репликация на ДНКе процесът на удвояване на родителските ДНК молекули по време на възпроизвеждането на клетките на живите организми. Тоест процесът на репликация предшества клетъчното делене. Репликацията, подобно на транскрипцията и транслацията, е матричен процес. По време на верижната репликация ДНК молекулите се разминават и всяка от тях се превръща в шаблон, върху който се синтезира нова комплементарна верига. В този случай нуклеотидите на новите вериги са сдвоени допълващи сес нуклеотиди на стари вериги (A с T, G с C). В резултат на това се образуват две дъщерни двуверижни ДНК молекули, неразличими от родителската молекула. Всяка ДНК молекула се състои от една верига на оригиналната родителска молекула и една новосинтезирана верига. Този механизъм за копиране се нарича полуконсервативен. Всяка новосинтезирана верига антипаралеленродителски. Синтезът на една верига (водеща) се извършва непрекъснато, а другата (изоставаща) - импулсно. Този механизъм се нарича полунепрекъснат.
Структурата на вилицата за репликация. Водеща нишка, изоставаща нишка, фрагменти на Okazaki. виж снимката.
Ключови ензими, участващи в синтеза на ДНК.
Общи структурни характеристики на ДНК полимеразите.
Те работят на същия принцип: те удължават веригата на ДНК чрез добавяне на 1 нуклеотид към 3' края. Изборът е продиктуван от изискванията за комплементарност на матричната ДНК. черти:
Няколко независими домейна, кат. заедно те приличат на дясната ръка на човек. ДНК се свързва в малка вдлъбнатина, образувана от три домена. Основата на каталитичния център се формира от запазени аминокиселинни мотиви в областта на дланта. „Пръстите“ правилно позиционират матрицата в активния център. „Палецът“ свързва ДНК на изхода на ензима и предизвиква висока процесивност. В активния център най-важните запазени региони от трите домейна са събрани и образуват непрекъсната повърхност. Екзонуклеазната активност е разположена в независим домен със собствено каталитично място. N-терминалният домен е вграден в екзонуклеазния домен.
Характеристики на ДНК полимераза I.
Участва в възстановяването на увредена ДНК, също така играе спомагателна роля в репликацията на ДНК - удължава 3' края на веригата, сдвоена с шаблонната верига и позволява празнините да бъдат запълнени с m/d фрагменти от изоставащи вериги, удължава Okazaki фрагменти от 3' краищата, като едновременно с това се отстраняват РНК рибонуклеозидни семена, с кат. всеки фрагмент от Okazaki започва. ДНК полимераза I е способна да удължи 3' края на една верига при прекъсване на двойноверижна ДНК и да отстранява нуклеотиди от 5' края на същото прекъсване (превод на ник) - важна роля в системата за възстановяване.
ДНК полимер“ I доминира над всички останали. Това е 103 kDa полипептид, който може да бъде разцепен на 2 части: С-крайният фрагмент, 68 kDa, фрагментът на Klenow, има полимеразна и 3'->5" екзонуклеазна активност; N-coin фрагментът, 35 kDa, има 5' - >3" екзонуклеазна активност.
Холоензим, ДНК полимераза III, реплизома.
Холоензимът е комплекс от 900 kDa, съдържащ 10 протеина, разделени на 4 вида подкомплекси:
α, ξ, θ. Съдържа 2 копия на каталитичното ядро. α – ДНК полимеразна активност, ξ – 3’-екзонуклеазна активност, θ – стимулира екзонуклеаза.
Съдържа 2 субединици τ (тау) - те служат за задържане заедно на минимален ензим с каталитична активност (α).
2 копия на скобата – отговорни за задържането на минималния ензим върху ДНК шаблони. Всеки се състои от хомодимер от β субединици. Основната роля е да се сведе до минимум вероятността ензимът да се отдели от матрицата, преди процесът на копиране да е завършен.
γ – група от 5 протеина, кат. формират clamp-loader - устройство за прилагане на скоба към ДНК матрицата. Състои се от 2 δ, 1 γ, 1 ψ и 1 χ субединици.
Replisome е мултиензимен комплекс в бактериалната репликационна вилка, която осъществява процеса на полуконсервативна репликация; съдържа ДНК полимераза и редица други протеини.
Еукариотни ДНК полимерази.
