Replikaatio ( latinasta replicatio - uusiutuminen) on prosessi, jossa luodaan kaksi tytär - DNA -molekyyliä, jotka perustuvat emo-DNA-molekyyliin. DNA:n replikaation suorittaa monimutkainen kompleksi, joka koostuu 15-20 erilaisesta entsyymiproteiinista, jota kutsutaan replisomiksi [1] . Äidin DNA:n kaksoiskierre kierretään erityisten entsyymien avulla kahdeksi säikeeksi, jokaisessa muodostuneessa juosteessa valmistuu toinen juoste, joka muodostaa kaksi identtistä tytär-DNA-molekyyliä, jotka sitten kierretään erillisiksi spiraaleiksi. Emäsolun myöhemmän jakautumisen aikana jokainen tytärsolu saa yhden kopion DNA-molekyylistä, joka on identtinen alkuperäisen emosolun DNA:n kanssa. Tämä prosessi varmistaa geneettisen tiedon tarkan siirron sukupolvelta toiselle.
Jokainen DNA-molekyyli koostuu yhdestä alkuperäisen emomolekyylin juosteesta ja yhdestä vasta syntetisoidusta juosteesta. Tällaista replikointimekanismia kutsutaan puolikonservatiiviseksi. Tällä hetkellä tätä mekanismia pidetään todistettuna Matthew Meselsonin ja Franklin Stahlin ( 1958 ) [2] kokeiden ansiosta . Aiemmin oli kaksi muuta mallia: "konservatiivinen" - replikaation seurauksena muodostuu yksi DNA-molekyyli, joka koostuu vain emoketjuista, ja yksi, joka koostuu vain lapsiketjuista; "dispersiivinen" - kaikki replikaatiosta johtuvat DNA-molekyylit koostuvat ketjuista, joista osa on juuri syntetisoitu, kun taas toiset on otettu emo-DNA-molekyylistä. DNA-molekyyli leikataan kahtia ja muodostuu kaksi templaattia. Kaksi mallia tulee ulos replikointihaarukasta. Jos kuvittelet ne suoristettuna, näet linjan kampaa, jotka on yhdistetty päistä, mutta joissa on rako. Kuvittele, että yksi kampa on sininen ja toinen punainen. Korvataan nyt alempi punainen (se on tehty viidestä harjanteesta, kuten ylempi) viidennellä päällä kolmanteen ylempään (kolmas ylempi neula). Pidennä ketjua sekä ylhäältä että alhaalta. Miten kävisi: viisi, kolme, viisi jne. - myös ylä- ja alapuolella. Sitten näihin kampaihin lisätään vielä kaksi mallia, kun mallit (kammat) poistuvat replikointihaarukasta. Yhdestä DNA-molekyylistä kaksi molekyyliä on identtinen emomolekyylin kanssa (jos mutaatioita ei ole), tätä kutsutaan puolikonservatiiviseksi.
DNA:n replikaatio on avaintapahtuma solun jakautumisessa . On tärkeää, että DNA on jakautumiseen mennessä täysin replikoitunut ja vain kerran. Tämän tarjoavat tietyt DNA-replikaation säätelymekanismit. Replikointi tapahtuu kolmessa vaiheessa:
Replikaatiota säädellään pääasiassa aloitusvaiheessa. Tämä on melko helppo tehdä, koska replikaatio ei voi alkaa mistä tahansa DNA-segmentistä, vaan tiukasti määritellystä, jota kutsutaan replikaation aloituspaikaksi . Genomissa voi olla joko vain yksi tai useita tällaisia paikkoja. Replikaation aloituspaikan käsite liittyy läheisesti replikonin käsitteeseen . Replikoni on DNA-jakso, joka sisältää replikaation aloituskohdan ja replikoituu DNA-synteesin alkamisen jälkeen tästä kohdasta. Bakteerigenomit ovat yleensä yksi replikoni, mikä tarkoittaa, että koko genomin replikaatio on tulosta vain yhdestä replikaation aloitustoimesta. Eukaryoottigenomit ( sekä niiden yksittäiset kromosomit ) koostuvat suuresta määrästä itsenäisiä replikoneja, mikä vähentää merkittävästi yksittäisen kromosomin kokonaisreplikaatioaikaa. Molekyylimekanismeja, jotka säätelevät replikaation aloitusten määrää kussakin paikassa solujakautumissykliä kohden, kutsutaan kopiomäärän säätelyksi . Kromosomaalisen DNA:n lisäksi bakteerisolut sisältävät usein plasmideja , jotka ovat yksittäisiä replikoneja. Plasmidilla on omat kopiomäärän säätömekanisminsa: ne voivat tuottaa vain yhden kopion plasmidista solusykliä kohti tai tuhansia kopioita [1] .
