Cząsteczka DNA to struktura znajdująca się na chromosomie. Jeden chromosom zawiera jedną taką cząsteczkę składającą się z dwóch nici. Reduplikacja DNA to transfer informacji po samoreprodukcji nici z jednej cząsteczki do drugiej. Jest nieodłączny zarówno w DNA, jak i RNA. W tym artykule omówiono proces reduplikacji DNA.
Informacje ogólne i rodzaje syntezy DNA
Wiadomo, że nici w cząsteczce są skręcone. Jednak gdy rozpoczyna się proces reduplikacji DNA, ulegają despiralizacji, a następnie przesuwają się na boki, a na każdym z nich syntetyzowana jest nowa kopia. Po zakończeniu pojawiają się dwie absolutnie identyczne cząsteczki, z których każda zawiera nić matki i córki. Ta synteza nazywana jest semikonserwatywną. Cząsteczki DNA oddalają się, pozostając w jednym centromerze i ostatecznie rozchodzą się dopiero, gdy ten centromer zaczyna się dzielić.
Inny rodzaj syntezy nazywa się naprawczą. On, w przeciwieństwie do poprzedniego,związane z dowolnym stadium komórkowym, ale zaczyna się, gdy nastąpi uszkodzenie DNA. Jeśli są zbyt rozległe, komórka w końcu umiera. Jeśli jednak uszkodzenie jest zlokalizowane, można je naprawić. W zależności od problemu odbudowie poddawana jest pojedyncza lub dwie nici DNA. Ta nieplanowana synteza nie zajmuje dużo czasu i nie wymaga dużych kosztów energii.
Ale kiedy następuje reduplikacja DNA, zużywa się dużo energii, materiału, jej czas trwania rozciąga się godzinami.
Reduplikacja jest podzielona na trzy okresy:
- inicjacja;
- wydłużenie;
- zakończenie.
Przyjrzyjmy się bliżej tej sekwencji reduplikacji DNA.
Inicjacja
W ludzkim DNA jest kilkadziesiąt milionów par zasad (w przypadku zwierząt jest ich tylko sto dziewięć). Reduplikacja DNA rozpoczyna się w wielu miejscach łańcucha z następujących powodów. Mniej więcej w tym samym czasie transkrypcja zachodzi w RNA, ale podczas syntezy DNA jest zawieszona w kilku oddzielnych miejscach. Dlatego przed takim procesem w cytoplazmie komórki gromadzi się wystarczająca ilość substancji w celu utrzymania ekspresji genów i niezakłóconej życiowej aktywności komórki. W związku z tym proces należy przeprowadzić jak najszybciej. Transmisja w tym okresie jest prowadzona, a transkrypcja nie jest prowadzona. Badania wykazały, że reduplikacja DNA zachodzi od razu w kilku tysiącach punktów - małych obszarów z pewnąsekwencja nukleotydów. Dołączają do nich specjalne białka inicjujące, do których z kolei dołączają inne enzymy replikacji DNA.
Fragment DNA, w którym zachodzi synteza, nazywa się replikonem. Rozpoczyna się od punktu początkowego i kończy, gdy enzym zakończy replikację. Replikon jest autonomiczny, a także zapewnia całemu procesowi własne wsparcie.
Proces może nie rozpocząć się od wszystkich punktów naraz, gdzieś zaczyna się wcześniej, gdzieś później; może płynąć w jednym lub dwóch przeciwnych kierunkach. Po wygenerowaniu zdarzenia występują w następującej kolejności:
- widelec replikacyjny;
- Sterownik RNA.
Widelec replikacyjny
Ta część to proces, w którym nici dezoksyrybonukleinowe są syntetyzowane na oderwanych niciach DNA. Widelce tworzą tzw. oko reduplikacyjne. Proces poprzedzony jest serią działań:
- uwalnianie z wiązania z histonami w nukleosomie - enzymy reduplikacji DNA, takie jak metylacja, acetylacja i fosforylacja, wywołują reakcje chemiczne, które powodują, że białka tracą swój ładunek dodatni, co ułatwia ich uwalnianie;
- despiralizacja to odwijanie, które jest konieczne do dalszego uwolnienia wątków;
- zrywanie wiązań wodorowych między nićmi DNA;
- ich rozbieżność w różnych kierunkach cząsteczki;
- utrwalanie przez białka SSB.
Sterownik RNA
Przeprowadza się syntezaenzym zwany polimerazą DNA. Nie może jednak rozpocząć tego samodzielnie, więc robią to inne enzymy - polimerazy RNA, które są również nazywane starterami RNA. Są one syntetyzowane równolegle z nićmi dezoksyrybonukleinowymi zgodnie z zasadą komplementarności. Tak więc inicjacja kończy się syntezą dwóch starterów RNA na dwóch niciach DNA, które są zerwane i odłączone w różnych kierunkach.
