Mi a DNS-replikáció
A DNS, a dezoxiribonukleinsav rövidítése, az önreprodukáló anyag, amely szinte minden élő szervezetben jelen van a kromoszómák fő alkotórészeként. Ez a genetikai információ alapvető hordozója, amely gyakorlatilag a test minden sejtjében jelen van.
A kettős spirál DNS két aszimmetrikus szálból áll. Mindkét szál egymás után sorakozó nukleotidokból áll, és ezek a nukleotidok a másik szálon lévő megfelelő nukleotidokhoz kapcsolódva létraszerű szerkezetet alkotnak. A DNS négy nukleotidból – a nukleinsavak építőköveiből – áll, amelyek egy nitrogénbázisból, egy öt szénatomos cukorból (ribóz vagy dezoxiribóz) és legalább egy foszfátcsoportból állnak.
Adenint (A), timint (T), guanint (G) és citozint (C) nevezzük nukleotidoknak. Az A-t és a G-t purinoknak, míg a T-t és a C-t pirimidineknek nevezzük. A bázispárosodás szabályai szerint az A mindig a T-vel, a C pedig mindig a G-vel párosul.
Mielőtt egy sejt megkettőződne vagy osztódna, akár a mitózis, akár a meiózis révén, a DNS-t meg kell sokszorozni, hogy minden új sejt a megfelelő számú kromoszómát kapja. Ez a folyamat minden élő szervezetben végbemegy, és ez az alapja a biológiai öröklődésnek.
A DNS-replikáció több lépésben történik, amelyekben több fehérje, az úgynevezett replikációs enzimek, valamint az RNS is részt vesz. A DNS-replikáció létfontosságú az élőlények sejtnövekedéséhez, javításához és szaporodásához.
DNS-replikáció lépései
A DNS-replikációnak három fő lépése van: a beindítás, a megnyúlás és a befejezés.
A DNS, hogy elférjen a sejtmagban, szorosan feltekeredett struktúrákba, úgynevezett kromatinba van csomagolva, amely a replikáció előtt fellazul, lehetővé téve a sejt replikációs gépezetének a DNS-szálakhoz való hozzáférést.
A DNS-replikáció megkezdése előtt a DNS-molekulák kettős spirálszerkezetét “ki kell bontani”. A helikáz, egy enzim, szerves része ennek a folyamatnak, amely felbontja a DNS komplementer bázisait (A a T-vel és C a G-vel) összetartó hidrogénkötéseket. A szétválasztás egy “Y” alakot hoz létre, amelyet replikációs villának nevezünk, és a két egyszálú DNS-szál most sablonként szolgál az új DNS-szálak létrehozásához.
A következő lépésben az egyszálú DNS-kötő fehérje (SSB fehérje) kötődik az immár egyszálú DNS-hez, megakadályozva, hogy a szétváló szálak újra egyesüljenek.
A kettős spirálú DNS két szálát keresztkötések kötik össze, összecsavarodva. Ahhoz, hogy ez működjön, mindkét DNS-szál ellentétes irányban fut.
Az egyik szál a 3′-5′ irányba (a replikációs villa felé) orientálódik, ez a vezető szál. A másik szál az 5′ a 3′ irányba (a replikációs villától távolodva) orientálódik, ez a lemaradó szál.
Mivel a replikációt végző enzim, a DNS-polimeráz csak az 5′ a 3′ irányban működik, ez azt jelenti, hogy a leányszálak különböző módszerekkel szintetizálódnak, az egyik a replikációs villa irányában egyesével ad hozzá nukleotidokat, a másik csak darabokban képes nukleotidokat hozzáadni. Az első szál, amely egyesével replikálja a nukleotidokat, a vezető szál; a másik szál, amely darabokban replikálódik, a lemaradó szál.
