Mitä on DNA:n replikaatio
DNA, lyhenne sanoista deoksiribonukleiinihappo, on itseään replikoivaa materiaalia, jota on lähes kaikissa elävissä organismeissa kromosomien pääasiallisena ainesosana. Se on geneettisen informaation peruskantaja, joka on läsnä lähes jokaisessa elimistön solussa.
Kaksoiskierteinen DNA koostuu kahdesta epäsymmetrisestä säikeestä. Kumpikin säie koostuu peräkkäin riviin asetetuista nukleotideista, ja nämä nukleotidit ovat sitoutuneet toisen säikeen vastaaviin nukleotideihin ja muodostavat tikapuiden kaltaisen rakenteen. DNA koostuu neljästä nukleotidista – nukleiinihappojen rakennusaineista – jotka koostuvat typpiperäisestä emäksestä, viisihiilisestä sokerista (riboosi tai deoksiriboosi) ja vähintään yhdestä fosfaattiryhmästä.
Adeniinia (A), tymiiniä (T), guaniinia (G) ja sytosiinia (C) kutsutaan nukleotideiksi. A:ta ja G:tä kutsutaan puriineiksi, kun taas T:tä ja C:tä kutsutaan pyrimidiiniksi. Emäsparinmuodostussääntöjen mukaan A parittuu aina T:n kanssa ja C aina G:n kanssa.
Voittaakseen varmistaa, että jokainen uusi solu saa oikean määrän kromosomeja, DNA:n on monistuttava ennen kuin solu monistuu tai jakautuu joko mitoosin tai meioosin kautta. Tämä prosessi tapahtuu kaikissa elävissä organismeissa, ja se on biologisen periytymisen perusta.
DNA:n monistuminen tapahtuu useissa vaiheissa, joihin osallistuu useita proteiineja, joita kutsutaan monistusentsyymeiksi, sekä RNA:ta. DNA:n replikaatio on elintärkeää eliöiden solujen kasvulle, korjautumiselle ja lisääntymiselle.
DNA:n replikaation vaiheet
DNA:n replikaatiossa on kolme päävaihetta: initiaatio (aloitusprosessi), elongaatio (pidennysprosessi) ja terminaatio.
Voidakseen mahtua solun tumaan DNA on pakattu tiukasti kromatiiniksi kutsuttuihin kierteisiin rakenteisiin, jotka löystyvät ennen replikaatiota, jolloin solun replikointikoneisto pääsee käsiksi DNA-juosteisiin.
Ennen kuin DNA:n replikaatio voi alkaa, DNA-molekyylien kaksoiskierrerakenne on ”purettava”. Helikaasi, entsyymi, on olennainen osa tätä prosessia, sillä se rikkoo vetysidokset, jotka pitävät DNA:n komplementaariset emäkset yhdessä (A T:n kanssa ja C G:n kanssa). Erottaminen luo ”Y”-muodon, jota kutsutaan replikaatiohaarukaksi, ja kaksi yksittäistä DNA-juostetta toimivat nyt malleina uusien DNA-juosteiden tekemiselle.
Seuraavaksi yksijuosteisen DNA:n sitojaproteiini (SSB-proteiini) sitoutuu nyt yksijuosteiseen DNA:han, jolloin se estää erottautuvia juosteita yhdistymästä uudestaan yhteen.
Kaksoiskierre-DNA:n kaksi juostetta liitetään toisiinsa poikkihaarukoilla, jotka ovat vääntyneet ympäri. Jotta tämä onnistuisi, kumpikin DNA-juoste kulkee vastakkaiseen suuntaan.
Yksi säikeistä on suuntautunut 3′ – 5′ suuntaan (kohti replikaatiohaarukkaa), tämä on johtava säie. Toinen säie on suuntautunut 5′ – 3′ -suuntaan (replikaatiohaarukasta poispäin), tämä on jäljessä oleva säie.
Koska replikaation suorittava entsyymi, DNA-polymeraasi, toimii vain 5′ – 3′ -suunnassa, tämä tarkoittaa sitä, että tytärsäikeet syntetisoituvat eri menetelmin, toinen lisää nukleotideja yksi kerrallaan replikaatiohaarukan suuntaan, toinen pystyy lisäämään nukleotideja vain kimpaleina. Ensimmäinen säie, joka replikoi nukleotideja yksi kerrallaan, on johtava säie; toinen säie, joka replikoi kappaleittain, on jälkijättöinen säie.
