Αντιγραφή DNA

Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, δηλαδή το DNA ( το DNA είναι το ακρωνύμιό του στα αγγλικά), αποτελεί την ταυτότητα κάθε κυττάρου, καθώς είναι το γενετικό του υλικό. Όταν ένα κύτταρο διαιρείται για να σχηματίσει δύο κύτταρα, είτε μέσω της μίτωσης είτε της μείωσης, τα βιομόρια και τα οργανίδια πρέπει να διπλασιαστούν για να δημιουργήσουν κάθε νέο κύτταρο. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, το DNA βρίσκεται μέσα στον πυρήνα του κυττάρου και πρέπει να αντιγραφεί ακριβώς για να διασφαλιστεί ότι τα δύο νέα κύτταρα είναι πανομοιότυπα με αυτό που τα δημιούργησε και επίσης ότι έχουν τον σωστό αριθμό χρωμοσωμάτων. Η διαδικασία αντιγραφής του DNA ονομάζεται  αντιγραφή .; Είναι μια ουσιαστική διαδικασία για την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή των κυττάρων, καθώς και για τις διαδικασίες επιδιόρθωσης των κυττάρων. Η διαδικασία αντιγραφής του DNA έχει πολλά στάδια και περιλαμβάνει διάφορες πρωτεΐνες που ονομάζονται ένζυμα αντιγραφής , καθώς και RNA , ριβονουκλεϊκό οξύ.  Στα ευκαρυωτικά κύτταρα , τα κύτταρα που αποτελούν τα ζώα και τα φυτά, η αντιγραφή του DNA λαμβάνει χώρα στη φάση S του κυτταρικού κύκλου .

Αυτές είναι οι βασικές πτυχές της αντιγραφής του DNA:

• Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, κοινώς γνωστό ως DNA, είναι ένα νουκλεϊκό οξύ που έχει τρία κύρια συστατικά: ένα σάκχαρο, δεοξυριβόζη. μια φωσφορική ομάδα? και μια αζωτούχα βάση.
• Δεδομένου ότι το DNA περιέχει το γενετικό υλικό ενός οργανισμού, είναι σημαντικό να αντιγράφεται ακριβώς όταν ένα κύτταρο διαιρείται. Η πολύπλοκη βιοχημική διαδικασία που οδηγεί στην αντιγραφή του DNA ονομάζεται αντιγραφή.
• Η αντιγραφή περιλαμβάνει την παραγωγή πανομοιότυπων κλώνων DNA από ένα μόριο DNA διπλής έλικας.
• Τα ένζυμα είναι ζωτικής σημασίας για την αντιγραφή του DNA, καθώς καταλύουν πολύ σημαντικά βήματα στη διαδικασία.
• Η γενική διαδικασία αντιγραφής του DNA είναι εξαιρετικά σημαντική τόσο για την κυτταρική ανάπτυξη όσο και για την αναπαραγωγή των οργανισμών. Είναι επίσης ζωτικής σημασίας στη διαδικασία επιδιόρθωσης των κυττάρων.

τη δομή του DNA

Το DNA ή το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ είναι ένας τύπος μορίου γνωστό ως νουκλεϊκό οξύ. Αποτελείται από δεοξυριβόζη, ένα σάκχαρο που έχει πέντε άτομα άνθρακα (C ₅ H ₁₀ O ₄ ), ένα φωσφορικό άλας και μια αζωτούχα βάση. Το DNA αποτελείται από δύο σπειροειδείς κλώνους νουκλεϊκού οξέος που συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν μια διπλή έλικα. Το διαπλεκόμενο σχήμα έλικας επιτρέπει στο DNA να είναι ένα μόριο που ονομάζεται χρωματίνη και είναι το συστατικό των χρωμοσωμάτων. Πριν από την αντιγραφή του DNA, η χρωματίνη ξεδιπλώνεται επιτρέποντας στις διαδικασίες κυτταρικής αντιγραφής των κλώνων του DNA να αναλάβουν.

Προετοιμασία για αναπαραγωγή

Βήμα 1: σχηματισμός της διχάλας αναπαραγωγής

Πριν ξεκινήσει η διαδικασία αντιγραφής του DNA, πρέπει να διαχωριστούν οι δύο αλληλένδετες κλώνοι που το αποτελούν. Το DNA αποτελείται από τέσσερις βάσεις που ονομάζονται αδενίνη (Α), θυμίνη (Τ), κυτοσίνη (C) και γουανίνη (G), οργανωμένες σε ζεύγη που ενώνουν τις δύο αλυσίδες μεταξύ τους, σχηματίζοντας γέφυρες. Η αδενίνη συνδέεται μόνο με τη θυμίνη και η κυτοσίνη μόνο με τη γουανίνη. Για να διαχωριστούν οι δύο κλώνοι DNA, αυτές οι γέφυρες που σχηματίζονται από τις βάσεις πρέπει να σπάσουν. Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται από ένα ένζυμο γνωστό ως ελικάση DNA. Η ελικάση DNA διαταράσσει διαδοχικά τον δεσμό υδρογόνου μεταξύ των βάσεων που σχηματίζουν κάθε γέφυρα μεταξύ των δύο κλώνων, απομακρύνοντάς τους και, στη διαδικασία, μετασχηματίζοντας τη διπλή έλικα σε ένα συγκρότημα διακλάδωσης σχήματος Υ, γνωστό ως πιρούνι αντιγραφής, όπως φαίνεται στο εικόνα.

