Ce este replicarea ADN-ului
ADN-ul, prescurtare de la acid dezoxiribonucleic, este un material autoreplicant prezent în aproape toate organismele vii ca principal constituent al cromozomilor. Este purtătorul fundamental al informației genetice, prezent în aproape fiecare celulă din corpul dumneavoastră.
ADN-ul cu dublă spirală este alcătuit din două șiruri asimetrice. Fiecare catenă este alcătuită din nucleotide aliniate una după alta, iar aceste nucleotide sunt legate de cele corespunzătoare de pe cealaltă catenă pentru a crea o structură asemănătoare unei scări. ADN-ul este alcătuit din patru nucleotide – elementele constitutive ale acizilor nucleici – care sunt compuse dintr-o bază azotată, un zahăr cu cinci atomi de carbon (riboză sau dezoxiriboză) și cel puțin o grupare fosfat.
Adenina (A), Timina (T), Guanina (G) și Citosina (C) se numesc nucleotide. A și G se numesc purine, în timp ce T și C se numesc pirimidine. Conform regulilor de împerechere a bazelor, A se împerechează întotdeauna cu T, iar C se împerechează întotdeauna cu G.
Înainte ca o celulă să se duplice sau să se dividă, fie prin mitoză, fie prin meioză, ADN-ul trebuie să fie replicat pentru a se asigura că fiecare nouă celulă primește numărul corect de cromozomi. Acest proces are loc în toate organismele vii și stă la baza moștenirii biologice.
Replicarea ADN-ului are loc în mai multe etape care implică mai multe proteine numite enzime de replicare, precum și ARN. Replicarea ADN-ului este vitală pentru creșterea, repararea și reproducerea celulelor în organisme.
Etapele replicării ADN-ului
Există trei etape principale ale replicării ADN-ului: inițierea, alungirea și terminarea.
Pentru a încăpea în nucleul celulei, ADN-ul este împachetat în structuri strâns înfășurate numite cromatină, care se desface înainte de replicare, permițând mașinăriei de replicare a celulei să acceseze șirurile de ADN.
Înainte ca replicarea ADN-ului să poată începe, structura de dublă elice a moleculelor de ADN trebuie să fie „desfăcută”. Helicaza, o enzimă, este parte integrantă a acestui proces, rupând legăturile de hidrogen care țin împreună bazele complementare ale ADN-ului (A cu T și C cu G). Separarea creează o formă de „Y” numită furcă de replicare, iar cele două șuvițe simple de ADN acționează acum ca șabloane pentru fabricarea de noi șuvițe de ADN.
În continuare, proteina de legare a ADN-ului monocatenar (proteina SSB) se leagă de ADN-ul acum monocatenar, împiedicând ca șuvițele care se separă să se unească din nou.
Cele două șuvițe ale ADN-ului cu dublă elice sunt unite între ele prin bare încrucișate, răsucite în jurul lor. Pentru ca acest lucru să funcționeze, fiecare catenă de ADN se desfășoară în sens opus.
Unul dintre șiruri este orientat în direcția 3′ spre 5′ (spre furca de replicare), acesta este șirul conducător. Celălalt șir este orientat în direcția 5′ spre 3′ (departe de furca de replicare), acesta este șirul întârziat.
Pentru că enzima care realizează replicarea, ADN polimeraza, funcționează doar în direcția 5′ spre 3′, aceasta înseamnă că șirurile fiice se sintetizează prin metode diferite, unul adăugând nucleotide unul câte unul în direcția furcii de replicare, celălalt fiind capabil să adauge nucleotide doar în bucăți. Primul catenar, care replică nucleotidele unul câte unul, este catenarul conducător; celălalt catenar, care replică în bucăți, este catenarul întârziat.
Notațiile 5′ și 3′ înseamnă „cinci prime” și „trei prime”, care indică numerele de carbon din coloana vertebrală de zahăr a ADN-ului. Aceste numere indică orientarea chimică de la un capăt la altul, numerele 5 și 3 reprezentând al cincilea și, respectiv, al treilea atom de carbon al inelului de zahăr. La carbonul 5′ este atașat un grup fosfat, iar la carbonul 3′ un grup hidroxil (-OH). Această asimetrie este cea care conferă o „direcție” unui șir de ADN, permițând o legare ușoară între nucleotidele din șirurile opuse.
Este important de remarcat că cele două părți sunt replicate prin două procese diferite pentru a se adapta la diferența de direcție.
| Brandul conducător | Brandul descendent |
| O bucată scurtă de ARN numită amorsă, care este produsă de o enzimă numită primază, se leagă de capătul șirului conducător în direcția 5′ spre 3′. Primerul acționează ca punct de plecare pentru sinteza ADN.
Enzimele numite ADN polimeraze generează noi baze nucleotidice complementare (A,C, G și T) și sunt responsabile pentru crearea noului șir printr-un proces numit alungire. În celulele eucariote, polimerazele alfa, delta și epsilon sunt polimerazele primare implicate în replicarea ADN. Acest tip de replicare se numește „continuă.” |
Brandul întârziat începe procesul de replicare prin legarea cu mai mulți primeri de ARN, tgenerat de enzima primază, în diferite puncte de-a lungul șirului întârziat.
Câteva bucăți de ADN, numite fragmente Okazaki, sunt adăugate la șirul întârziat între primeri, tot în direcția 5′ spre 3′. Acest tip de replicare se numește „discontinuu”, deoarece fragmentele Okazaki vor trebui să fie unite ulterior. |
După formarea atât a șirurilor continue, cât și a celor discontinue, o enzimă numită exonuclează îndepărtează toți primerii de ARN din șirurile originale. Lacunele în care se aflau amorsele sunt apoi umplute de alte nucleotide complementare.
O altă enzimă „corectează” șirurile nou formate pentru a se asigura că nu există erori.
Enzima ADN-ligază unește apoi fragmentele Okazaki împreună, formând un singur șir unificat.
Un tip special de enzimă ADN-polimerază numită telomerază catalizează sinteza secvențelor telomerice de la capetele ADN-ului. Telomerii sunt regiuni de secvențe nucleotidice repetitive la fiecare capăt al unei cromatide, care protejează capătul cromozomului de deteriorare sau de fuziunea cu cromozomii vecini. Gândiți-vă la capacele de șiret. Telomerii sunt, de asemenea, un biomarker al îmbătrânirii, telomerii scurtându-se cu fiecare diviziune celulară sau, cu alte cuvinte, pe măsură ce înaintați în vârstă. Pe măsură ce telomerii unei celule se scurtează, aceasta își pierde capacitatea de a funcționa în mod normal. Practic, telomerii mai scurți vă fac mai susceptibili la o serie de boli, cum ar fi cancerul sau bolile cardiovasculare.
În cele din urmă, șuvița mamă și șuvița sa complementară de ADN se înfășoară în forma familiară de dublu helix. Rezultatul este reprezentat de două molecule de ADN formate dintr-un lanț nou și unul vechi de nucleotide. Fiecare dintre aceste două elice fiice este o copie aproape exactă a elicei parentale (nu este 100% la fel din cauza mutațiilor).
Genomul uman – adică setul complet de gene prezente în nucleul unei celule – este alcătuit din 3 miliarde de perechi de baze. În mod remarcabil, mașinăriei noastre biologice îi ia foarte puțin timp să copieze ceva atât de extrem de lung. Fiecare celulă finalizează întregul proces în doar o oră!
.