DNA-replikation

Deoxiribonukleinsyra, det vill säga DNA ( DNA är dess akronym på engelska), utgör identiteten för varje cell, eftersom det är dess genetiska material. När en cell delar sig för att bilda två celler, antingen genom mitos eller meios, måste biomolekylerna och organellerna duplicera för att göra varje ny cell. I eukaryota celler finns DNA i cellens kärna och måste replikeras exakt för att säkerställa att de två nya cellerna är identiska med den som skapade dem, och även att de har rätt antal kromosomer. Processen att duplicera DNA kallas  replikation .; det är en väsentlig process i celltillväxt och reproduktion, såväl som i cellreparationsprocesser. DNA-replikationsprocessen har flera steg och involverar olika proteiner som kallas replikationsenzymer , såväl som RNA , ribonukleinsyra.  I eukaryota celler , de celler som utgör djur och växter, sker DNA-replikation i S-fasen av cellcykeln .

Dessa är nyckelaspekterna av DNA-replikation:

• Deoxiribonukleinsyra, allmänt känd som DNA, är en nukleinsyra som har tre huvudkomponenter: ett socker, deoxiribos; en fosfatgrupp; och en kvävehaltig bas.
• Eftersom DNA innehåller en organisms genetiska material är det viktigt att det kopieras exakt när en cell delar sig. Den komplexa biokemiska process som leder till kopiering av DNA kallas replikation.
• Replikation innebär produktion av identiska strängar av DNA från en dubbelspiral DNA-molekyl.
• Enzymer är avgörande för DNA-replikation, eftersom de katalyserar mycket viktiga steg i processen.
• Den allmänna processen för DNA-replikation är extremt viktig för både celltillväxt och reproduktion av organismer. Det är också viktigt i cellreparationsprocessen.

DNA:s struktur

DNA eller deoxiribonukleinsyra är en typ av molekyl som kallas nukleinsyra. Den består av deoxiribos, ett socker som har fem kolatomer (C ₅ H ₁₀ O ₄ ), ett fosfat och en kvävebas. DNA består av två spiralformade strängar av nukleinsyra som är sammanlänkade för att bilda en dubbelhelix. Den sammanflätade helixformen tillåter DNA att vara en molekyl som kallas kromatin och är komponenten i kromosomerna. Innan DNA-replikering utvecklas kromatin vilket gör att de cellulära replikationsprocesserna för DNA-strängarna kan ta över.

Förbereder för replikering

Steg 1: bildandet av replikeringsgaffeln

Innan processen för DNA-replikation börjar måste de två sammanflätade strängarna som utgör den separeras. DNA består av fyra baser som kallas adenin (A), tymin (T), cytosin (C) och guanin (G), organiserade i par som förenar de två kedjorna tillsammans och bildar broar. Adenin binder endast med tymin, och cytosin binder endast med guanin. För att separera de två DNA-strängarna måste dessa bryggor som bildas av baserna brytas. Denna process utförs av ett enzym som kallas DNA-helikas. DNA-helikas bryter sekventiellt vätebindningen mellan baserna som bildar varje brygga mellan de två strängarna, drar isär dem och, i processen, omvandlar den dubbla helixen till en Y-formad förgreningsenhet känd som en replikationsgaffel, som visas i figur.

Som en konsekvens av separationen av kedjorna och med hänsyn till att baserna som bildar bryggorna är olika i varje kedja, kommer var och en att ha en annan sammansättning efter delningen. Den ände av bryggan som finns kvar på varje sträng efter separation uttrycks som 5′ eller 3′. 5′-änden har en fosfatgrupp (P) medan 3′-änden har en hydroxylgrupp (OH). Denna riktning är viktig i replikeringsprocessen, eftersom den endast sker i 5′- till 3′-riktningen. Men som sagt genererar splittring av divisionen olika ändar på varje kedja. En sträng kommer att vara orienterad i riktningen 3′ till 5′, den ledande strängen, medan den andra kommer att vara orienterad 5′ till 3′, den eftersläpande strängen. Därför,

Replikeringen börjar

Steg 2: initieringsbindning

Huvudkedjan är lättast att replikera. När DNA-strängarna har separerats, fäster en kort bit RNA, en startmolekyl, till 3′-änden av strängen, vilket ger startpunkten för replikering. Dessa initieringsmolekyler genereras av enzymet DNA-primas.

