replikacja DNA

Kwas dezoksyrybonukleinowy, czyli DNA ( DNA to jego akronim w języku angielskim), stanowi o tożsamości każdej komórki, gdyż jest jej materiałem genetycznym. Kiedy komórka dzieli się, tworząc dwie komórki, w wyniku mitozy lub mejozy, biomolekuły i organelle muszą się duplikować, aby utworzyć każdą nową komórkę. W komórkach eukariotycznych DNA znajduje się w jądrze komórkowym i musi zostać dokładnie zreplikowane, aby upewnić się, że dwie nowe komórki są identyczne z tą, z której pochodzą, a także, że mają prawidłową liczbę chromosomów. Proces powielania DNA nazywa się  replikacją .; jest niezbędnym procesem we wzroście i reprodukcji komórek, a także w procesach naprawy komórek. Proces replikacji DNA ma kilka etapów i obejmuje różne białka zwane enzymami replikacyjnymi , a także RNA , kwas rybonukleinowy.  W komórkach eukariotycznych , komórkach budujących zwierzęta i rośliny, replikacja DNA zachodzi w fazie S cyklu komórkowego .

Oto kluczowe aspekty replikacji DNA:

• Kwas dezoksyrybonukleinowy, powszechnie znany jako DNA, to kwas nukleinowy, który ma trzy główne składniki: cukier, dezoksyrybozę; grupa fosforanowa; i zasadą azotową.
• Ponieważ DNA zawiera materiał genetyczny organizmu, ważne jest, aby był kopiowany dokładnie podczas podziału komórki. Złożony proces biochemiczny, który prowadzi do kopiowania DNA, nazywa się replikacją.
• Replikacja obejmuje wytwarzanie identycznych nici DNA z cząsteczki podwójnej helisy DNA.
• Enzymy są niezbędne do replikacji DNA, ponieważ katalizują bardzo ważne etapy procesu.
• Ogólny proces replikacji DNA jest niezwykle ważny zarówno dla wzrostu komórek, jak i reprodukcji organizmów. Jest również niezbędny w procesie naprawy komórek.

struktura DNA

DNA lub kwas dezoksyrybonukleinowy to rodzaj cząsteczki znanej jako kwas nukleinowy. Składa się z dezoksyrybozy, cukru o pięciu atomach węgla (C ₅ H ₁₀ O ₄ ), fosforanu i zasady azotowej. DNA składa się z dwóch spiralnie ukształtowanych nici kwasu nukleinowego, które są połączone ze sobą, tworząc podwójną helisę. Kształt splecionej helisy sprawia, że ​​DNA jest cząsteczką zwaną chromatyną i jest składnikiem chromosomów. Przed replikacją DNA chromatyna rozwija się, umożliwiając przejęcie komórkowych procesów replikacji nici DNA.

Przygotowanie do replikacji

Krok 1: tworzenie widełek replikacyjnych

Zanim rozpocznie się proces replikacji DNA, dwie splecione ze sobą nici, które go tworzą, muszą zostać rozdzielone. DNA składa się z czterech zasad zwanych adeniną (A), tyminą (T), cytozyną (C) i guaniną (G), zorganizowanych w pary, które łączą ze sobą dwa łańcuchy, tworząc mostki. Adenina łączy się tylko z tyminą, a cytozyna tylko z guaniną. Aby rozdzielić dwie nici DNA, mostki utworzone przez zasady muszą zostać rozerwane. Proces ten jest przeprowadzany przez enzym znany jako helikaza DNA. Helikaza DNA sekwencyjnie rozrywa wiązania wodorowe między zasadami, które tworzą każdy mostek między dwiema niciami, rozsuwając je i przekształcając w ten sposób podwójną helisę w zespół rozgałęzień w kształcie litery Y, znany jako widełki replikacyjne, jak pokazano na postać.

W wyniku rozdzielenia łańcuchów i biorąc pod uwagę, że zasady tworzące mostki są różne w każdym łańcuchu, każdy z nich będzie miał inny skład po podziale. Koniec mostka, który pozostaje na każdej nici po rozdzieleniu, jest wyrażony jako 5′ lub 3′. Koniec 5′ ma grupę fosforanową (P), podczas gdy koniec 3′ ma grupę hydroksylową (OH). Ta kierunkowość jest ważna w procesie replikacji, ponieważ występuje tylko w kierunku od 5′ do 3′. Jednak, jak stwierdzono, rozwidlenie podziału generuje różne końce w każdym łańcuchu. Jedna struna będzie zorientowana w kierunku od 3′ do 5′, struna wiodąca, podczas gdy druga będzie zorientowana w kierunku od 5′ do 3′, struna opóźniona. Dlatego,

Rozpoczyna się replikacja

Krok 2: wiązanie inicjujące

Łańcuch główny jest najłatwiejszy do odtworzenia. Po rozdzieleniu nici DNA krótki fragment RNA, cząsteczka startowa, przyłącza się do końca 3′ nici, zapewniając punkt startowy replikacji. Te cząsteczki inicjujące są generowane przez enzym prymazę DNA.