Ως συνέπεια του διαχωρισμού των αλυσίδων και λαμβάνοντας υπόψη ότι οι βάσεις που σχηματίζουν τις γέφυρες είναι διαφορετικές σε κάθε αλυσίδα, η καθεμία θα έχει διαφορετική σύνθεση μετά τη διαίρεση. Το άκρο της γέφυρας που παραμένει σε κάθε σκέλος μετά τον διαχωρισμό εκφράζεται ως 5′ ή 3′. Το 5′ άκρο έχει μια φωσφορική (Ρ) ομάδα ενώ το 3′ άκρο έχει μια ομάδα υδροξυλίου (ΟΗ). Αυτή η κατευθυντικότητα είναι σημαντική στη διαδικασία αναπαραγωγής, καθώς εμφανίζεται μόνο στην κατεύθυνση 5′ προς 3′. Ωστόσο, όπως αναφέρθηκε, η διχάλα της διαίρεσης δημιουργεί διαφορετικά άκρα σε κάθε αλυσίδα. Η μία χορδή θα είναι προσανατολισμένη στην κατεύθυνση 3′ προς 5′, η κορυφαία χορδή, ενώ η άλλη θα είναι προσανατολισμένη 5′ προς 3′, η υστερούσα χορδή. Επομένως,

Αρχίζει η αναπαραγωγή

Βήμα 2: δέσμευση έναρξης

Η κύρια αλυσίδα είναι η πιο εύκολη αναπαραγωγή. Μόλις διαχωριστούν οι κλώνοι του DNA, ένα σύντομο κομμάτι RNA, ένα μόριο εκκίνησης, προσκολλάται στο 3′ άκρο του κλώνου, παρέχοντας το σημείο εκκίνησης για αντιγραφή. Αυτά τα μόρια έναρξης δημιουργούνται από το ένζυμο DNA πριμάση.

Αντιγραφή DNA: επιμήκυνση

Βήμα 3: Επιμήκυνση

Ένζυμα γνωστά ως πολυμεράσες DNA είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία του νέου κλώνου μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται επιμήκυνση. Υπάρχουν πέντε διαφορετικοί τύποι DNA πολυμερασών τόσο στα βακτήρια όσο και στα ανθρώπινα κύτταρα. Σε βακτήρια όπως το E. coli, η πολυμεράση III είναι το κύριο ένζυμο αντιγραφής, ενώ η πολυμεράση I, II, IV και V είναι υπεύθυνες για τον έλεγχο και την επιδιόρθωση τυχόν σφαλμάτων που εμφανίζονται στην αλυσίδα. Η DNA πολυμεράση III συνδέεται με τον κλώνο στη θέση έναρξης και αρχίζει να προσθέτει νέα συμπληρωματικά ζεύγη βάσεων στον αναδιπλασιαζόμενο κλώνο. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, οι πολυμεράσες άλφα, δέλτα και έψιλον είναι οι κύριες πολυμεράσες που εμπλέκονται στην αντιγραφή του DNA. Επειδή η αντιγραφή προχωρά στην κατεύθυνση 5′ προς 3′ στον κύριο κλώνο, ο νέος κλώνος σχηματίζεται συνεχώς.

Η καθυστερημένη αλυσίδα ξεκινά την αναπαραγωγή από πολλαπλούς εκκινητές. Κάθε αστάρι χωρίζεται από πολλές βάσεις. Η DNA πολυμεράση προσθέτει κομμάτια DNA, που ονομάζονται θραύσματα Okazaki, στα τμήματα του κλώνου που βρίσκονται μεταξύ των εκκινητών. Έτσι, η διαδικασία αντιγραφής είναι ασυνεχής, αφού εναλλάσσεται στα μήκη της αλυσίδας μεταξύ των εκκινητών.

