Co to jest replikacja DNA
DNA, skrót od deoxyribonucleic acid, jest samoreplikującym się materiałem, który jest obecny w prawie wszystkich żywych organizmach jako główny składnik chromosomów. Jest podstawowym nośnikiem informacji genetycznej, obecnym praktycznie w każdej komórce Twojego ciała.
Podwójna helisa DNA zbudowana jest z dwóch asymetrycznych nici. Każda nić jest zbudowana z nukleotydów ułożonych jeden za drugim, a nukleotydy te są związane z odpowiadającymi im nukleotydami na drugiej nici, tworząc strukturę przypominającą drabinę. DNA jest zbudowane z czterech nukleotydów – elementów składowych kwasów nukleinowych – które składają się z zasady azotowej, pięciowęglowego cukru (rybozy lub deoksyrybozy) i co najmniej jednej grupy fosforanowej.
Adenina (A), Tymina (T), Guanina (G), i Cytozyna (C) są nazywane nukleotydami. A i G są nazywane purynami, podczas gdy T i C są nazywane pirymidynami. Zgodnie z zasadami parowania zasad, A zawsze łączy się w pary z T, a C zawsze łączy się w pary z G.
Przed powieleniem lub podziałem komórki, poprzez mitozę lub mejozę, DNA musi zostać powielone, aby zapewnić, że każda nowa komórka otrzyma prawidłową liczbę chromosomów. Proces ten zachodzi we wszystkich żywych organizmach i jest podstawą biologicznego dziedziczenia.
Replikacja DNA zachodzi w kilku etapach, które obejmują wiele białek zwanych enzymami replikacyjnymi, jak również RNA. Replikacja DNA jest niezbędna dla wzrostu komórek, naprawy i reprodukcji w organizmach.
Kroki replikacji DNA
Istnieją trzy główne kroki replikacji DNA: inicjacja, elongacja i terminacja.
Aby zmieścić się w jądrze komórkowym, DNA jest upakowane w ciasno zwinięte struktury zwane chromatyną, które rozluźniają się przed replikacją, pozwalając maszynerii replikacyjnej komórki na dostęp do nici DNA.
Zanim replikacja DNA może się rozpocząć, struktura podwójnej helisy cząsteczek DNA musi zostać „rozpakowana”. Helicaza, enzym, jest integralną częścią tego procesu, zrywając wiązania wodorowe, które utrzymują komplementarne zasady DNA razem (A z T i C z G). Rozdzielenie tworzy kształt „Y” zwany widełkami replikacyjnymi, a dwie pojedyncze nici DNA działają teraz jako szablony do tworzenia nowych nici DNA.
Następnie, białko wiążące pojedynczą nić DNA (białko SSB) wiąże się z teraz pojedynczą nicią DNA, zapobiegając ponownemu łączeniu się rozdzielających się nici.
Dwie nici podwójnej helisy DNA są połączone poprzeczkami, skręconymi dookoła. Aby to zadziałało, każda nić DNA biegnie w przeciwnym kierunku.
Jedna z nici jest zorientowana w kierunku 3′ do 5′ (w stronę widełek replikacyjnych), jest to nić wiodąca. Druga nić jest zorientowana w kierunku 5′ do 3′ (z dala od widełek replikacyjnych), jest to nić opóźniona.
Ponieważ enzym przeprowadzający replikację, polimeraza DNA, działa tylko w kierunku 5′ do 3′, oznacza to, że nici córki syntetyzują się różnymi metodami, jedna dodając nukleotydy jeden po drugim w kierunku widełek replikacyjnych, druga zdolna do dodawania nukleotydów tylko w kawałkach. Pierwsza nić, która replikuje nukleotydy jeden po drugim, jest nicią wiodącą; druga nić, która replikuje się w kawałkach, jest nicią opóźniającą.
Zapisy 5′ i 3′ oznaczają „pięć pierwszych” i „trzy pierwsze”, które wskazują numery węgla w szkielecie cukrowym DNA. Liczby te wskazują end-to-end orientacji chemicznej, z numerami 5 i 3 reprezentujących piątego i trzeciego atomu węgla pierścienia cukru, odpowiednio. Węgiel 5′ ma przyłączoną grupę fosforanową, a węgiel 3′ grupę hydroksylową (-OH). To właśnie ta asymetria nadaje nici DNA „kierunek”, pozwalając na łatwe wiązanie między nukleotydami przeciwnych nici.
Ważne jest, aby zauważyć, że dwie strony są replikowane przez dwa różne procesy w celu dostosowania się do różnicy kierunku.
| Leading strand | Lagging strand |
| Krótki fragment RNA zwany primerem, który jest wytwarzany przez enzym zwany primazą, wiąże się z końcem nici wiodącej w kierunku 5′ do 3′. Primer działa jako punkt wyjścia do syntezy DNA.
Enzymy zwane polimerazami DNA generują nowe komplementarne zasady nukleotydowe (A,C, G i T) i są odpowiedzialne za tworzenie nowej nici w procesie zwanym elongacją. W komórkach eukariotycznych, polimerazy alfa, delta i epsilon są podstawowymi polimerazami zaangażowanymi w replikację DNA. Ten rodzaj replikacji nazywany jest „ciągłą.” |
Legła nić rozpoczyna proces replikacji poprzez wiązanie się z wieloma starterami RNA, tgenerowanymi przez enzym primazę, w różnych punktach wzdłuż lagowej nici.
Części DNA, zwane fragmentami Okazaki, są dodawane do nici opóźniającej pomiędzy starterami, również w kierunku od 5′ do 3′. Ten typ replikacji nazywany jest „nieciągłym”, ponieważ fragmenty Okazaki będą musiały być połączone później. |
Po utworzeniu zarówno nici ciągłych, jak i nieciągłych, enzym zwany egzonukleazą usuwa wszystkie primery RNA z pierwotnych nici. Szczeliny, w których znajdował się primer(y) są następnie wypełniane przez jeszcze więcej komplementarnych nukleotydów.
Inny enzym „odczytuje” nowo utworzone nici, aby upewnić się, że nie ma w nich błędów.
Ezym ligazy DNA następnie łączy fragmenty Okazaki razem, tworząc pojedynczą jednolitą nić.
Specjalny typ enzymu polimerazy DNA zwany telomerazą katalizuje syntezę sekwencji telomerowych na końcach DNA. Telomery to regiony powtarzających się sekwencji nukleotydów na każdym końcu chromatydu, które chronią koniec chromosomu przed zniszczeniem lub fuzją z sąsiednimi chromosomami. Przypomina to nakładki na sznurowadła. Telomery są również biomarkerem starzenia się, skracają się przy każdym podziale komórkowym lub, innymi słowy, wraz z wiekiem. Gdy telomery komórki skracają się, traci ona zdolność do normalnego funkcjonowania. Zasadniczo krótsze telomery sprawiają, że jesteś bardziej podatny na wiele chorób, takich jak rak czy choroby układu krążenia.
W końcu nić macierzysta i jej komplementarna nić DNA zwijają się w znany kształt podwójnej helisy. Rezultatem są dwie cząsteczki DNA składające się z jednego nowego i jednego starego łańcucha nukleotydów. Każda z tych dwóch helis jest niemal dokładną kopią helisy rodzicielskiej (nie jest w 100% taka sama z powodu mutacji).
Ludzki genom – czyli kompletny zestaw genów obecnych w jądrze komórki – składa się z 3 miliardów par zasad. Co zadziwiające, skopiowanie czegoś tak długiego zajmuje naszej biologicznej maszynerii bardzo mało czasu. Każda komórka kończy cały proces w ciągu zaledwie jednej godziny!
.