ДНК полимераза α - инициира синтеза на нова и изоставаща верига. Свързва се с β-субединица и два малки протеина с примазна активност, така че може да синтезира вериги наново. 2 функции: иницииране и удължаване = α-примаза.
ДНК полимераза δ – удължава водещата верига
ДНК полимераза ξ – участва в синтеза на изоставащата верига
ДНК лигази.
Необходим за свързване на ДНК вериги по време на репликация, възстановяване и рекомбинация. ДНК лигазите от Е. coli и фаг Т4 са единични пептиди, способни да свързват краищата на два различни дуплексни фрагмента или счупени краища на линейни или кръгови ДНК вериги. Така с помощта на ДНК лигази могат да се образуват както линейни, така и кръгови дуплексни ДНК молекули.
ДНК хеликази.
Развива веригите, използвайки енергията на хидролизата на АТФ. Функционира като част от комплекс, който осъществява движението на вилицата за репликация и репликацията на неусукани нишки. Няколко Zelicase могат да действат заедно, за да увеличат скоростта.
SSB-протеини.
Едноверижните свързващи протеини дестабилизират спиралата, свързват се с едноверижната област, като по този начин я стабилизират, т.е. фиксира се участък от едноверижна ДНК.
ДНК топоизомеразиазИII, гираза.
Когато ДНК се развива, молекулата се върти - промяна във вторичните и третичните структури. Тези процеси се катализират от група ензими, наречени топоизомерази. Те въвеждат едноверижни и двуверижни прекъсвания в ДНК, което позволява на молекулата на нуклеиновата киселина да се върти и да се превърне в шаблон. Според механизма на действие се разграничават топоизомерази от първи (I) и втори (II) тип.
Тип I топоизомерази (в Е. coli - свивелаза) - въвеждат едноверижно прекъсване в ДНК молекулата, тип II топоизомерази (в Е. coli - гираза) - извършват двойно верижно прекъсване в ДНК и пренасят ДНК вериги през прекъсване, последвано от омрежване. В същото време, докато изпълняват своите функции, топизомеразите остават свързани с ДНК молекулата. В тези процеси топоизомеразите използват тирозинов остатък, който извършва нуклеофилна атака върху фосфатната група на ДНК, за да образува фосфотирозин. В резултат на това ензимите стават ковалентно свързани към 5' или 3' краищата на ДНК в мястото на прекъсване. Образуването на такава ковалентна връзка елиминира необходимостта от изразходване на енергия при възстановяване на фосфодиестерната връзка при едноверижно прекъсване в крайните етапи на реакцията. ДНК топоизомеразите тип I имат един каталитичен тирозинов остатък на мономерна протеинова молекула, докато димерите на ДНК топоизомераза II съдържат един каталитичен остатък на субединица, което създава стъпаловидно двуверижно разкъсване в ДНК молекулата.
Топоизомеразите функционират като панти, но действията им са противоположни. Топоизомерази I, разкъсвайки една от веригите на кръгова суперспирална ДНК, развиват веригите и намаляват броя на суперспиралите. Топоизомеразите II превръщат отпуснатата, несуперспирална, затворена кръгова ДНК в суперспирала.
Етапи на репликация: инициация, елонгация, терминация. Иницииране на образуването на нови ДНК вериги. Примаза. Примозома. Прекратяване на репликацията на ДНК и дивергенция на дъщерните спирали в прокариотите.
Прекратяване на репликацията в линейни геноми. Проблемът с репликацията на линеен отворен ДНК фрагмент. Теломери и теломерни повторения, теломерна бримка. Теломераза. Механизмът на теломераза. Характеристики на репликацията на еукариотната ДНК. Репликони на еукариоти.
Както в случая с биосинтезата на други клетъчни макромолекули, процесът на репликация условно се разделя на три основни етапа: начало, удължаване и завършване.
Прокариотна репликация
Посвещение
Най-често е представена хромозомата на прокариотите единична суперспирална кръгова молекула с един или два източника на репликация.За да може всяка от двете ДНК вериги да стане шаблон за синтеза на нова верига, е необходимо ДНК веригите да се изправят и да се отдалечат една от друга. Установено е, че ДНК веригите се развиват не по цялата си дължина, а по къс участък. Това е мястото, където се образува вилицата за репликация, мястото на дублирането на ДНК.