Βήμα 4: Τερματισμός

Μόλις σχηματιστούν οι συνεχείς και ασυνεχείς κλώνοι, ένα ένζυμο που ονομάζεται εξωνουκλεάση αφαιρεί όλους τους εκκινητές RNA από τους αρχικούς κλώνους. Αυτοί οι εκκινητές στη συνέχεια αντικαθίστανται με τις αντίστοιχες βάσεις. Μια άλλη εξωνουκλεάση διορθώνει το νεοσχηματισμένο DNA για να το επαληθεύσει, αφαιρώντας και αντικαθιστώντας τυχόν σφάλματα που μπορεί να έχουν συμβεί στη διαδικασία. Ένα άλλο ένζυμο που ονομάζεται λιγάση DNA ενώνει τα θραύσματα Okazaki σε έναν μόνο κλώνο. Τα γραμμικά άκρα του DNA παρουσιάζουν πρόβλημα, καθώς η DNA πολυμεράση μπορεί να προσθέσει νουκλεοτίδια μόνο στην κατεύθυνση 5′ προς 3′. Τα άκρα των μητρικών κλώνων αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA που ονομάζονται τελομερή. Τα τελομερή λειτουργούν ως προστατευτικά καλύμματα στο τέλος των χρωμοσωμάτων για να αποτρέψουν τη σύντηξη των κοντινών χρωμοσωμάτων. Ένας ειδικός τύπος ενζύμου DNA πολυμεράσης που ονομάζεται τελομεράση καταλύει τη σύνθεση αλληλουχιών τελομερών στα άκρα του DNA. Μόλις ολοκληρωθεί, ο μητρικός κλώνος και ο συμπληρωματικός κλώνος του DNA συνδέονται μεταξύ τους με τον γνωστό τρόπο διπλής έλικας. Στο τέλος της διαδικασίας αντιγραφής, παράγονται δύο μόρια DNA, το καθένα από τα οποία περιέχει έναν κλώνο από το αρχικό μόριο και έναν νέο κλώνο που παράγεται στη διαδικασία αντιγραφής.

ένζυμα αντιγραφής

Η αντιγραφή του DNA δεν θα γινόταν χωρίς τη συμμετοχή ενζύμων που καταλύουν διάφορα στάδια της διαδικασίας. Τα κύρια ένζυμα που εμπλέκονται στη διαδικασία αντιγραφής του ευκαρυωτικού DNA είναι:

• DNA ελικάση: Ξεδιπλώνει και διαχωρίζει τη διπλή αλυσίδα του DNA καθώς κινείται κατά μήκος του μορίου. Σχηματίζει έτσι τη διχάλα αντιγραφής σπάζοντας τους δεσμούς υδρογόνου που σχηματίζουν τις γέφυρες μεταξύ ζευγών νουκλεοτιδίων DNA.
• DNA πριμάση: Ένας τύπος πολυμεράσης RNA που δημιουργεί εκκινητές για τη διαδικασία. Οι εκκινητές είναι βραχέα μόρια RNA που δρουν ως εκμαγεία στο σημείο έναρξης της αντιγραφής του DNA.
• Πολυμεράσες DNA: συνθέτουν νέα μόρια DNA προσθέτοντας νουκλεοτίδια στους κύριους και υστερούντες κλώνους DNA.
• Τοποϊσομεράση ή DNA γυράση: Ξεδιπλώνει και συμπλέκει τους κλώνους του DNA για να αποτρέψει το μπλέξιμο του DNA.
• Εξωνουκλεάσες: Μια ομάδα ενζύμων που αφαιρούν νουκλεοτιδικές βάσεις από το άκρο ενός κλώνου DNA.
• DNA λιγάση: ενώνει θραύσματα DNA σχηματίζοντας φωσφοδιεστερικούς δεσμούς μεταξύ νουκλεοτιδίων.

Περίληψη

Η αντιγραφή του DNA είναι μια διαδικασία που δημιουργεί πανομοιότυπους κλώνους DNA από ένα μόνο μόριο DNA διπλής έλικας. Κάθε νέο μόριο DNA αποτελείται από έναν κλώνο από το αρχικό μόριο και έναν κλώνο που σχηματίζεται κατά τη διαδικασία της αντιγραφής. Πριν από την αντιγραφή, το DNA ξεδιπλώνεται και οι κλώνοι της διπλής έλικας διαχωρίζονται. Σχηματίζεται μια διχάλα αντιγραφής σε σχήμα Υ που χρησιμεύει ως πρότυπο για την αναπαραγωγή. Τα μόρια εκκινητών προσκολλώνται σε διαχωρισμένους κλώνους DNA και οι πολυμεράσες DNA προσθέτουν νέες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων στην κατεύθυνση 5′ προς 3′.

Αυτή η ενσωμάτωση νουκλεοτιδίου είναι συνεχής στον οδηγό κλώνο και κατακερματισμένη στον υστερούντα κλώνο. Μόλις ολοκληρωθεί η επιμήκυνση των κλώνων του DNA, οι νέοι κλώνοι ελέγχονται για σφάλματα, γίνονται επισκευές όπως απαιτείται και αλληλουχίες τελομερών προστίθενται στα άκρα του DNA.

Κρήνη

• Reece, Jane B. και Neil A. Campbell. Campbell Biology . Benjamin Cummings, 2011.
• Lehninger. Principles of Biochemistry – Omega, 6η Έκδοση 2014