Tabla de Contenidos
Дезоксирибонуклеиновата киселина, тоест ДНК ( DNA е нейният акроним на английски), представлява идентичността на всяка клетка, тъй като е неин генетичен материал. Когато една клетка се раздели, за да образува две клетки, или чрез митоза, или чрез мейоза, биомолекулите и органелите трябва да се дублират, за да направят всяка нова клетка. В еукариотните клетки ДНК се намира в ядрото на клетката и трябва да се репликира точно, за да се гарантира, че двете нови клетки са идентични с тази, която ги е създала, а също и че имат правилния брой хромозоми. Процесът на дублиране на ДНК се нарича репликация .; това е основен процес в клетъчния растеж и възпроизводство, както и в процесите на възстановяване на клетките. Процесът на репликация на ДНК има няколко стъпки и включва различни протеини, наречени репликационни ензими , както и РНК , рибонуклеинова киселина. В еукариотните клетки , клетките, които изграждат животните и растенията, репликацията на ДНК се извършва в S фазата на клетъчния цикъл .
Това са ключовите аспекти на репликацията на ДНК:
- Дезоксирибонуклеиновата киселина, известна като ДНК, е нуклеинова киселина, която има три основни компонента: захар, дезоксирибоза; фосфатна група; и азотна основа.
- Тъй като ДНК съдържа генетичния материал на даден организъм, важно е той да бъде копиран точно когато клетката се дели. Сложният биохимичен процес, който води до копиране на ДНК, се нарича репликация.
- Репликацията включва производството на идентични вериги на ДНК от двойна спирала на ДНК молекула.
- Ензимите са жизненоважни за репликацията на ДНК, тъй като те катализират много важни стъпки в процеса.
- Общият процес на репликация на ДНК е изключително важен както за клетъчния растеж, така и за възпроизводството на организмите. Освен това е жизненоважен в процеса на възстановяване на клетките.
структурата на ДНК
ДНК или дезоксирибонуклеинова киселина е вид молекула, известна като нуклеинова киселина. Състои се от дезоксирибоза, захар, която има пет въглеродни атома (C 5 H 10 O 4 ), фосфат и азотна основа. ДНК е изградена от две спираловидни вериги от нуклеинова киселина, които са свързани заедно, за да образуват двойна спирала. Формата на преплетената спирала позволява на ДНК да бъде молекула, наречена хроматин и е компонент на хромозомите. Преди репликацията на ДНК хроматинът се разгръща, позволявайки процесите на клетъчна репликация на нишките на ДНК да поемат.
Подготовка за репликация
Стъпка 1: формиране на вилицата за репликация
Преди да започне процесът на репликация на ДНК, двете преплетени вериги, които го съставят, трябва да бъдат разделени. ДНК се състои от четири бази, наречени аденин (A), тимин (T), цитозин (C) и гуанин (G), организирани по двойки, които свързват двете вериги заедно, образувайки мостове. Аденинът се свързва само с тимина, а цитозинът се свързва само с гуанина. За да се разделят двете ДНК вериги, тези мостове, образувани от базите, трябва да бъдат счупени. Този процес се извършва от ензим, известен като ДНК хеликаза. ДНК хеликазата последователно разрушава водородната връзка между базите, които образуват всеки мост между двете вериги, като ги разделя и в процеса трансформира двойната спирала в Y-образно разклоняващо се устройство, известно като репликационна вилица, както е показано в фигура.
Като следствие от разделянето на веригите и като се има предвид, че основите, които образуват мостовете, са различни във всяка верига, всяка от тях ще има различен състав след разделянето. Краят на моста, който остава на всяка нишка след отделяне, се изразява като 5′ или 3′. 5′ краят има фосфатна (Р) група, докато 3′ краят има хидроксилна (ОН) група. Тази насоченост е важна в процеса на репликация, тъй като се случва само в посока 5′ към 3′. Въпреки това, както беше посочено, разклоняването на разделението генерира различни краища на всяка верига. Едната струна ще бъде ориентирана в посока 3′ към 5′, водещата струна, докато другата ще бъде ориентирана 5′ към 3′, изоставащата струна. Следователно,
Репликацията започва
Стъпка 2: начално обвързване
Основната верига е най-лесна за копиране. След като ДНК веригите са разделени, къса част от РНК, стартова молекула, се прикрепя към 3′ края на веригата, осигурявайки началната точка за репликация. Тези иницииращи молекули се генерират от ензима ДНК примаза.
