Ocena brak

REPLIKACJA DNA, powielanie, podwojenie

Autor /KolesHaHa Dodano /01.08.2013

Replikowanie nici DNA. W wyniku procesu replikacji powstają dwie potomne cząsteczki DNA, które zawierają jedną nić starą - pochodzącą z matczynej cząsteczki DNA, która ulega replikacji, zaś druga nić jest nowo powieloną nicią. Taki mechanizm powielania cząstek nazywamy procesem se-mikonserwatywnym, tzn. jedna z nici DNA jest matrycą dla nowej, syntetyzowanej poprzez dodawanie kolejnych nukleotydów, na zasadzie komplementarności (przez enzym polimerazę DNA), w wyniku czego powstają dwie identyczne cząsteczki DNA.

Zatem substratem w replikacji jest DNA - stanowiąca matrycę dla nowych nici, jak i deoksynukleotydy (dATP, dTTP, dGTP, dCTP) [litera „d” oznacza, że cukrem tworzącym dany nukleotyd jest deoksyryboza]. Replikacja zachodzi tylko w kierunku 5’ do 3', czyli kolejne nukleotydy przyłączone są wolną grupą fosforanową na końcu 5’ do wolnej grupy 3’— OH ostatniego deoksy-nukleotydu łańcucha podlegającego wydłużaniu.

Jak większość procesów zachodzących w żywej komórce, które cechuje złożoność mechanizmów, proces replikacji stał podzielony na trzy główne fazy, a mianowicie na:

-    inicjacje,

-    elongację,

-    terminację.

Inicjacja replikacji jest to proces, który zaczyna się w ściśle określonym miejscu lub miejscach na cząsteczce DNA ulegającej replikacji. Miejsca te nazywamy miejscami ori od ang. origins of re-plication. Inicjacja procesu replikacji ma na celu rozplecenie w określonym miejscu matrycy DNA i umożliwienie przyłączenia się głównego enzymu replikacyjnego - polimerazy, co prowadzi do powstania widełek replikacyjnych i rozpoczęcia syntezy nowych nici DNA.

W kolistych genomach bakteryjnych występuje tylko jedno miejsce inicjacji replikacji, a więc genom bakteryjny jest powielany poprzez jedną parę widełek replikacyjnych. W genomach eukariotycznych, ze względu na ich o wiele większe rozmiary, występuje wiele miejsc inicjacji replikacji. Sprawia to, że w jednym czasie w kilku miejscach powstają widełki replikacyjne, umożliwiając tym samym szybsze zajście procesu replikacji całego materiału genetycznego. Dla przykładu w genomie człowieka występuje niemal 20 000 miejsc inicjacji replikacji.

Inicjacja replikacji u bakterii. Najlepiej poznanym systemem inicjacji replikacji jest proces zachodzący w komórkach E. coli. Miejsce gdzie następuje inicjacja replikacji nazywane jest miejscem oriC. Jest to obszar na chromosomie bakteryjnym o długości 245 par zasad. Posiada charakterystyczną budowę. Wyróżnia się w nim 5 obszarów o charakterystycznych 9-nukleotydowych sekwencjach, jak również 3 obszary o 13-nukleotydowych sekwencjach.

Miejsce or/C jest miejscem wiązania się specyficznego białka do nici DNA - białka DnaA, które przyczynia się do pęknięcia nici DNA w obszarze sekwencji 13-nukleotydowych, które są bogate w pary AT. W wyniku rozplecenia podwójnej nici DNA, które w nomenklaturze naukowej nazywamy topnieniem, powstaje tzw. oczko. Sprawia to, że struktura DNA jest otwarta i staje się możliwe przyłączenie polimerazy DNA - enzymu dokonującego procesu replikacji, jak również wielu białek wspomagających proces, które np. przyczyniają się do rozplatania heiiksu DNA jak helikazy.

Inicjacja replikacji u eukaryota. W genomach komórek eukariotycznych występuje wiele miejsc inicjacji replikacji, co wynika z wielkości materiału genetycznego. Obecnie poznane modele inicjacji replikacji wśród komórek eukariotycznych są bardzo podobne do systemu jaki występuje w komórkach drożdży. Analogicznie do komórek bakteryjnych vj genomie eukariotycznym, występują obszary inicjacyjne, które zawierają miejsca podobne do bakteryjnych miejsc oń.

W komórkach drożdżowych nazywane są ARS (od ang. autono-mously replicating sequenceś). Miejsca ARS są sekwencjami na nici DNA o określonej budowie, podobnie jak w miejscu ońC, jednakże krótsze niż u bakterii. W miejscu inicjacji replikacji wyróżnić możemy 4 zasadnicze obszary. Obszar B2 odpowiada 13-nukleotydowej sekwencji, w której to następuje topnienie struktury heiiksu. Pozostałe miejsca: A, BI i B3, są miejscami wiązania określonych białek, które regulują proces inicjacji replikacji, jak również umożliwiają go.

