основании опытов над клетками бактерий эшерихий было изучено основные особенности процесса образования ДНК. Многое для современного представления репликации было сделано через исследовательскую деятельность М. Мезельсона, а также Ф. Сталя. Было доказано, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты состоит из двух цепей – исходной и только что синтезированной.
Принцип деления ДНК
Синтез ДНК или репликация – это ключевое событие в процессе деления клетки. Существуют такие основополагающие принципы этого важнейшего в биологии явления:
· Матричность. Это значит, что явление редупликации полностью последовательное, а его последовательность обеспечивается 
правилом комплементарности.
· Полуконсервативность. Это значит, что одна цепь молекулы считается заново синтезированной, а другая цепь является материнской.
· Направленность. Она обеспечивается строгими биологическими процессами.
· Полунепрерывность. Это значит, что одна цепь биополимера проходит редупликацию непрерывно, а другая – как набор коротких отдельных фрагментов. Они получили название по фамилии исследователя этого процесса Оказаки.
· Получение дезоксирибонуклеиновой кислоты начинается только со строго определенных участков ДНК – сайтов инициации.
Для чего необходим процесс синтеза
ДНК – это уникальнейший носитель наследственного материала. Плотность информации в этом объекте не имеет аналогов. Причем вся информация записывается только посредством комбинаций четырех нуклеотидов.
Редупликация также обеспечивает основополагающие свойства всех живых организмов – наследственность и изменчивость. В ходе построения новой нити образуются две абсолютно точные копии цепи. Все они являются биологически идентичными исходной цепи.
В случае же ошибки во время образования нуклеиновой кислоты происходит репарация, благодаря которой биоинформация возобновляется. Таким образом обеспечивается хранение наследственной информации и недопущение ее изменения. Поэтому биологические виды, да и вообще жизнь на Земле могут сохраняться.
Использование в медицине и генетике
Применение методов копирования ДНК в медицине и генетике используется для:
· Изучения причин и особенностей процессов мутаций в генах;
· Исследования особенностей инфицирования человека бактериями и вирусами;
· Установления родства;
· Исследование ДНК на предмет установления отцовства. И в первом, и во втором случаях материал можно взять из лейкоцитов, крови, слюны, срезов тканей;
Изучение этого сложного процесса – важная составляющая создания новых сортов растений и пород животных.
Перспективы развития
Процессы появления нуклеиновых соединений находят свое применение в генной инженерии. Здесь имеются огромные возможности для того, чтобы получать нужные качества и характеристики генетически модифицированных организмов. Возможно также выведение таких организмов, которые имеют наперед заданные свойства.
Достигнутый уровень знаний в медицине позволяет использовать деление ДНК для получения вакцин, способных излечивать от тяжелых вирусных и бактериальных инфекций.
Интересные факты
В ходе исследования особенностей репликации нуклеиновых кислот были установлены такие особенности:
· Большинство случаев онкозаболеваний вызваны отсутствием репарации.
· Повреждение цепи под воздействием факторов окружающей среды у человека происходит в каждой клетке ежечасно. Тем не менее, генетическая информация в человеке сохраняется стабильной;
· Самое близкое генетически сходное животное к нам – это свинья;
· Устойчивость бактерий к некоторым лекарствам объясняется ошибками синтеза;
· Спираль этой кислоты можно увидеть только под электронным микроскопом.