Когато ДНК се развива, молекулата се върти - промяна във вторичните и третичните структури. Тези процеси се катализират от група ензими, т.нар топоизомерази . Те въвеждат едноверижни и двуверижни прекъсвания в ДНК, което позволява на молекулата на нуклеиновата киселина да се върти и да се превърне в шаблон. Според механизма на действие се разграничават топоизомерази от първи (I) и втори (II) тип.
Инициаторните протеини „седят“ върху неусуканата част на родителската ДНК молекула, от която започва репликацията и която се нарича произход на репликация (или произход, oriC). Инициирането на репликация в oriC започва с образуването на комплекс, който включва шест протеина DnaA, DnaB, DnaC, HU, гираза и SSB.
Първо, протеините се свързват с последователността от девет нуклеотида ДНК , които образуват голям агрегат. Първоначалната ДНК го обгражда и ДНК веригите са разделени в област от три 13-мерни последователности. На следващия етап протеините DnaB (хеликаза) и DnaC се свързват, образувайки агрегат с размер 480 kDa, с радиус 6 nm. Helicase/ DnaB осигурява разкъсването на водородните връзки между азотните бази в двойната верига на ДНК, което води до нейната денатурация, т.е. разминаване на нишките.
В резултат на изправяне и денатуриране на двойната спирала на ДНК се образува Y-образна репликационна вилка (Фигура). Именно в тази репликационна вилица ДНК полимеразите синтезират дъщерни ДНК молекули. Тази част от ДНК изглежда като балон или „око“ в нерепликирана ДНК. Репликационните „очи“ се формират на тези места, където се намират репликационните източници. Когато нишките на ДНК се разделят, молекулата става доста подвижна. Благодарение на действието се елиминират всички възможни нарушения в структурата на единичните вериги SSB протеини
(едноверижни ДНК-свързващи протеини или дестабилизиращи спиралата протеини), които, като се свързват с единични вериги на ДНК, предотвратяват тяхното слепване. 
Е молекула на наследствеността, тогава, за да реализира това качество, тя трябва точно да се копира и по този начин да запази цялата информация, налична в оригиналната ДНК молекула под формата на специфична последователност от нуклеотиди. Това се постига чрез специален процес, който предхожда деленето на всяка клетка в тялото, който се нарича репликация на ДНК.
Същността на репликацията на ДНК е, че специален ензим разкъсва слабите водородни връзки, които свързват нуклеотидите на двете вериги. В резултат на това веригите на ДНК се разделят и свободните азотни бази „стърчат“ от всяка верига (появата на така наречената репликационна вилка). Специален ензим ДНК полимераза започва да се движи по свободната ДНК верига от 5-ия към 3-ия край (водеща верига), като помага за прикрепването на свободни нуклеотиди, постоянно синтезирани в клетката, към 3"-края на новосинтезираната ДНК верига. На втората верига на ДНК (изоставаща верига) се образува нова ДНК под формата на малки сегменти, състоящи се от 1000-2000 нуклеотида (фрагменти на Оказаки).
За да започне репликацията на ДНК фрагменти от тази верига, е необходим синтез на къси РНК фрагменти (характерните характеристики на РНК ще бъдат обсъдени по-долу) като семена, за които се използва специален ензим - РНК полимераза (примаза). Впоследствие РНК праймерите се отстраняват и ДНК се вмъква в получените пропуски с помощта на ДНК полимераза I. По този начин всяка ДНК верига се използва като матрица или матрица за конструиране на комплементарна верига и ДНК репликацията е полуконсервативна (т.е. една веригата в новата молекула на ДНК е „старата“, а втората е нова).
Клетката използва различни ензими, за да репликира водещите и изоставащите нишки. В резултат на репликацията се образуват две нови абсолютно идентични молекули на ДНК, които също са идентични с оригиналната молекула на ДНК преди началото на нейната редупликация (процесът на репликация на ДНК е показан по-подробно на фиг. 3.5). ДНК полимеразата, както всеки друг ензим, значително ускорява процеса на добавяне на комплементарни нуклеотиди към свободна ДНК верига, но химичният афинитет на аденин към тимин и цитозин към гуанин е толкова голям, че те се комбинират помежду си дори в отсъствието на ДНК полимераза в прости реакционни смеси.