Elongacja replikacji. Etap ten polega już na przyłączaniu kolejnych nukleotydów do siebie. Mechanizm elongacji jak i jej przebieg jest niemalże taki sam w komórkach prokariotycznych jak i eukariotycznych. Enzymem przeprowadzającym proces replikacji jest polimeraza DNA, Synteza nici DNA zawsze przebiega jedynie w kierunku 5'->3’. Oznacza to, że tylko jedna nić może być syntetyzowana ciągle, zaś druga w sposób nieciągły. Nić, która jest syntetyzowana w sposób ciągły nazywamy nicią prowadzącą, zaś drugą - nicią opóźnioną, gdyż jest syntetyzowana w sposób nieciągły w formie krótkich fragmentów. Drugim ważnym aspektem replikacji DNA i aktywności polimerazy DNA jest fakt, że sam enzym nie może rozpocząć syntezy nowej nici DNA na jednonicio-wym DNA, Działanie poiimeraz DNA jest możliwe jedynie w momencie występowania chociaż krótkiego dwuniciowego fragmentu DNA, z wolnym końcem 3'—OH.

Wymóg ten spełniają krótkie fragmenty RNA, które nazywamy starterami. Synteza starterów RNA rozpoczyna się w momencie powstania oczka replikacyjnego, pęknięcia helik-su DNA w procesie inicjacji replikacji. W komórkach bakteryjnych za syntezę krótkich odcinków RNA na jednoniciowym fragmencie DNA odpowiedzialny jest enzym zwany primazą. W momencie, gdy primaza utworzy ok. 5 nukleotydowy, odcinek RNA odłącza się od matrycy, co umożliwia przyłączenia się polimerazy DNA III i kontynuowanie reakcji 'wydłużania łańcucha polinukleotydowego.

W komórkach eukariotycznych funkcja primazy zintegrowana jest z polimerazą DNA a, która sama syntetyzuje krótkie odcinki RNA, potem ok. 30 nukleotydowe fragmenty DNA, a następnie jej funkcję przejmuje główny enzym replikacyjny, a mianowicie polimeraza DNA 5.

O ile rozpoczęcie elongacji nici DNA syntetyzowanej jako nić wiodąca nie jest procesem problematycznym, to w przypadku nici opóźnionej proces syntezy DNA jest bardziej skomplikowany. Ze względu na budowę cząsteczki DNA i aktywności polimerazy, druga nić nie może być syntetyzowana jednocześnie i w sposób ciągły. Z tego powodu druga nić powstaje jako krótkie segmenty po-linukleotydowe. Fragmenty te od ich odkrywcy nazwane zostały fragmentami Okazaki. W komórkach bakteryjnych fragmenty Okazaki są wielkości ok, 2000 par zasad, zaś w komórkach eukariotycznych osiągają długość ok, 200 par zasad. Ich synteza przebiega podobnie jak synteza nici wiodącej.

Ważnym elementem w etapie elongacji jest proces łączenia fragmentów Okazaki ze sobą. Proces ten wymaga usunięcia odcinków RNA i połączenia fragmentów DNA. jednym z modeli tłumaczących mechanizm tego zjawiska jest udział enzymu, który ma zdolność do trawienia RNA, a mianowicie RNazy H, która pozwala na usunięcie startera. W wyniku aktywności katalitycznej RNazy H powstają krótkie przerwy w dwu-niciowej nici DNA, uzupełniane przez polimerazę DNA. W taki oto sposób powstaje dwuniciowa cząsteczka DNA.

Terminacja replikacji. Proces terminacji replikacji nie jest etapem do końca zbadanym. Wiadomo, że przesuwające się widełki replikacyjne albo dochodzą do końca cząsteczki, co powoduje zakończenie procesu elongacji nici DNA albo napotykają inne widełki replikacyjne, które przesuwają się w przeciwnym kierunku, co powoduje ich połączenia się.

Proces terminacji w komórkach bakteryjnych. Replikujący się kolisty genom bakteryjny posiada tylko jedne widełki replikacyjne. W wyniku spotkania się widełek replikacyjnych teoretycznie jest możliwość kontynuacji replikacji i stworzenie wielu kopii chromosomu. Aby zapobiec temu procesowi w genomie bakteryjnym znajdują się sekwencje terminacyjne, które leżą dokładnie na przeciwko miejsca ori. Są to odcinki DNA, do których wiążą się specyficzne białka Tus. Białka te mają za zadanie zatrzymanie widełek replikacyjnych poprzez zatrzymanie helikazy, a więc białka umożliwiającego rozplatanie podwójnej nici DNA, W wyniku tego widełki replikacyjne zatrzymują się blisko siebie, co zapobiega nadmiernemu powieleniu genomu bakteryjnego.

Proces terminacji w komórkach eukariotycznych. Proces zatrzymania widełek replikacyjnych w komórkach eukariotycznych nie jest do końca poznany. Wiadomo, że w genomach organizmów eukariotycznych nie występują sekwencje termi-nacyjne analogiczne do tych występujących u bakterii, jak również nie znaleziono białek o podobnej budowie i funkcji do bakteiyjnych białek Tus. Z tego powodu uważa się, że terminacja replikacji w komórkach eukariotycznych zachodzi wskutek zetknięcia się dwóch widełek replikacyjnych, jak również w wyniku napotkania końca liniowej cząsteczki DNA.

Podobne prace

Do góry