Репликация на ДНК: какво е, механизъм и ключови ензими

Репликация на ДНК: ясен преглед на механизма, полуконсервативния модел, начални места, репликационна вилица и ключови ензими — разбираемо и с примери.

Репликацията на ДНК е процесът на копиране на двуверижна молекула на ДНК. Двете нишки служат като шаблони за възпроизвеждане на противоположната нишка. Процесът понякога се нарича полуконсервативна репликация, тъй като всяка новосинтезирана молекула ДНК съдържа една верига от оригиналната молекула и една новосинтезирана верига.

Този процес протича във всички форми на живот с ДНК. Съществуват някои разлики в контрола на репликацията на ДНК при прокариотните и еукариотните организми: при прокариотите има обикновено една начална точка на репликация (ori), докато при еукариотите репликацията започва от множество начала поради големия обем на генома.

В клетката репликацията на ДНК започва на определени места в генома, наречени начални места. Тъй като ДНК се размотава в началото, синтезът на нови нишки се формира в репликационна вилица. В допълнение към ДНК полимеразата други ензими във вилицата помагат за започването и продължаването на синтеза на ДНК.

Основни принципи и посока на синтеза

ДНК нишките са антипаралелни — една верига има 5' към 3' посока, а срещуположната 3' към 5'. Синтезът на новата верига винаги се извършва в посока 5'→3'. Това означава, че на едната от двете шаблонни нишки синтезът е непрекъснат (т.нар. водеща нишка), а на другата — дискретен, чрез кратки фрагменти, наречени Оказаки фрагменти (забавена нишка).

Ключови ензими и белтъци

• Хеликаза — разгъва двойната спирала, разделяйки нишките и образувайки репликационната вилица.
• Протеини, свързващи едноверижна ДНК (SSB) — стабилизират разтворените едноверижни участъци, предотвратявайки повторно двойното навиване.
• ДНК примаза (РНК примаза) — синтезира кратки РНК праймери, необходими за стартиране на синтеза от ДНК полимеразата.
• ДНК полимераза — основният ензим за синтез на новата ДНК верига. При прокариотите основната е ДНК полимераза III, а при еукариотите — няколко различни полимерази (напр. полимераза δ и ε) с разграничени роли.
• ДНК лигаза — свързва Оказаки фрагментите и запечатва разкъсванията в хребетната верига, образувайки непрекъсната нишка.
• Топоизомераза — премахва въртящото напрежение и супервитията, които се натрупват пред репликационната вилица при разгъването.
• Екзонуклеазни дейности — някои полимерази притежават 3'→5' минерализираща (proofreading) активност, която открива и отстранява погрешно включени нуклеотиди, повишавайки точността на репликацията.

Механизъм — основни етапи

Инициация: Репликацията започва в началните места (ori), където специфични белтъци разпознават ДНК и подпомагат свързването на хеликазата и други фактори. При еукариотите комплексът ORC (origin recognition complex) и MCM (мицинстановяваща хеликаза) играят ключова роля.

Разплитане и стабилизация: Хеликазата разгъва двойната верига; SSB белтъците я стабилизират; топоизомеразите отстраняват излишното навиване.

Синтез: Примазата полага кратки РНК праймери. ДНК полимеразата започва добавянето на дезоксирибонуклеотиди върху праймера в посока 5'→3'. На водещата нишка синтезът е непрекъснат, на забавената — чрез Оказаки фрагменти.

Завършване: Праймерите се премахват (при прокариотите от РНКаза H и полимераза I; при еукариотите участва и RNase H и специфични флуап белтъци), междините се попълват с ДНК и Оказаки фрагментите се свързват от ДНК лигаза.

Контрол и регулация

Репликацията е строго координирана с клетъчния цикъл. При еукариотите ограничаващите механизми (например регулация на ORC и MCM комплексите) позволяват всяка част от генома да се репликира само веднъж в хода на един клетъчен цикъл. Съществуват и чекпойнти за увреждане на ДНК, които спират или забавят репликацията при наличие на щети, докато не бъдат поправени.

Точност и поправка

Комбинацията от селективно въвеждане на правилни нуклеотиди от ДНК полимеразата, proofreading (3'→5' екзонуклеазна дейност) и последващи механизми за поправка (например система за поправка на несъответствия — mismatch repair) осигурява много висока Fidelity на репликацията. Въпреки това грешки могат да се натрупват и да доведат до мутации, които са основа за еволюция, но могат и да причинят заболявания.

Разлики между прокариоти и еукариоти

• Прокариоти: обикновено един origin, по-бърза скорост на репликация, по-прости комплекси (например ДНК полимераза III, полимераза I за поправка и праймера).
• Еукариоти: множество origins, сложна регулация, специализирани полимерази (δ, ε, α и др.), допълнителни протеини за лицензиране и контрол, по-бавна скорост но висока точност и интеграция с цикъла на клетката.

Значение

Репликацията на ДНК е фундаментален процес, необходим за растеж, възпроизводство и възстановяване на клетките. Нарушения в процеса или в контрола му могат да доведат до геномна нестабилност и болести като рак. Разбирането на механизмите и ензимите, участващи в репликацията, е също основа за множество биотехнологични приложения — от PCR (полимеразна верижна реакция) до терапевтични подходи, насочени към репликацията при микроби и ракови клетки.

ДНК полимераза

ДНК полимеразите са семейство ензими, които осъществяват всички форми на репликация на ДНК. ДНК полимеразата обаче може само да удължава съществуваща ДНК верига, сдвоена с шаблонна верига; тя не може да започне синтез на нова верига. За да се започне синтезът, се създава кратък фрагмент от ДНК или РНК, наречен "праймер", който се свързва с шаблонната верига на ДНК.

Като цяло ДНК полимеразите са изключително точни и допускат по-малко от една грешка на всеки 10⁷ (10 милиона) добавени нуклеотиди. Въпреки това някои ДНК полимерази имат и "коректорска" способност: те могат да премахват нуклеотиди от края на веригата, за да коригират несъответстващи бази.

Много ензими участват във вилицата за репликация на ДНК.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява репликацията на ДНК?

В: Какво служи като шаблони за възпроизвеждане на противоположната верига по време на репликацията на ДНК?

В: Защо репликацията на ДНК понякога се нарича "полуконсервативна репликация"?

В: В кои форми на живот се извършва репликация на ДНК?

Въпрос: Има ли някакви разлики в контрола на репликацията на ДНК при прокариотните и еукариотните организми?

В: Откъде започва репликацията на ДНК в клетката?

В: Кои ензими, освен ДНК полимеразата, помагат за започването и продължаването на синтеза на ДНК във вилицата за репликация по време на репликацията на ДНК?

Търсене по буква