Можем да кажем, донякъде опростено, че феноменът на точното удвояване на молекулата на ДНК, който се основава на комплементарността на базите на тази молекула, представлява молекулярната основа на наследствеността. Скоростта на репликация на ДНК при хората е сравнително бавна и ще отнеме седмици, за да се репликира ДНК на всяка човешка хромозома, ако репликацията започне от една точка. Всъщност в ДНК молекулата на всяка хромозома, а всяка човешка хромозома съдържа само една ДНК молекула, има много места за започване на репликация (репликони). От всеки репликон, репликацията продължава в двете посоки, докато съседните репликони се слеят. Следователно репликацията на ДНК на всяка хромозома се извършва относително бързо.
Репликацията (от латински replicatio - подновяване) е процесът на синтезиране на дъщерна ДНК молекула върху матрицата на родителската ДНК молекула. По време на последващото делене на майчината клетка всяка дъщерна клетка получава едно копие на ДНК молекула, която е идентична с ДНК на оригиналната майчина клетка. Този процес гарантира, че генетичната информация се предава точно от поколение на поколение. Репликацията на ДНК се осъществява от сложен ензимен комплекс, състоящ се от 15-20 различни протеина, наречен реплизома.
Репликацията на ДНК е ключово събитие по време на клетъчното делене. Важно е към момента на разделянето ДНК да е репликирана напълно и само веднъж. Това се осигурява от определени механизми, регулиращи репликацията на ДНК.
Репликацията се извършва в три етапа:
1. Иницииране на репликация
2. Удължение
3. Прекратяване на репликацията.
Регулирането на репликацията се извършва главно на началния етап. Това е доста лесно за изпълнение, тъй като репликацията може да започне не от произволен участък на ДНК, а от строго определен, наречен сайт за започване на репликацията. Може да има само едно или много такива места в генома. Концепцията за репликон е тясно свързана с концепцията за мястото на иницииране на репликацията. Репликонът е участък от ДНК, който съдържа източник на репликация и се репликира, след като синтезът на ДНК започне от това място. Бактериалните геноми обикновено са единичен репликон, което означава, че репликацията на целия геном е резултат само от един акт на започване на репликация.
Еукариотните геноми (както и техните отделни хромозоми) се състоят от голям брой независими репликони, което значително намалява общото време на репликация на отделна хромозома. Молекулярните механизми, които контролират броя на събитията за започване на репликация на всяко място по време на един цикъл на клетъчно делене, се наричат контрол на броя на копията. В допълнение към хромозомната ДНК, бактериалните клетки често съдържат плазмиди, които са индивидуални репликони. Плазмидите имат свои собствени механизми за контрол на броя на копията: те могат да осигурят синтеза само на едно копие на плазмида на клетъчен цикъл или на хиляди копия.
Репликацията започва от мястото на започване на репликацията с разплитането на двойната спирала на ДНК, която образува вилица за репликация - мястото на директна репликация на ДНК. Всеки сайт може да формира една или две разклонения за репликация, в зависимост от това дали репликацията е еднопосочна или двупосочна. Двупосочната репликация е по-често срещана. Известно време след началото на репликацията в електронен микроскоп може да се наблюдава репликационно око - участък от хромозомата, където ДНК вече е репликирана, заобиколен от по-разширени участъци от нерепликирана ДНК.
На вилицата за репликация ДНК копира голям протеинов комплекс (реплизома), чийто ключов ензим е ДНК полимераза. Репликационната вилка се движи със скорост около 100 000 базови двойки в минута при прокариотите и 500-5000 при еукариотите.
Молекулен механизъм на репликация:
Ензимите (хеликаза, топоизомераза) и ДНК-свързващите протеини развиват ДНК, поддържат шаблона в разредено състояние и въртят ДНК молекулата. Правилната репликация се осигурява от точното съвпадение на комплементарни базови двойки и активността на ДНК полимераза, която е в състояние да разпознае и коригира грешката. Репликацията при еукариотите се осъществява от няколко различни ДНК полимерази (за разлика от репликацията на ДНК при прокариотите).
ДНК полимераза I действа върху изоставащата верига, за да премахне РНК праймерите и да репликира предварително пречистени ДНК места. ДНК полимераза III е основният ензим за репликация на ДНК, който синтезира водещата верига на ДНК и фрагментите на Okazaki по време на синтеза на изоставащата верига (фрагментите на Okazaki са относително къси ДНК фрагменти, които се образуват върху изоставащата верига по време на репликацията на ДНК). След това синтезираните молекули се усукват според принципа на супернавиване и допълнително уплътняване на ДНК. Синтезът е енергоемък.