Wydłużenie
Ten okres rozpoczyna się dodaniem nukleotydu i końca 3' startera RNA, co jest realizowane przez wspomnianą już polimerazę DNA. Do pierwszego przyłącza drugi, trzeci nukleotyd i tak dalej. Zasady nowej nici są połączone z łańcuchem macierzystym wiązaniami wodorowymi. Uważa się, że synteza włókien przebiega w kierunku 5'-3'.
Gdzie następuje w kierunku widełek replikacyjnych, synteza przebiega w sposób ciągły i wydłuża się. Dlatego taki wątek nazywa się wiodącym lub prowadzącym. Nie tworzą się już na nim startery RNA.
Jednak na przeciwnej nici matczynej nukleotydy DNA nadal przyłączają się do startera RNA, a łańcuch dezoksyrybonukleinowy jest syntetyzowany w kierunku przeciwnym do widełek reduplikacyjnych. W tym przypadku nazywa się to opóźnianiem lub opóźnianiem.
Na opóźnionej nici synteza zachodzi fragmentarycznie, gdzie na końcu jednej sekcji synteza rozpoczyna się w innym miejscu w pobliżu przy użyciu tego samego startera RNA. Tak więc na opóźnionej nici znajdują się dwa fragmenty, które są połączone DNA i RNA. Nazywane są fragmentami Okazaki.
Wtedy wszystko się powtarza. Następnie rozwija się kolejny obrót helisy, pękają wiązania wodorowe, nitki rozchodzą się na boki, nić prowadząca wydłuża się, na opóźnionym syntetyzuje się kolejny fragment startera RNA, po czym fragment Okazaki. Następnie na opóźnionej nici startery RNA są niszczone, a fragmenty DNA są łączone w jeden. Więc na tym obwodzie dzieje się jednocześnie:
- tworzenie nowych starterów RNA;
- synteza fragmentów Okazaki;
- zniszczenie starterów RNA;
- ponowne zjednoczenie w jeden łańcuch.
Rozwiązanie
Proces trwa aż do spotkania dwóch widełek replikacyjnych lub gdy jeden z nich dotrze do końca cząsteczki. Po zetknięciu się widełek, potomne nici DNA są połączone enzymem. W przypadku, gdy widelec przesunął się na koniec cząsteczki, reduplikacja DNA kończy się za pomocą specjalnych enzymów.
Korekta
W tym procesie ważną rolę odgrywa kontrola (lub korekcja) reduplikacji. Wszystkie cztery rodzaje nukleotydów są dostarczane do miejsca syntezy, a przez próbne parowanie polimeraza DNA wybiera te, które są potrzebne.
Pożądany nukleotyd musi być w stanie utworzyć tyle wiązań wodorowych, co ten sam nukleotyd na nici matrycowej DNA. Ponadto musi istnieć pewna stała odległość między szkieletami cukrowo-fosforanowymi, odpowiadająca trzem pierścieniom w dwóch zasadach. Jeśli nukleotyd nie spełnia tych wymagań, połączenie nie nastąpi.
Kontrola jest przeprowadzana przed włączeniem go do łańcucha i przedwłączenie kolejnego nukleotydu. Następnie tworzy się wiązanie w szkielecie fosforanu cukru.
Odmiana mutacyjna
Mechanizm replikacji DNA, pomimo wysokiego procentu dokładności, zawsze ma zaburzenia w wątkach, zwane głównie "mutacjami genów". Około tysiąca par zasad ma jeden błąd, który nazywa się reduplikacją konwariantną.
Zdarza się to z różnych powodów. Na przykład przy wysokim lub zbyt niskim stężeniu nukleotydów, deaminacji cytozyny, obecności mutagenów w obszarze syntezy i nie tylko. W niektórych przypadkach błędy mogą zostać poprawione przez procesy naprawcze, w innych korekta staje się niemożliwa.
Jeśli uszkodzenie dotknęło nieaktywnego miejsca, błąd nie będzie miał poważnych konsekwencji, gdy nastąpi proces reduplikacji DNA. Sekwencja nukleotydowa konkretnego genu może być niedopasowana. Wtedy sytuacja jest inna i zarówno śmierć tej komórki, jak i śmierć całego organizmu może stać się skutkiem negatywnym. Należy również wziąć pod uwagę, że mutacje genów opierają się na zmienności mutacyjnej, co sprawia, że pula genów jest bardziej plastyczna.
Metylacja
W czasie syntezy lub bezpośrednio po niej następuje metylacja łańcucha. Uważa się, że u ludzi proces ten jest niezbędny do tworzenia chromosomów i regulacji transkrypcji genów. U bakterii proces ten służy ochronie DNA przed przecięciem przez enzymy.