DNA-replikation: förlängning

Steg 3: Förlängning

Enzymer som kallas DNA-polymeraser är ansvariga för att skapa den nya strängen genom en process som kallas förlängning. Det finns fem olika typer av DNA-polymeraser i både bakterier och mänskliga celler. I bakterier som E. coli, polymeras III är huvudreplikationsenzymet, medan polymeras I, II, IV och V är ansvariga för att kontrollera och reparera eventuella fel som uppstår i kedjan. DNA-polymeras III binder till strängen vid initieringsstället och börjar lägga till nya komplementära baspar till den replikerande strängen. I eukaryota celler är alfa-, delta- och epsilon-polymeraser de viktigaste polymeraserna som är involverade i DNA-replikation. Eftersom replikeringen fortskrider i 5′- till 3′-riktningen på huvudsträngen, bildas den nya strängen kontinuerligt.

Den eftersläpande kedjan startar replikering från flera initiatorer. Varje primer separeras av flera baser. DNA-polymeras lägger till bitar av DNA, kallade Okazaki-fragment, till strängarna som ligger mellan primrarna. Således är replikeringsprocessen diskontinuerlig, eftersom den alternerar i kedjans längder mellan initiatorerna.

Steg 4: Uppsägning

När de kontinuerliga och diskontinuerliga strängarna väl har bildats tar ett enzym som kallas exonukleas bort alla RNA-primrar från de ursprungliga strängarna. Dessa primrar ersätts sedan med motsvarande baser. Ett annat exonukleas korrekturläser det nybildade DNA:t för att verifiera det, tar bort och ersätter eventuella fel som kan ha uppstått i processen. Ett annat enzym som kallas DNA-ligas förenar Okazaki-fragmenten till en enda sträng. Linjära DNA-ändar utgör ett problem, eftersom DNA-polymeras endast kan lägga till nukleotider i 5′- till 3′-riktningen. Ändarna av modersträngarna består av upprepade DNA-sekvenser som kallas telomerer. Telomerer fungerar som skyddslock i änden av kromosomerna för att förhindra att närliggande kromosomer smälter samman. En speciell typ av DNA-polymerasenzym som kallas telomeras katalyserar syntesen av telomersekvenser i ändarna av DNA. När den väl är färdig länkas modersträngen och dess komplementära DNA-sträng samman på det välkända sättet med dubbelspiral. I slutet av replikationsprocessen produceras två DNA-molekyler som var och en innehåller en sträng från den ursprungliga molekylen och en ny sträng som produceras i replikationsprocessen.

replikationsenzymer

DNA-replikation skulle inte ske utan deltagande av enzymer som katalyserar olika steg i processen. De viktigaste enzymerna som är involverade i den eukaryota DNA-replikationsprocessen är:

• DNA-helikas: Viker upp och separerar den dubbla DNA-strängen när den rör sig längs med molekylens längd. Den bildar alltså replikationsgaffeln genom att bryta vätebindningarna som bildar bryggorna mellan par av DNA-nukleotider.
• DNA-primas: En typ av RNA-polymeras som genererar primrar för processen. Primers är korta RNA-molekyler som fungerar som mallar vid startpunkten för DNA-replikation.
• DNA-polymeraser: syntetisera nya DNA-molekyler genom att lägga till nukleotider till de ledande och eftersläpande DNA-strängarna.
• Topoisomeras eller DNA-gyras: Viker ut och flätar ihop DNA-strängar för att förhindra att DNA trasslar ihop.
• Exonukleaser: En grupp enzymer som tar bort nukleotidbaser från änden av en DNA-sträng.
• DNA-ligas: förenar DNA-fragment och bildar fosfodiesterbindningar mellan nukleotider.

Sammanfattning

DNA-replikation är en process som genererar identiska DNA-strängar från en enkel dubbelhelix-DNA-molekyl. Varje ny DNA-molekyl består av en sträng från den ursprungliga molekylen och en sträng som bildas under replikationsprocessen. Innan replikering vecklas DNA ut och strängarna i dubbelhelixen separeras. En Y-formad replikeringsgaffel bildas som fungerar som en mall för replikering. Primermolekyler fäster vid separerade DNA-strängar och DNA-polymeraser lägger till nya nukleotidsekvenser i 5′ till 3′-riktningen.

Denna nukleotidinkorporering är kontinuerlig på den ledande strängen och fragmenterad på den eftersläpande strängen. När förlängningen av DNA-strängarna är klar kontrolleras de nya strängarna för fel, reparationer görs vid behov och telomersekvenser läggs till i ändarna av DNA:t.

Fontän

• Reece, Jane B. och Neil A. Campbell. Campbell Biologi . Benjamin Cummings, 2011.
• Lehninger. Principles of Biochemistry – Omega, 6:e upplagan 2014