Replikacja DNA

Replikacja DNA polega na oddzieleniu dwóch nici podwójnej helisy, przy czym każda nić służy jako matryca, z której kopiowana jest nowa nić komplementarna. Po replikacji każdy dwuniciowy DNA zawiera jedną nić rodzicielską lub „starą” i jedną „nową” nić. Nazywa się to replikacją semikonserwatywną. Powstałe cząsteczki DNA mają tę samą sekwencję i są równo podzielone na dwie komórki potomne.

Replikacja u prokariotów

Replikacja DNA wykorzystuje dużą liczbę białek i enzymów. Enzym helikaza oddziela dwie nici DNA. Gdy helikaza przemieszcza się wzdłuż DNA, oddziela dwie nici, tworząc strukturę w kształcie litery Y, zwaną widełkami replikacyjnymi. Następnie enzym prymaza dodaje krótkie odcinki RNA zwane starterami, aby zainicjować syntezę DNA przez polimerazę DNA, enzym odpowiedzialny za syntezę DNA. U bakterii znane są trzy główne typy polimeraz DNA: DNA pol I, DNA pol II i DNA pol III. DNA pol III jest enzymem niezbędnym do syntezy DNA; Do naprawy wymagane są przede wszystkim DNA pol I i DNA pol II. DNA pol III dodaje deoksyrybonukleotydy, każdy komplementarny do nukleotydu na nici matrycowej, jeden po drugim do grupy 3'-OH rosnącego łańcucha DNA. Polimeraza DNA III może rozciągać się tylko w kierunku od 5’ do 3’. Dodanie tych nukleotydów wymaga energii. Energia ta jest obecna w wiązaniach trzech grup fosforanowych przyłączonych do każdego nukleotydu, podobnie jak energia jest magazynowana w wiązaniach fosforanowych trifosforanu adenozyny (ATP). Kiedy wiązanie między fosforanami zostaje zerwane i uwalnia się difosforan, uwolniona energia pozwala na utworzenie kowalencyjnego wiązania fosfodiestrowego w drodze syntezy odwodnienia.

Podwójna helisa DNA jest antyrównoległa, to znaczy, że jedna nić jest zorientowana w kierunku od 5' do 3', a druga jest zorientowana w kierunku od 3' do 5'. Podczas replikacji jedna nić, która jest komplementarna do nici rodzicielskiego DNA od 3' do 5', jest syntetyzowana w sposób ciągły w kierunku widełek replikacyjnych, ponieważ polimeraza może dodawać nukleotydy w tym kierunku. Ta ciągle syntetyzowana nić jest znana jako nić wiodąca. Druga nić, komplementarna do rodzicielskiego DNA od 5' do 3', odrasta od widełek replikacyjnych, więc polimeraza musi wrócić do widełek replikacyjnych, aby rozpocząć dodawanie zasad do nowego startera, ponownie w kierunku od widełek replikacyjnych . Dzieje się tak, dopóki nie natknie się na wcześniej zsyntetyzowaną nić, a następnie ponownie się cofnie. W tych etapach powstają małe fragmenty sekwencji DNA zwane fragmentami Okazaki, każdy oddzielony starterem RNA. Nić zawierająca fragmenty Okazaki nazywana jest nicią opóźnioną i mówi się, że jej synteza jest nieciągła.

Po syntezie przez polimerazę DNA III, startery są usuwane w wyniku działania egzonukleazy polimerazy DNA I, a luki są wypełniane. Nacięcia pozostające pomiędzy nowo zsyntetyzowanym DNA (który zastąpił starter RNA) a wcześniej zsyntetyzowanym DNA są uszczelnione przez enzym ligazę DNA, która katalizuje tworzenie kowalencyjnego wiązania fosfodiestrowego pomiędzy końcem 3'-OH jednego fragmentu DNA a końcem fosforanowym 5' drugiego fragmentu, stabilizując szkielet cukrowo-fosforanowy cząsteczki DNA.

Replikacja u eukariontów

Genomy eukariotyczne są znacznie bardziej złożone i większe niż genomy prokariotyczne i zazwyczaj składają się z wielu chromosomów liniowych. Na przykład ludzki genom ma 3 miliardy par zasad na haploidalny zestaw chromosomów, a 6 miliardów par zasad jest wstawianych podczas replikacji. Na każdym chromosomie eukariotycznym istnieje wiele źródeł replikacji. Ludzki genom ma od 30 000 do 50 000 miejsc startu replikacji. Szybkość replikacji wynosi około 100 nukleotydów na sekundę — 10 razy wolniej niż replikacja prokariotyczna.

Zasadnicze etapy replikacji u eukariontów są takie same jak u prokariotów. Zanim replikacja będzie mogła się rozpocząć, DNA musi zostać udostępnione jako matryca. DNA eukariotyczny jest silnie skręcone i upakowane, co ułatwia wiele białek, w tym histony. Po rozpoczęciu replikacji, w procesie podobnym do tego występującego u prokariotów, eukariotyczne polimerazy DNA ułatwiają wydłużanie. Nić wiodąca jest syntetyzowana w sposób ciągły przez enzym polimerazę eukariotyczną pol δ, podczas gdy nić opóźniona jest syntetyzowana przez pol ε. Enzym rybonukleaza H (RNaza H) zamiast polimerazy DNA, jak u bakterii, usuwa starter RNA, który następnie zastępuje się nukleotydami DNA. Pozostałe luki są zamykane przez ligazę DNA.

Podobnie jak u prokariotów, eukariotyczna polimeraza DNA może dodawać nukleotydy tylko w kierunku od 5' do 3'. W nici wiodącej synteza trwa aż do końca chromosomu lub innego widełek replikacyjnych przebiegających w przeciwnym kierunku. Na nici opóźnionej DNA jest syntetyzowane w krótkich odcinkach, z których każdy jest inicjowany przez oddzielny starter. Kiedy widełki replikacyjne dotrą do końca chromosomu liniowego, nie ma miejsca na wykonanie startera dla fragmentu DNA, który ma zostać skopiowany, na końcu chromosomu. Końce te pozostają zatem niesparowane i z biegiem czasu mogą się stopniowo skracać w miarę dalszego podziału komórek.