Репликация на ДНК: удължаване
Стъпка 3: Удължаване
Ензимите, известни като ДНК полимерази, са отговорни за създаването на новата верига чрез процес, наречен удължаване. Има пет различни вида ДНК полимерази както в бактериалните, така и в човешките клетки. При бактерии като E. coli, полимераза III е основният репликационен ензим, докато полимераза I, II, IV и V са отговорни за проверката и поправянето на всякакви грешки, които възникват във веригата. ДНК полимераза III се свързва с веригата в мястото на иницииране и започва да добавя нови комплементарни базови двойки към репликиращата се верига. В еукариотните клетки алфа, делта и епсилон полимеразите са основните полимерази, участващи в репликацията на ДНК. Тъй като репликацията протича в посока 5′ към 3′ на основната верига, новата верига се формира непрекъснато.
Изоставащата верига започва репликация от множество инициатори. Всеки грунд е разделен от няколко основи. ДНК полимеразата добавя части от ДНК, наречени фрагменти на Okazaki, към участъците на веригата, разположени между праймерите. По този начин процесът на репликация е прекъснат, тъй като се редува в дължините на веригата между инициаторите.
Стъпка 4: Прекратяване
След като се образуват непрекъснатите и прекъснати вериги, ензим, наречен екзонуклеаза, премахва всички РНК праймери от оригиналните вериги. След това тези праймери се заменят със съответните бази. Друга екзонуклеаза коригира новоформираната ДНК, за да я провери, като премахва и заменя всички грешки, които може да са възникнали в процеса. Друг ензим, наречен ДНК лигаза, свързва фрагментите на Okazaki в една верига. Линейните краища на ДНК представляват проблем, тъй като ДНК полимеразата може да добавя нуклеотиди само в посока 5′ към 3′. Краищата на родителските вериги се състоят от повтарящи се ДНК последователности, наречени теломери. Теломерите действат като защитни капачки в края на хромозомите, за да предотвратят сливането на близките хромозоми. Специален тип ДНК полимеразен ензим, наречен теломераза, катализира синтеза на теломерни последователности в краищата на ДНК. Веднъж завършена, родителската верига и нейната комплементарна ДНК верига се свързват заедно по добре познатия начин на двойна спирала. В края на процеса на репликация се произвеждат две ДНК молекули, всяка от които съдържа верига от оригиналната молекула и нова верига, произведена в процеса на репликация.
репликационни ензими
Репликацията на ДНК не би се случила без участието на ензими, които катализират различни стъпки в процеса. Основните ензими, участващи в процеса на репликация на еукариотната ДНК са:
- ДНК хеликаза: Разгъва и разделя двойната верига на ДНК, докато се движи по дължината на молекулата. По този начин той образува вилицата за репликация чрез разкъсване на водородните връзки, които образуват мостовете между двойки ДНК нуклеотиди.
- ДНК примаза: вид РНК полимераза, която генерира праймери за процеса. Праймерите са къси РНК молекули, които действат като шаблони в началната точка на репликацията на ДНК.
- ДНК полимерази: синтезират нови ДНК молекули чрез добавяне на нуклеотиди към водещите и изоставащите ДНК вериги.
- Топоизомераза или ДНК гираза: Разгъва и преплита ДНК вериги, за да предотврати заплитането на ДНК.
- Екзонуклеази: Група ензими, които премахват нуклеотидни бази от края на ДНК верига.
- ДНК лигаза: свързва ДНК фрагменти, образувайки фосфодиестерни връзки между нуклеотидите.
Резюме
Репликацията на ДНК е процес, който генерира идентични ДНК вериги от една двойна спирала на ДНК молекула. Всяка нова ДНК молекула се състои от една верига от оригиналната молекула и една верига, образувана в процеса на репликация. Преди репликация, ДНК се разгръща и нишките на двойната спирала се разделят. Формира се Y-образна репликационна вилка, която служи като шаблон за репликация. Молекулите на праймера се прикрепят към разделени ДНК вериги и ДНК полимеразите добавят нови нуклеотидни последователности в посока 5′ към 3′.
Това нуклеотидно включване е непрекъснато на водещата верига и фрагментирано на изоставащата верига. След като удължаването на ДНК веригите приключи, новите вериги се проверяват за грешки, извършват се ремонти, ако е необходимо, и последователностите на теломерите се добавят към краищата на ДНК.
Фонтан
- Рийс, Джейн Б. и Нийл А. Кембъл. Биология на Кембъл . Бенджамин Къмингс, 2011 г.
- Lehninger. Принципи на биохимията – Омега, 6-то издание 2014 г