Az 5′ és 3′ jelölések “öt prím” és “három prím”, amelyek a DNS cukorgerincének szénatomszámát jelölik. Ezek a számok a végponttól végpontig tartó kémiai orientációt jelzik, az 5 és a 3 a cukorgyűrű ötödik, illetve harmadik szénatomját jelöli. Az 5′ szénatomhoz egy foszfátcsoport, a 3′ szénatomhoz pedig egy hidroxil (-OH) csoport kapcsolódik. Ez az aszimmetria az, ami a DNS-szálnak “irányt” ad, lehetővé téve az ellentétes szálak nukleotidjai közötti könnyű kötődést.
Ezért fontos megjegyezni, hogy a két oldal két különböző folyamaton keresztül replikálódik, hogy az iránykülönbségnek megfeleljen.
| Vezető szál | Hátráló szál |
| A primernek nevezett rövid RNS-darab, amelyet egy primáz nevű enzim állít elő, a vezető szál végéhez kötődik 5′ és 3′ irányban. A primer a DNS-szintézis kiindulópontjaként szolgál.
A DNS-polimerázoknak nevezett enzimek új komplementer nukleotidbázisokat (az A,C, G és T bázisokat) hoznak létre, és felelősek az új szál létrehozásáért az elongációnak nevezett folyamat révén. Az eukarióta sejtekben az alfa, delta és epsilon polimerázok az elsődleges polimerázok, amelyek részt vesznek a DNS replikációban. Ezt a fajta replikációt “folyamatosnak” nevezik. |
A lemaradó szál úgy kezdi a replikációs folyamatot, hogy a lemaradó szál különböző pontjain a primáz enzim által generált több RNS primerhez kötődik.
A DNS-töredékek, az úgynevezett Okazaki-darabkák, a primerek között, szintén 5′ és 3′ irányban hozzáadódnak a lemaradó szálhoz. A replikációnak ezt a típusát “diszkontinuusnak” nevezik, mivel az Okazaki-darabkákat később össze kell kötni. |
A folyamatos és a diszkontinuus szálak kialakulása után egy exonukleáz nevű enzim eltávolítja az összes RNS-primereket az eredeti szálakról. A hézagokat, ahol a primer(ek) voltak, ezután még több komplementer nukleotid tölti ki.
Egy másik enzim “lektorálja” az újonnan kialakult szálakat, hogy megbizonyosodjon arról, hogy nincsenek hibák.
A DNS-ligáz enzim ezután egyesíti az Okazaki-fragmentumokat, egyetlen egységes szálat alkotva.
A DNS-polimeráz enzim egy speciális típusa, a telomeráz katalizálja a telomer-szekvenciák szintézisét a DNS végein. A telomerek ismétlődő nukleotidszekvenciákból álló régiók a kromatidák mindkét végén, amelyek megvédik a kromoszóma végét a romlástól vagy a szomszédos kromoszómákkal való összeolvadástól. Gondoljunk a cipőfűzős sapkákra. A telomerek az öregedés biomarkerei is, mivel a telomerek minden sejtosztódással, vagy más szóval az életkor előrehaladtával rövidülnek. Ahogy egy sejt telomerjei rövidülnek, úgy veszíti el a normál működésre való képességét. Alapvetően a rövidebb telomerek fogékonyabbá tesznek számos betegségre, például a rákra vagy a szív- és érrendszeri betegségekre.
Az anyaszál és a komplementer DNS-szál végül a jól ismert kettős spirál alakjába tekeredik. Az eredmény két DNS-molekula, amely egy új és egy régi nukleotidláncból áll. E két leányhélix mindegyike a szülői hélix majdnem pontos másolata (a mutációk miatt nem 100%-ban azonos).
Az emberi genom – vagyis a sejtmagban lévő gének teljes készlete – 3 milliárd bázispárból áll. Figyelemre méltó, hogy biológiai gépezetünknek nagyon kevés időbe telik lemásolni valamit, ami ilyen rendkívül hosszú. Minden sejt mindössze egy óra alatt végzi el a teljes folyamatot!