Merkinnät 5′ ja 3′ tarkoittavat ”viisi alkua” ja ”kolme alkua”, jotka tarkoittavat hiililukuja DNA:n sokerirungossa. Nämä numerot ilmaisevat kemiallisen suuntautumisen päästä päähän, ja numerot 5 ja 3 edustavat sokerirenkaan viidettä ja kolmatta hiiliatomia. 5′ hiileen on kiinnittynyt fosfaattiryhmä ja 3′ hiileen hydroksyyliryhmä (-OH). Juuri tämä epäsymmetria antaa DNA-säikeelle ”suunnan”, joka mahdollistaa vastakkaisten säikeiden nukleotidien helpon sitoutumisen.
On tärkeää huomata, että molemmat puolet monistetaan kahden eri prosessin avulla suuntaeron huomioon ottamiseksi.
| Johtava säie | Viipuva säie |
| Lyhyt RNA:n pätkä, jota kutsutaan alukkeeksi (primer) ja jota tuottaa primaasi-niminen entsyymi, sitoutuu johtavan säikeen päähän 5′ – 3′ suunnassa. Primer toimii DNA-synteesin lähtökohtana.
DNA-polymeraaseiksi kutsutut entsyymit tuottavat uusia komplementaarisia nukleotidiemäksia (A, C, G ja T) ja vastaavat uuden säikeen luomisesta prosessissa, jota kutsutaan elongaatioksi. Eukaryoottisoluissa polymeraasit alfa-, delta- ja epsilon-polymeraasit ovat ensisijaisia DNA:n replikaatioon osallistuvia polymeraaseja. Tällaista replikaatiota kutsutaan ”jatkuvaksi.” |
Viimeinen säie aloittaa replikaatioprosessin sitoutumalla useisiin RNA-alkuaineisiin, jotka tmuodostetaan primaasientsyymin toimesta eri kohdissa pitkin viiveistä säiettä.
Alukkeiden väliin jäävään säikeeseen lisätään DNA-kappaleita, joita kutsutaan Okazaki-fragmenteiksi, niin ikään 5′-3′-suunnassa. Tätyyppistä replikaatiota kutsutaan ”epäjatkuvaksi”, koska Okazaki-fragmentit on yhdistettävä myöhemmin. |
Sekä jatkuvan että epäjatkuvan säikeen muodostumisen jälkeen entsyymi nimeltä eksonukleaasi poistaa kaikki RNA-alukkeet alkuperäisistä säikeistä. Aukkoja, joissa alukkeet olivat olleet, täytetään sen jälkeen vielä useammilla komplementaarisilla nukleotideilla.
Toinen entsyymi ”oikolukee” vastamuodostuneet säikeet varmistaakseen, ettei niissä ole virheitä.
Ensyymi DNA-ligaasi yhdistää sitten Okazakin fragmentit toisiinsa muodostaen yhden yhtenäisen säikeen.
Erikoistyyppinen DNA-polymeraasientsyymi, jota kutsutaan telomeraasiksi, katalysoi telomeerijaksojen synteesiä DNA:n päissä. Telomeerit ovat toistuvien nukleotidisekvenssien alueita kromatidin kummassakin päässä, jotka suojaavat kromosomin päätä rappeutumiselta tai sulautumiselta naapurikromosomien kanssa. Ajattele kengännauhojen korkkeja. Telomeerit ovat myös ikääntymisen biomarkkeri, sillä telomeerit lyhenevät jokaisen solunjakautumisen yhteydessä tai toisin sanoen iän myötä. Kun solun telomeerit lyhenevät, se menettää kykynsä toimia normaalisti. Periaatteessa lyhyemmät telomeerit altistavat useille sairauksille, kuten syövälle tai sydän- ja verisuonitaudeille.
Viimein kantasäie ja sen komplementaarinen DNA-säie kietoutuvat tutuksi kaksoiskierteen muodoksi. Tuloksena on kaksi DNA-molekyyliä, jotka koostuvat yhdestä uudesta ja yhdestä vanhasta nukleotidiketjusta. Kumpikin näistä kahdesta tytärspiraalista on lähes tarkka kopio vanhemman spiraalista (se ei ole 100-prosenttisesti samanlainen mutaatioiden vuoksi).
Ihmisen genomi – eli solun ytimessä olevien geenien kokonaisuus – koostuu 3 miljardista emäsparista. Huomionarvoista on, että biologiselta koneistoltamme kestää hyvin vähän aikaa kopioida jotain näin äärimmäisen pitkää. Jokainen solu suorittaa koko prosessin vain yhdessä tunnissa!