Replikacja DNA

Nowo powstające organizmy mogą być klonami genetycznymi utworzonymi drogą rozmnażania bezpłciowego lub pochodzić z haploidalnych komórek rozrodczych,  zawierających połowę materiału genetycznego występującego w komórkach ciała matki lub ojca. W obu przypadkach nowa komórka ma cały zasób informacji genetycznej, niezbędnej do prawidłowego funkcjonowania organizmu. W trakcie życia organizmy wzrastają, komórki dzielą się, a materiał genetyczny musi zostać powielony i rozdzielony do kolejnych komórek potomnych.

Przebieg replikacji DNA

Replikacja DNA to proces powielania DNA. W jego wyniku z jednej cząsteczki DNA powstają dwie cząsteczki o takim samym składzie i sekwencji nukleotydów co cząsteczka macierzysta. Replikacja DNA poprzedza podział komórki, dzięki czemu każda z komórek potomnych zawiera materiał genetyczny komórki macierzystej. Gdyby DNA nie było replikowane przed podziałem, każda kolejna generacja komórek zawierałaby o połowę mniej informacji genetycznej niż poprzednia, co w krótkim czasie prowadziłoby do utraty całej informacji genetycznej i śmierci komórek. 

Podczas replikacji podwójna helisa DNA ulega rozpleceniu, a do każdej z pojedynczych nici dobudowywana jest druga − komplementarna. W rezultacie każda nowa cząsteczka DNA składa się z dwóch nici o różnym pochodzeniu: jednej „starej” i jednej nowo zsyntetyzowanej nici. Z tego względu replikacja DNA określana jest jako półzachowawcza, czyli semikonserwatywna. 

RzfsN7dmnqc9e

Schemat przedstawia semikonserwatywną replikację DNA. Na górze schematu przedstawiona jest cząsteczka DNA złożona z dwóch wstęg, gdzie każda z nich jest tzw. nicią rodzicielską. Pomiędzy nimi znajdują się kolorowe linie symbolizujące zasady azotowe wchodzące w skład DNA. Kolorem niebieskim oznaczono tyminę (T), kolorem czerwonym guaninę (G), kolorem zielonym cytozynę (C), a kolorem żółtym adeninę (A). Te zasady azotowe łączą się ze sobą w parach: tymina z adeniną a guanina z cytozyną, co symbolizuje kształt zakończenia linii podobny do puzzli – jedna nić uzupełnia drugą. Przerywanymi liniami oznaczone są wiązania wodorowe łączące zasady azotowe. Tymina z Adeniną łączy się dwoma wiązaniami. Guanina z Cytozyną trzema wiązaniami. Cytozyna z Guaniną trzema wiązaniami. Adenina z Tyminą dwoma wiązaniami. Poniżej nici z łańcucha DNA rozszerzają się i łączą się z nowymi nićmi, pomiędzy którymi również występują zasady azotowe symbolizowane przez kolorowe linie. W skład każdej z nowych cząsteczek DNA wchodzi nowa nić i nić rodzicielska.

Etapy replikacji DNA

Replikacja DNA jest procesem enzymatycznym, przeprowadzanym przez duży kompleks białkowy - replisom.

W przebiegu replikacji DNA wyróżnia się trzy etapy: inicjacji, elongacji oraz terminacji. 

Inicjacja replikacji

W czasie inicjacji replikacji następuje rozplecenie podwójnej helisy DNA. Proces ten polega na rozerwaniu wiązań wodorowych między zasadami i przeprowadzany jest przez enzymy - helikazy. U eukariontów replikacja rozpoczyna się w wielu miejscach naraz − są to tzw. miejsca inicjacji replikacji, zwane też miejscami ori (z ang. origin - pochodzenie), natomiast w prokariotycznym DNA występuje tylko jedno miejsce ori. W wyniku rozplecenia helisy DNA powstaje oczko replikacyjneograniczone po obu stronach widełkami replikacyjnymi. W komórkach prokariotycznych jest tylko jedno oczko replikacyjne, natomiast w komórkach eukariotycznych - wiele. Jednoniciowe odcinki DNA w obrębie oczek replikacyjnych są stabilizowane przez białka wchodzące w skład replisomu.

Elongacja - tworzenie nowych nici DNA

Podczas etapu elongacji widełki replikacyjne przesuwają się w przeciwne strony aż do zakończenia replikacji lub napotkania następnego oczka replikacyjnego. W tym czasie odpowiednie enzymy, zwane polimerazami DNA, syntezują nici komplementarne do pojedynczych nici macierzystych. 

Polimerazy DNA nie potrafią rozpocząć syntezy nowej nici DNA de novo (od zera) – wymagają one już istniejącej dwuniciowej sekwencji z wolnym końcem 3'-OH, do którego dołączają kolejne nukleotydy. Z tego względu specjalny enzym replisomu - prymaza, syntetuzje, krótkie fragmenty RNA - starterystarterstartery, które są komplementarne do fragmentu sekwencji DNA.

Ponieważ synteza DNA zachodzi wyłącznie w kierunku od 5′ do 3′, na jednej nici, nazywanej nicią wiodącą, synteza zachodzi w sposób ciągły, natomiast na drugiej — zwanej nicią opóźnioną — odbywa się w postaci krótkich odcinków zwanych fragmentami Okazaki. 