Веригите на ДНК молекулата се разминават, образуват репликационна вилка и всяка от тях се превръща в шаблон, върху който се синтезира нова комплементарна верига. В резултат на това се образуват две нови двуверижни ДНК молекули, идентични на родителската молекула.
Репликация– трансфер на информация от ДНК към ДНК, самоудвояване на ДНК (биосинтеза на ДНК).
ДНК молекула, състояща се от две спирали двойкипо време на клетъчното делене. удвояване на ДНКвъз основа на факта, че при разплитане на нишките всяка нишка може да бъде завършена допълващо копие, като по този начин се получават две вериги от ДНК молекула, копиращи оригиналната.
Необходими условия за репликация: 1.) Матрица- ДНК вериги. Разделянето на нишката се нарича вилица за репликация. Може да се образува вътре в ДНК молекула. Те се движат в различни посоки, образувайки репликативно око. В молекулата на еукариотната ДНК има няколко такива очи, всяко с две вили. 2.) Субстрат. Пластмасовият материал е дезоксинуклеотидни трифосфати: dATP, dGTP, dCTP, dTTP. След това се разпадат до дезоксинуклеотидни монофосфати, две молекули неорганичен фосфат с освобождаване на енергия, т.е. те са едновременно източник и енергия, И пластмасов материал. 3.) Йони магнезий. 4.) Репликативен ензимен комплекс. а) ДНК - развиващи се протеини: - ДНК-А(причинява разминаване на нишки); - хеликази(разцепване на ДНК веригата); - топоизомераза 1И 2 (отвийте отвъд спиралата). Са разкъсани (3,5")-фосфодиестерни връзки. Топоизомераза 2 при прокариотите се нарича гираза. б) Протеини, които предотвратяват свързването на ДНК вериги ( SSB протеини). V) ДНК полимераза(катализира образуването на фосфодиестерни връзки). ДНК полимеразата само удължава съществуваща верига, но не може да съедини два свободни нуклеотида. G) Примаза(катализира образуването на "семена" за синтез). Това е РНК полимераза по своята структура, която свързва единични нуклеотиди. д) ДНК лигаза. 5.) Грундове- „семена“ за репликация. Това е кратък фрагмент, състоящ се от рибонуклеотидни трифосфати(2 - 10). Образуването на праймер се катализира примаза.
Етапи на репликация: 1.) Посвещение(формиране на репликационна вилка); 2.) Удължение(синтез на нови нишки); 3.) Изключване на грунд; 4.) Прекратяване на договора(завършване на синтеза на две дъщерни вериги).
Иницииране на репликация:- регулиране на сигналните протеинови молекули - растежни фактори;- предоставяне ензимиИ специални протеини.
Необходими ензими: ДНК топоизомерази- ензими, които развиват суперспиралите на ДНК. ДНК хеликаза– разкъсва водородните връзки в двуверижна ДНК молекула. Като резултат, вилица за репликация (репликативно око).
Едноверижни ДНК-свързващи протеини се свързват с едноверижна ДНК и им пречат да се съединят комплементарно.
Удължаване на репликацията.Субстратите за синтез са дезоксинуклеозид трифосфати, действащи като строителни материали и източници на енергия.
Необходими ензими: ДНК примаза, който катализира синтеза на къси РНК праймерни молекули за ДНК полимераза. ДНК полимеразаосигурява включването в нарастващата „нова“ верига от нуклеотиди, допълваща „старата“, т.е. шаблонната верига.
Синтезът на нови ДНК вериги може да протича само в посока от 5' края към 3' края. ДНК се синтезира непрекъснато на една верига "водеща" верига, а от другата се образуват къси фрагменти - "изоставаща" верига (фрагменти от Оказаки).
След отстраняване на грундове ДНК лигазазашива къси фрагменти от Оказаки заедно ( прекратяване на договора).
