DNS replikáció

A dezoxiribonukleinsav, vagyis a DNS ( angolul a DNS a mozaikszója) képezi az egyes sejtek identitását, mivel ez a genetikai anyaga. Amikor egy sejt osztódik két sejtté, akár mitózis, akár meiózis útján, a biomolekuláknak és az organellumoknak meg kell duplikálódniuk, hogy minden új sejtet létrehozzanak. Az eukarióta sejtekben a DNS a sejtmagban található, és pontosan meg kell replikálni, hogy a két új sejt azonos legyen az őket létrehozó sejtekkel, és megfelelő számú kromoszómával rendelkezzenek. A DNS megkettőződésének folyamatát  replikációnak nevezzük.; nélkülözhetetlen folyamat a sejtnövekedésben és szaporodásban, valamint a sejtjavítási folyamatokban. A DNS-replikációs folyamat több lépésből áll, és különböző fehérjéket, úgynevezett replikációs enzimeket , valamint RNS-t és ribonukleinsavat foglal magában.  Az eukarióta sejtekben , az állatokat és növényeket alkotó sejtekben a DNS-replikáció a sejtciklus S fázisában megy végbe .

Ezek a DNS-replikáció legfontosabb szempontjai:

• A dezoxiribonukleinsav, közismert nevén DNS, egy nukleinsav, amelynek három fő összetevője van: cukor, dezoxiribóz; foszfátcsoport; és nitrogéntartalmú bázis.
• Mivel a DNS egy organizmus genetikai anyagát tartalmazza, fontos, hogy azt pontosan a sejtosztódáskor másolják le. Az összetett biokémiai folyamatot, amely a DNS másolásához vezet, replikációnak nevezik.
• A replikáció magában foglalja az azonos DNS-szálak előállítását egy kettős hélix DNS-molekulából.
• Az enzimek létfontosságúak a DNS-replikációhoz, mivel a folyamat nagyon fontos lépéseit katalizálják.
• A DNS-replikáció általános folyamata rendkívül fontos mind a sejtnövekedés, mind az élőlények szaporodása szempontjából. A sejtjavítási folyamatban is létfontosságú.

a DNS szerkezete

A DNS vagy dezoxiribonukleinsav a nukleinsavként ismert molekula típusa. Dezoxiribózból, egy öt szénatomos cukorból (C ₅ H ₁₀ O ₄ ), egy foszfátból és egy nitrogénbázisból áll. A DNS két spirál alakú nukleinsavszálból áll, amelyek egymáshoz kapcsolva kettős hélixet alkotnak. Az összefonódó hélix alak lehetővé teszi, hogy a DNS kromatinnak nevezett molekula legyen, és a kromoszómák alkotóeleme. A DNS-replikáció előtt a kromatin kibontakozik, lehetővé téve a DNS-szálak sejtreplikációs folyamatainak átvételét.

Felkészülés a replikációra

1. lépés: a replikációs villa kialakítása

A DNS-replikációs folyamat megkezdése előtt el kell választani az azt alkotó két egymásba fonódó szálat. A DNS négy bázisból áll: adenin (A), timin (T), citozin (C) és guanin (G), párokba rendeződve, amelyek összekapcsolják a két láncot, és hidakat alkotnak. Az adenin csak a timinhez, a citozin pedig csak a guaninhoz kötődik. A két DNS-szál szétválasztásához ezeket a bázisok által alkotott hidakat meg kell szakítani. Ezt a folyamatot egy DNS-helikáz néven ismert enzim hajtja végre. A DNS-helikáz szekvenciálisan megbontja a hidrogénkötést a két szál között hidat képező bázisok között, széthúzza őket, és közben a kettős hélixet egy Y-alakú elágazó egységgé alakítja, amelyet replikációs villának neveznek, amint az a képen látható. ábra.

A láncok szétválásából adódóan, és figyelembe véve, hogy az egyes láncokban a hidakat alkotó alapok eltérőek, a felosztás után mindegyik más összetételű lesz. A híd végét, amely az egyes szálakon marad az elválasztás után, 5′ vagy 3′-ként fejezzük ki. Az 5′ végén foszfát (P), míg a 3′ végén hidroxil (OH) csoport található. Ez az irányultság fontos a replikációs folyamatban, mivel csak 5′-3′ irányban fordul elő. Azonban, mint már említettük, a felosztás elágazása minden láncon más-más végeket hoz létre. Az egyik karakterlánc 3′ és 5′ közötti irányba, a vezető karakterlánc, míg a másik 5′ és 3′ közötti, a lemaradó karakterlánc orientációja lesz. Ebből adódóan,

Megkezdődik a replikáció

2. lépés: kötés kezdeményezése

A főlánc a legkönnyebben reprodukálható. A DNS-szálak elválasztása után a szál 3′-végéhez egy rövid RNS-darab, egy starter molekula kapcsolódik, amely a replikáció kiindulópontja. Ezeket az iniciációs molekulákat a DNS-primáz enzim hozza létre.

