Структура ДНК и правило комплементарного спаривания оснований дают представление о возможных механизмах удвоения (репликации) ДНК. Теоретичеки таких механизмов три.

1. Цепи отделяются друг от друга, и каждая служит матрицей для построения комплементарной цепи. В результате синтезируются две молекулы, у каждой из которых одна цепь старая и одна новая. Такой способ репликации ДНК называют полуконсервативным.

2. Если после удвоения одна молекула оказывается состоящей из двух старых цепей, а другая — из двух новых, говорят о консервативном механизме репликации.

3. При дисперсном механизме репликации каждая из двух вновь образованных молекул должна содержать в обеих цепях как новые, так и старые участки. Чтобы узнать, какой из механизмов реализуется в клетках, надо уметь различать старые и новые цепи ДНК. Эту проблему смогли разрешить американские исследователи М Мезельсон и Ф. Сталь в экспериментах по репликации ДН К кишечной палочки. Бактерии в течение большого числа поколений выращивали на среде, содержащей тяжелый изотоп азота 15N. У таких бактерий весь азот в ДНК замещался этим изотопом, и, следовательно, ДНК имела большую плотность, чем ДНК бактерий, выращенных на нормальной среде.

Плотность молекул ДНК можно определить, центрифугируя ее в растворе хлористого цезия с очень высокой скоростью в течение нескольких дней. Под действием силы тяжести молекулы движутся и занимают в пробирке место, в котором их плотность равна плотности раствора. После переноса бактерий на среду с нормальным (легким) изотопом l4N через определенные промежутки времени отбирали образцы культуры, выделяли ДНК и определяли ее плотность. В этих клетках синтезируется новая ДНК, в которую включаются легкие атомы азота. Если новая двойная спираль содержит одну родительскую и одну дочернюю цепи, то спустя одно поколение после переноса будет обнаружена ДНК с промежуточной плотностью; после двух циклов-ДНК с промежуточной плотностью и легкая ДНК. Если репликация консервативна, то старая молекула будет иметь две тяжелые цепи, а новая - две легкие, и после одного, и после двух циклов репликации в нормальной среде будет обнаруживаться как тяжелая, так и легкая ДНК.

При дисперсном типе репликации должна появляться ДНК с промежуточной плотностью, но обе цепи молекулы должны содержать и тяжелый, и легкий изотопы.
Результаты, палученные М. Мезельсоном и Ф. Сталем, представлены на рисунке. После одного цикла в нормальной среде обнаружена только ДНК с промежуточной плотностью, после двух - половина ДНК имела промежуточную плотность, половина была легкой. При разделении цепей ДНК промежуточной плотности и центрифугировании одноцепочечной ДНК обнаруживаются тяжелые и легкие цепи. Эти результаты свидетельствуют о полуконсервативном типе репликации ДНК у кишечной палочки. Позднее подобные эксперименты проводили с другими прокариотическими и эукариотиче-скими организмами, и всегда оказывалось, что репликация ДНК полуконсервативна,

Удвоение хромосом в ядрах эукариот также происходит полуконсервативным способом. Это было доказано Дж. Тейлором в опытах на митотических клетках корешка бобов Vicia faba. Семена проращивали на среде, содержащей меченый 3Н-тимидин. Радиоактивная метка включается в ДНК; ее можно обнаружить в хромосомах делящихся клеток. Если перенести корешки в среду без метки, во вновь синтезированные цепи ДНК булет включаться немеченый тимидин. После одного деления клеток в нормальной среде метку обнаруживали в обеих хроматидах метафазных хромосом, после второго деления - одна хроматида содержала метку, другая не содержала метки. Эти результаты согласуются с представлением о том, что хроматида состоит из одной молекулы ДНК, и ДНК реплицируется полуконсервативно. Позднее Дж. Тэйлор показал, что перед мейотическим делением происходит также полуконсервативная репликация ДНК.

Таким образом, репликация ДНК у про- и эукариотических организмов происходит по полуконсервативному механизму. Каждая из двух цепей молекулы служит матрицей для создания комплементарной цепи, и каждая новая молекула состоит из одной родительской и одной дочерней цепи.

- Читать далее "Типы репликации геномов. Инициация репликации генома."