Информацията се предава матричен метод. ПолуконсервативенМеханизъм за репликация на ДНК.
| Синтез на изоставаща нишка |
| 3’ |
| 3’ |
| 5’ |
| 5’ |
ДНК е надеждно хранилище на генетична информация. Но трябва не само да се съхранява в безопасност, но и да се предава на потомството. От това зависи оцеляването на вида. В крайна сметка родителите трябва да предадат на децата си всичко, което са постигнали в хода на еволюцията. Записва всичко: от броя на крайниците до цвета на очите. Разбира се, микроорганизмите имат много по-малко от тази информация, но тя също трябва да бъде предадена. За целта клетката се дели. За да може генетичната информация да стигне до двете дъщерни клетки, тя трябва да бъде удвоена, процес, наречен „репликация на ДНК“. Случва се преди клетъчното делене, без значение кое. Може да е бактерия, която е решила да се размножи. Или може да е нова кожа, която расте на мястото на разреза. Процесът на дублиране на дезоксирибонуклеиновата киселина трябва да бъде ясно регулиран и завършен преди да започне клетъчното делене.
Къде се случва удвояването?
Репликацията на ДНК става директно в ядрото (при еукариотите) или в цитоплазмата (при прокариотите). Нуклеиновата киселина се състои от нуклеотиди - аденин, тимин, цитозин и гуанин. И двете вериги на молекулата са изградени на принципа на комплементарност: аденин в една верига съответства на тимин, а гуанин на цитозин. Удвояването на молекулата трябва да се осъществи по такъв начин, че принципът на комплементарност да се запази в дъщерните спирали.
Начало на репликацията - инициация
Дезоксирибонуклеиновата киселина е двуверижна спирала. Репликацията на ДНК се осъществява чрез добавяне на дъщерни вериги по всяка родителска верига. За да стане възможен този синтез, спиралите трябва да бъдат „разплетени” и веригите разделени една от друга. Тази роля играе хеликазата - тя развива спиралата на дезоксирибонуклеиновата киселина, въртяща се с висока скорост. Началото на дублирането на ДНК не може да започне от всяко място; такъв сложен процес изисква специфична част от молекулата - мястото на започване на репликацията. След като началната точка за дублиране е определена и хеликазата е започнала своята работа по разплитане на спиралата, ДНК нишките се раздалечават, за да образуват репликационна вилка. ДНК полимеразите седят върху тях. Именно те ще синтезират дъщерните вериги.
Удължение
В една молекула дезоксирибонуклеинова киселина могат да се образуват от 5 до 50 репликационни вилки. Синтезът на дъщерните вериги се извършва едновременно в няколко части на молекулата. Но не е лесно да се завърши изграждането на комплементарни нуклеотиди. Веригите на нуклеиновите киселини са антипаралелни една на друга. Различните посоки на родителските вериги влияят върху дублирането, което определя сложния механизъм на репликация на ДНК. Една от веригите се допълва непрекъснато от детето и се нарича водеща. Това е правилно, защото е много удобно за полимеразата да прикрепи свободен нуклеотид към 3’-ОН края на предишния. Този синтез протича непрекъснато, за разлика от процеса на втората верига.
Изостана верига, фрагменти от O'Kazaki
Трудности възникват при другата верига, тъй като там 5’ краят е свободен, към който е невъзможно да се прикрепи свободен нуклеотид. Тогава ДНК полимеразата действа от другата страна. За да се завърши дъщерната верига, се създава праймер, който допълва родителската верига. Той се формира в самата репликационна вилка. Това е мястото, където започва синтезът на малко парче, но по „правилния“ път - добавянето на нуклеотиди става в 3' края. По този начин завършването на веригата при втората дъщерна спирала се случва прекъснато и има посока, обратна на движението на вилицата за репликация. Тези фрагменти бяха наречени фрагменти на О'Казаки и са дълги около 100 нуклеотида. След като фрагментът е изграден до предишното готово парче, праймерите се изрязват от специален ензим и мястото на изрязване се запълва с липсващите нуклеотиди.
Прекратяване на договора
Удвояването е завършено, когато и двете вериги са завършили дъщерните си вериги и всички фрагменти на O’Kazaki са зашити заедно. При еукариотите репликацията на ДНК завършва, когато вилиците на репликация се срещнат една с друга. Но при прокариотите тази молекула е кръгла и процесът на удвояване се извършва без първо прекъсване на веригата. Оказва се, че цялата дезоксирибонуклеинова киселина е един голям репликон. И дублирането приключва, когато вилиците за репликация се срещнат от противоположната страна на пръстена. След завършване на репликацията, двете вериги на родителската дезоксирибонуклеинова киселина трябва да бъдат свързани обратно заедно, след което двете молекули се усукват, за да образуват суперспирали. След това и двете ДНК молекули се метилират при аденин в -GATC- региона. Това не разделя веригите и не пречи на взаимното им допълване. Това е необходимо за сгъването на молекулите в хромозоми, както и за регулирането на четенето на гени.