DNS replikáció: elongáció

3. lépés: Megnyúlás

A DNS-polimerázok néven ismert enzimek felelősek az új szál létrehozásáért az elongációnak nevezett folyamaton keresztül. Mind a baktériumokban, mind az emberi sejtekben öt különböző típusú DNS-polimeráz található. Az olyan baktériumokban, mint az E. coliA polimeráz III a fő replikációs enzim, míg a polimeráz I, II, IV és V a láncban előforduló hibák ellenőrzéséért és javításáért felelős. A DNS-polimeráz III az iniciációs helyen kötődik a szálhoz, és új komplementer bázispárokat kezd hozzáadni a replikáló szálhoz. Az eukarióta sejtekben az alfa, delta és epszilon polimerázok a fő polimerázok, amelyek részt vesznek a DNS replikációjában. Mivel a replikáció a fő szálon 5′-3′ irányban halad, az új szál folyamatosan képződik.

A lemaradó lánc több kezdeményezőtől indítja el a replikációt. Mindegyik alapozót több bázis választja el. A DNS-polimeráz DNS-darabokat, úgynevezett Okazaki-fragmenseket ad a primerek között elhelyezkedő szálszakaszokhoz. Így a replikációs folyamat nem folytonos, mivel az iniciátorok közötti lánc hosszában váltakozik.

4. lépés: Felmondás

A folyamatos és nem folytonos szálak kialakulása után az exonukleáz nevű enzim eltávolítja az összes RNS primert az eredeti szálakból. Ezeket a primereket ezután a megfelelő bázisokkal helyettesítjük. Egy másik exonukleáz lektorálja az újonnan képződött DNS-t, hogy ellenőrizze azt, eltávolítva és kicserélve a folyamat során esetlegesen előforduló hibákat. Egy másik enzim, a DNS-ligáz egyetlen szálba kapcsolja össze az Okazaki-fragmenseket. A lineáris DNS-végek problémát jelentenek, mivel a DNS-polimeráz csak 5′-3′ irányban tud hozzáadni nukleotidokat. A kiindulási szálak végei ismétlődő DNS-szekvenciákból, úgynevezett telomerekből állnak. A telomerek védőkupakként működnek a kromoszómák végén, hogy megakadályozzák a közeli kromoszómák összeolvadását. A DNS polimeráz enzim egy speciális típusa, a telomeráz katalizálja a DNS végein lévő telomer szekvenciák szintézisét. Ha elkészült, a szülőszál és a komplementer DNS-szál a jól ismert kettős hélix módon kapcsolódnak egymáshoz. A replikációs folyamat végén két DNS-molekula keletkezik, amelyek mindegyike tartalmaz egy szálat az eredeti molekulából és egy új szálat, amely a replikációs folyamat során keletkezik.

replikációs enzimek

A DNS-replikáció nem megy végbe a folyamat különböző lépéseit katalizáló enzimek részvétele nélkül. Az eukarióta DNS replikációs folyamatában részt vevő fő enzimek:

• DNS-helikáz: Kibontja és elválasztja a DNS kettős szálát, ahogy az a molekula hosszában mozog. Így a DNS-nukleotidpárok közötti hidakat alkotó hidrogénkötések megszakításával a replikációs villát képezi.
• DNS-primáz: Az RNS-polimeráz egyik típusa, amely primereket állít elő a folyamathoz. A primerek rövid RNS-molekulák, amelyek templátként működnek a DNS-replikáció kiindulási pontján.
• DNS-polimerázok: új DNS-molekulákat szintetizálnak úgy, hogy nukleotidokat adnak a vezető és lemaradt DNS-szálhoz.
• Topoizomeráz vagy DNS-giráz: Kibontja és összefonja a DNS-szálakat, hogy megakadályozza a DNS összegabalyodását.
• Exonukleázok: Olyan enzimek csoportja, amelyek eltávolítják a nukleotid bázisokat a DNS-szál végéről.
• DNS-ligáz: összekapcsolja a DNS-fragmenseket, és foszfodiészter kötéseket hoz létre a nukleotidok között.

Összegzés

A DNS-replikáció egy olyan folyamat, amely egyetlen kettős hélix DNS-molekulából azonos DNS-szálakat hoz létre. Minden új DNS-molekula az eredeti molekulából származó egy szálból és egy, a replikáció során keletkezett szálból áll. A replikáció előtt a DNS kibontakozik, és a kettős hélix szálai elválik. Egy Y alakú replikációs villa jön létre, amely sablonként szolgál a replikációhoz. A primer molekulák az elválasztott DNS-szálakhoz kapcsolódnak, a DNS-polimerázok pedig új nukleotidszekvenciákat adnak hozzá 5′-3′ irányban.

Ez a nukleotid beépülés a vezető szálon folyamatos, a lemaradó szálon pedig fragmentált. Amint a DNS-szálak megnyúlása befejeződött, az új szálakat ellenőrzik, hogy vannak-e hibák, szükség szerint javításokat végeznek, és telomer szekvenciákat adnak a DNS végeihez.

Szökőkút

• Reece, Jane B. és Neil A. Campbell. Campbell biológia . Benjamin Cummings, 2011.
• Lehninger. A biokémia alapelvei – Omega, 6. kiadás, 2014