Replikaatio alkaa replikaation aloituskohdasta DNA:n kaksoiskierteen purkautumisella, jolloin muodostuu replikaatiohaarukka , DNA:n suoran replikaation kohta. Jokainen paikka voi muodostaa yhden tai kaksi replikointihaarukkaa sen mukaan, onko replikointi yksi- vai kaksisuuntaista. Kaksisuuntainen replikointi on yleisempää. Jonkin ajan kuluttua replikaation alkamisesta elektronimikroskoopissa voidaan havaita replikaatiosilmä - kromosomin alue, jossa DNA on jo replikoitunut ja jota ympäröivät laajemmat replikoitumattoman DNA:n alueet [1] .
Replikaatiohaarukassa DNA kopioi suuren proteiinikompleksin (replisomin), jonka avainentsyymi on DNA-polymeraasi . Replikaatiohaarukka liikkuu noin 100 000 emäsparia minuutissa prokaryooteilla ja 500-5000 emäsparia minuutissa eukaryooteilla [3] .
| Entsyymi | Toiminto |
|---|---|
| DNA gyraasi | Kuuluu topoisomeraasien ryhmään . Tuo DNA:han väliaikaisia kaksisäikeisiä katkoja, mikä helpottaa sen purkamista. |
| helicase | Jakaa kaksijuosteisen DNA-molekyylin säikeet yksittäisiksi juosteiksi. |
| SSB proteiinit | Ne sitovat yksijuosteisia DNA-fragmentteja ja estävät komplementaarisen pariutumisen. |
| Primaza | Syntetisoi RNA-alukkeen (alukkeen) - lyhyen RNA-fragmentin, joka on DNA-polymeraasin työn aloittaja (polymeraasi ei pysty syntetisoimaan DNA:ta tyhjästä, mutta voi lisätä nukleotideja olemassa oleviin). |
| DNA-polymeraasi | Syntetisoi DNA:ta sitoutumalla alukkeeseen. Polymeraasi syntetisoi äidin DNA:n toista päätä jatkuvasti ja yhteen suuntaan ja toista päätä vastakkaiseen suuntaan fragmentteina. |
| Oravien liukuklipsi (kiinnikkeet) | Ne ympäröivät DNA-rengasta ja "liukuvat" sitä pitkin DNA-polymeraasientsyymin mukana eteenpäin. Ne estävät entsyymin dissosioitumisen DNA-templaatista ja lisäävät sen tehokkuutta. |
| RNaasi H | Poistaa jo tarpeettomat fragmentit RNA-alukkeesta. |
| DNA-ligaasi | Linkittää DNA -fragmentteja (Okazaki-fragmentteja ). |
| Telomeraasi | Lisää erityisiä toistuvia nukleotidisekvenssejä DNA-ketjun toiseen päähän telomeerialueilla, mikä kompensoi niiden lyhenemistä jakautumisen aikana. |
| Replisome
(kaikkien replikaatioentsyymien kompleksi) |
Se liikkuu pitkin DNA-matriisimolekyyliä puristaen sitä ja rakentaen komplementaarisia DNA-ketjuja. |
Entsyymit ( helikaasi , topoisomeraasi ) ja DNA:ta sitovat proteiinit purkavat DNA:ta, pitävät matriisin laimennetussa tilassa ja pyörittävät DNA-molekyyliä. Replikaation oikeellisuuden takaa komplementaaristen emäsparien täsmällinen yhteensopivuus ja DNA-polymeraasin aktiivisuus , joka pystyy tunnistamaan ja korjaamaan virheen. Replikaatio prokaryooteissa[ selventää ] useat erilaiset DNA-polymeraasit . DNA-polymeraasi I vaikuttaa jäljessä olevaan juosteeseen RNA - alukkeiden poistamiseksi ja puhdistettujen DNA-kohtien esireplikaatioksi. DNA-polymeraasi III on DNA-replikaation pääentsyymi , joka syntetisoi johtavan DNA-juosteen ja Okazaki-fragmentteja jäljessä olevan juosteen synteesin aikana. Seuraavaksi syntetisoidut molekyylit kierretään superkiertymisen ja DNA :n lisätiivistymisen periaatteen mukaisesti . Synteesi on energiaintensiivistä.
DNA-molekyylin ketjut eroavat toisistaan, muodostavat replikaatiohaarukan , ja jokaisesta niistä tulee templaatti, jolle syntetisoidaan uusi komplementaarinen ketju. Tämän seurauksena muodostuu kaksi uutta kaksijuosteista DNA-molekyyliä, jotka ovat identtisiä alkuperäisen molekyylin kanssa.
Replikointiprosessin ominaisuudet| DNA kopiointi | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Initiaatio |
| ||||||
| Pidentymä |
| ||||||
| Irtisanominen |
| ||||||