W trakcie elongacji powielanego fragmentu DNA niepotrzebne już startery są wycinane, a luki po nich uzupełniane komplementarnymi nukleotydami przez polimerazę DNA. Ostatecznie enzym ligaza łączy fragmenty Okazaki w jedną nić DNA. 

Terminacja replikacji i działanie telomerazy

Zakończenie replikacji następuje w momencie spotkania się dwóch widełek replikacyjnych. Wtedy to od DNA odłącza się kompleks replisomu, wycinane są ostatnie startery RNA, a powstałe luki uzupełnia polimeraza DNA i spaja ligaza. U bakterii proces kończy się ostatecznie rozdzieleniem splecionych cząsteczek potomnych, natomiast u eukariontów następuje jeszcze zabezpieczanie końców chromosomów - telomerówtelomerytelomerów.

Zabezpieczenie telomerów jest niezbędne, ponieważ po usunięciu ostatniego startera na końcu nici opóźnionej polimeraza DNA nie jest w stanie dobudować brakującego fragmentu (brak wolnej grupy 3'-OH). W rezultacie dochodzi do skracania się cząsteczki DNA po każdej rundzie replikacyjnej. W niektórych komórkach zapobiega temu enzym - telomeraza. Dzięki temu, że zawiera ona cząsteczkę RNA o sekwencji komplementarnej do DNA telomerowego wykorzystuje ją jako wewnętrzną matrycę, dobudowując powtarzające się sekwencje nukleotydów na końcu nici 3′ telomeru. W ten sposób telomery zostają wydłużone, co zapobiega utracie istotnych fragmentów DNA podczas kolejnych podziałów komórkowych i zapewnia stabilność chromosomów. Telomeraza występuje głównie w komórkach intensywnie dzielących się, takich jak komórki macierzyste, komórki embrionalne, komórki nowotworowe. W większości dojrzałych komórek somatycznych organizmu telomeraza jest nieaktywna, co ogranicza liczbę ich możliwych podziałów i wiąże się z procesem starzenia.

R13D15QU7GMK2

Zdjęcie przedstawia parę spacerujących starszych ludzi zwróconych tyłem do obiektywu aparatu.

Błędy podczas replikacji

Podczas replikacji DNA działa złożony system kontroli i naprawy jej błędów.  Polega on m.in. na usuwaniu niewłaściwych, błędnie wstawionych nukleotydów i wstawianiu w ich miejsce prawidłowych. W usuwaniu błędów replikacyjnych bierze udział sama polimeraza DNA, a także wiele innych białek naprawczych. Dzięki temu liczba błędów podczas replikacji jest minimalna: to jeden mylnie wstawiony nukleotyd na 100 mln umiejscowionych poprawnie. 

Jeżeli błędy replikacyjne nie zostają naprawione dochodzi do mutacji, które mogą mieć bardzo poważne skutki. Niektóre choroby, np. dziedziczny rak jelita grubego bez polipowatości czy zespół przedwczesnego starzenia są konsekwencjami błędów powstałych podczas replikacji. 

Podsumowanie

• Replikacja DNA to proces powielania cząsteczki DNA.

• Replikacja DNA przebiega semikonserwatywnie (półzachowawczo), co oznacza, że każda nowa cząsteczka DNA składa się z nici starej (matrycowej) i nowej.

• Replikacja DNA jest procesem enzymatycznym, składającym się z trzech etapów: inicjacji, elongacji oraz terminacji.

• Inicjacja replikacji polega na rozerwaniu wiązań wodorowych między zasadami i wytworzenia oczka replikacyjnego ograniczonego z dwóch stron widełkami replikacyjnymi. 

• Enzymem odpowiadającym w fazie elongacji za dodawanie nukleotydów do nowo tworzącej się nici DNA jest polimeraza DNA.

• Polimeraza DNA buduje nić DNA zawsze w kierunku 5' do 3', przy czym do rozpoczęcia syntezy wymaga już istniejącej dwuniciowej sekwencji z wolnym końcem 3'-OH, do którego dołącza kolejne nukleotydy.

• Starter to krótki odcinek RNA, który zawiera wolną grupę 3'-OH niezbędną do zainicjowania działania polimerazy RNA

• Na nici wiodącej synteza DNA zachodzi w sposób ciągły, natomiast na nici opóźnionej — w postaci krótkich odcinków zwanych fragmentami Okazaki. 

• Po zakończeniu syntezy DNA, startery są wycinane, w ich miejsce dokładane komplementarne nukleotydy DNA, a fragmenty Okazaki łączone ze sobą przez ligazę.

• Wynikiem replikacji jest powstanie dwóch cząsteczek DNA o sekwencji nukleotydów identycznej z cząsteczką macierzystą.

• Polimeraza DNA ma zdolność do sprawdzania poprawności parowania nukleotydów i usuwania nukleotydów nieprawidłowo wstawionych. W przypadku niewykrycia i nie naprawienia błędów replikacyjnych powstają mutacje. 

Ćwiczenia utrwalające