Replikacja DNA: wydłużenie

Krok 3: Wydłużenie

Enzymy znane jako polimerazy DNA są odpowiedzialne za tworzenie nowej nici w procesie zwanym elongacją. Istnieje pięć różnych typów polimeraz DNA zarówno w komórkach bakteryjnych, jak i ludzkich. U bakterii, takich jak E. coli, polimeraza III jest głównym enzymem replikacyjnym, podczas gdy polimerazy I, II, IV i V są odpowiedzialne za sprawdzanie i naprawianie wszelkich błędów występujących w łańcuchu. Polimeraza DNA III wiąże się z nicią w miejscu inicjacji i zaczyna dodawać nowe komplementarne pary zasad do replikującej się nici. W komórkach eukariotycznych polimerazy alfa, delta i epsilon są głównymi polimerazami zaangażowanymi w replikację DNA. Ponieważ replikacja przebiega w kierunku od 5′ do 3′ na głównej nici, nowa nić jest tworzona w sposób ciągły.

Łańcuch opóźniony rozpoczyna replikację od wielu inicjatorów. Każdy starter jest oddzielony kilkoma zasadami. Polimeraza DNA dodaje fragmenty DNA, zwane fragmentami Okazaki, do odcinków nici znajdujących się między starterami. Zatem proces replikacji jest nieciągły, ponieważ zmienia się w długości łańcucha między inicjatorami.

Krok 4: Zakończenie

Po utworzeniu ciągłych i nieciągłych nici enzym zwany egzonukleazą usuwa wszystkie startery RNA z oryginalnych nici. Te startery są następnie zastępowane odpowiednimi zasadami. Inna egzonukleaza sprawdza nowo utworzone DNA, aby je zweryfikować, usuwając i zastępując wszelkie błędy, które mogły wystąpić w procesie. Inny enzym zwany ligazą DNA łączy fragmenty Okazaki w pojedynczą nić. Liniowe końce DNA stanowią problem, ponieważ polimeraza DNA może dodawać nukleotydy tylko w kierunku od 5′ do 3′. Końce nici macierzystych składają się z powtarzających się sekwencji DNA zwanych telomerami. Telomery działają jak czapeczki ochronne na końcach chromosomów, zapobiegając fuzji pobliskich chromosomów. Specjalny rodzaj enzymu polimerazy DNA, zwany telomerazą, katalizuje syntezę sekwencji telomerów na końcach DNA. Po zakończeniu nić rodzicielska i jej komplementarna nić DNA są połączone ze sobą w dobrze znany sposób podwójnej helisy. Pod koniec procesu replikacji powstają dwie cząsteczki DNA, z których każda zawiera nić z oryginalnej cząsteczki i nową nić powstałą w procesie replikacji.

enzymy replikacyjne

Replikacja DNA nie odbyłaby się bez udziału enzymów, które katalizują poszczególne etapy tego procesu. Główne enzymy biorące udział w procesie replikacji eukariotycznego DNA to:

• Helikaza DNA: Rozwija i rozdziela podwójną nić DNA, gdy porusza się wzdłuż cząsteczki. W ten sposób tworzy widełki replikacyjne, rozbijając wiązania wodorowe, które tworzą mostki między parami nukleotydów DNA.
• Prymasa DNA: rodzaj polimerazy RNA, która generuje startery dla procesu. Startery to krótkie cząsteczki RNA, które działają jak matryce w punkcie startowym replikacji DNA.
• Polimerazy DNA: syntetyzują nowe cząsteczki DNA poprzez dodawanie nukleotydów do wiodących i opóźnionych nici DNA.
• Topoizomeraza lub gyraza DNA: rozwija i splata nici DNA, aby zapobiec splątaniu DNA.
• Egzonukleazy: Grupa enzymów, które usuwają zasady nukleotydowe z końca nici DNA.
• Ligaza DNA: łączy fragmenty DNA tworząc wiązania fosfodiestrowe między nukleotydami.

Streszczenie

Replikacja DNA to proces, który generuje identyczne nici DNA z pojedynczej cząsteczki podwójnej helisy DNA. Każda nowa cząsteczka DNA składa się z jednej nici z pierwotnej cząsteczki i jednej nici powstałej w procesie replikacji. Przed replikacją DNA rozwija się i nici podwójnej helisy rozdzielają się. Tworzą się widełki replikacyjne w kształcie litery Y, które służą jako szablon do replikacji. Cząsteczki starterów przyczepiają się do rozdzielonych nici DNA, a polimerazy DNA dodają nowe sekwencje nukleotydowe w kierunku od 5′ do 3′.

To włączenie nukleotydu jest ciągłe na nici wiodącej i fragmentowane na nici opóźnionej. Po zakończeniu wydłużania nici DNA nowe nici są sprawdzane pod kątem błędów, w razie potrzeby dokonuje się napraw, a na końcach DNA dodaje się sekwencje telomerowe.

Fontanna

• Reece, Jane B. i Neil A. Campbell. Biologia Campbella . Benjamina Cummingsa, 2011.
• Lehningera. Zasady biochemii – Omega, wydanie 6 2014