Скорост и точност на репликация
Вторият етап на удвояване на ДНК (удължаване) се извършва със скорост около 700 нуклеотида в секунда. Ако си спомним, че има 10 двойки мономери на оборот от нуклеинова киселина, се оказва, че по време на „размотаване“ молекулата се върти с честота от 70 оборота в секунда. За сравнение: скоростта на въртене на охладителя в системния блок на компютъра е приблизително 500 оборота в секунда. Но въпреки високата си скорост, ДНК полимеразата почти никога не прави грешки. В крайна сметка тя просто избира допълващи се нуклеотиди. Но дори и да направи грешка, ДНК полимеразата я разпознава, прави крачка назад, откъсва неправилния мономер и го заменя с правилния. Механизмът на репликация на ДНК е много сложен, но успяхме да разберем основните моменти. Важно е да се разбере значението му както за микроорганизмите, така и за многоклетъчните същества.
репликация на ДНК- Това е процесът на нейното удвояване преди клетъчното делене. Понякога казват "редупликация на ДНК". Дублирането се случва в S фазата на интерфазата на клетъчния цикъл.
Очевидно е необходимо самокопиране на генетичен материал в живата природа. Само по този начин дъщерните клетки, образувани по време на деленето, могат да съдържат същото количество ДНК, каквото е било първоначално в първоначалната. Благодарение на репликацията, всички генетично програмирани структурни и метаболитни характеристики се предават през няколко поколения.
По време на клетъчното делене всяка ДНК молекула от двойка идентични преминава в своята дъщерна клетка. Това осигурява точното предаване на наследствената информация.
Синтезът на ДНК консумира енергия, т.е. това е енергоемък процес.
Механизъм за репликация на ДНК
Самата ДНК молекула (без дублиране) е двойна спирала. По време на процеса на редупликация водородните връзки между двете му допълващи се вериги се разкъсват. И върху всяка отделна верига, която сега служи като шаблон-матрица, се изгражда нова верига, допълваща я. По този начин се образуват две ДНК молекули. Всеки получава една верига от ДНК на майка си, втората е новосинтезирана. Следователно механизмът на репликация на ДНК е полуконсервативен(едната верига е стара, едната е нова). Този механизъм на репликация е доказан през 1958 г.
В една ДНК молекула веригите са антипаралелни. Това означава, че едната нишка върви в посока от 5" края към 3", а допълващата се движи в обратната посока. Числата 5 и 3 показват броя на въглеродните атоми в дезоксирибозата, която е част от всеки нуклеотид. Чрез тези атоми нуклеотидите са свързани помежду си чрез фосфодиестерни връзки. И където едната верига има 3" връзки, другата има 5" връзки, тъй като е обърната, тоест върви в другата посока. За по-голяма яснота можете да си представите, че слагате ръка върху ръката си, като първокласник, който седи на бюро.
Основният ензим, който осъществява растежа на нова верига на ДНК, може да направи това само в една посока. А именно: прикрепете нов нуклеотид само към 3" края. Така синтезата може да продължи само в посока от 5" към 3".
Веригите са антипаралелни, което означава, че синтезът трябва да протича по тях в различни посоки. Ако ДНК веригите първо се разминат напълно, а след това върху тях се изгради нова комплементарна, тогава това няма да е проблем. В действителност веригите се разминават в някои случаи произход на репликация, и на тези места на матриците веднага започва синтез.
Така нареченият репликационни вилици. В този случай в една майчина верига синтезът протича в посока на отклонение на вилицата и този синтез се извършва непрекъснато, без прекъсвания. При втория шаблон синтезът протича в посока, обратна на посоката на дивергенция на оригиналните ДНК вериги. Следователно такъв обратен синтез може да се случи само на парчета, които се наричат фрагменти от Оказаки. По-късно такива фрагменти се „зашиват“ заедно.
Нарича се дъщерна верига, която се репликира непрекъснато водещ, или водещ. Този, който се синтезира чрез фрагменти от Оказаки, е изоставащ или изоставащ, тъй като фрагментираната репликация е по-бавна.
На диаграмата родителските ДНК вериги постепенно се разминават в посоката, в която се синтезира водещата дъщерна верига. Синтезът на изоставащата верига върви в обратна посока на дивергенцията, така че е принуден да се извършва на парчета.
Друга особеност на основния ензим за синтез на ДНК (полимераза) е, че той не може да започне самия синтез, а само да продължи. Той се нуждае семена или грунд. Следователно, малък комплементарен участък от РНК първо се синтезира върху родителската верига и след това веригата се удължава с помощта на полимераза. По-късно грундовете се отстраняват и дупките се запълват.
На диаграмата семената са показани само на изоставащата нишка. Всъщност те също са на водещата. Тук обаче се нуждаете само от един грунд на вилица.
Тъй като нишките на майчината ДНК не винаги се отклоняват от краищата, а в точките на инициализация, всъщност не се образуват толкова вилици, колкото очи или мехурчета.
Всеки балон може да има две вилици, т.е. веригите ще се разминават в две посоки. Те обаче могат да направят само едно. Ако все пак дивергенцията е двупосочна, тогава от точката на инициализация на една ДНК верига синтезът ще продължи в две посоки - напред и назад. В този случай непрекъснатият синтез ще се извършва в едната посока, а фрагментите на Оказаки в другата.
Прокариотната ДНК не е линейна, а има кръгова структура и само един източник на репликация.
Диаграмата показва двете вериги на родителската ДНК молекула в червено и синьо. Новосинтезираните нишки са показани с пунктирани линии.
При прокариотите самокопирането на ДНК е по-бързо, отколкото при еукариотите. Ако скоростта на редупликация при еукариотите е стотици нуклеотиди в секунда, то при прокариотите тя достига хиляда или повече.
Репликационни ензими
Репликацията на ДНК се осигурява от цял комплекс от ензими, т.нар репликома. Има повече от 15 ензима и протеини на репликация. Най-значимите са изброени по-долу.
Основният репликационен ензим е вече споменатият ДНК полимераза(всъщност има няколко различни), което директно разширява веригата. Това не е единствената функция на ензима. Полимеразата е в състояние да "провери" кой нуклеотид се опитва да се прикрепи към края. Ако не е подходящо, тя го изтрива. С други думи, частичният ремонт на ДНК, т.е. нейната корекция на грешки при репликация, се случва още на етапа на синтез.
Нуклеотидите, намиращи се в нуклеоплазмата (или цитоплазмата при бактериите), съществуват под формата на трифосфати, т.е. те не са нуклеотиди, а дезоксинуклеозидни трифосфати (dATP, dTTP, dGTP, dCTP). Те са подобни на АТФ, който има три фосфатни остатъка, два от които са свързани чрез високоенергийна връзка. Когато такива връзки се разкъсат, се освобождава много енергия. Също така, дезоксинуклеозид трифосфатите имат две високоенергийни връзки. Полимеразата отделя последните два фосфата и използва освободената енергия за реакцията на полимеризация на ДНК.
Ензим хеликазаразделя матричните ДНК вериги чрез разкъсване на водородните връзки между тях.
Тъй като молекулата на ДНК е двойна спирала, разкъсването на връзките предизвиква още по-голямо усукване. Представете си въже от две въжета, усукани едно спрямо друго, и от едната страна дърпате единия край надясно, другия наляво. Тъканата част ще се накъдри още повече и ще стане по-стегната.
За да се елиминира такова напрежение, е необходимо все още неразкъсаната двойна спирала бързо да се завърти около оста си, „пренастройвайки“ получената суперспирализация. Това обаче е твърде енергоемко. Следователно в клетките се прилага различен механизъм. Ензим топоизомеразаскъсва една от нишките, прекарва втората през пролуката и зашива първата отново. По този начин се елиминират получените супернамотки.
Отделилите се в резултат на действието на хеликазата шаблонни ДНК вериги се опитват да се свържат отново с водородните си връзки. За да не се случи това, те предприемат действия ДНК свързващи протеини. Това не са ензими в смисъл, че не катализират реакции. Такива протеини се прикрепят към ДНК веригата по цялата й дължина и предотвратяват затварянето на комплементарните вериги на шаблонната ДНК.
Синтезират се праймери РНК примаза. И се изтриват екзонуклеаза. След отстраняване на праймера, дупката се запълва от друг тип полимераза. В този случай обаче отделните участъци от ДНК не са зашити заедно.
Отделни части от синтезираната верига са омрежени чрез репликационен ензим като напр ДНК лигаза.
