Replikacja DNA polega na rozdzieleniu dwóch nici podwójnej helisy, przy czym każda nić służy jako matryca, z której kopiowana jest nowa nić komplementarna. Po replikacji każda dwuniciowa nić 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 prokariontów

Replikacja DNA wykorzystuje dużą liczbę białek i enzymów. Enzym helikaza oddziela dwie nici DNA. Gdy helikaza porusza się wzdłuż DNA, oddziela dwie nici, tworząc strukturę w kształcie litery Y, znaną jako widełki replikacyjne. Następnie enzym prymaza dodaje krótkie odcinki RNA znane jako startery, 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; DNA pol I i DNA pol II są przede wszystkim potrzebne do naprawy. DNA pol III dodaje deoksyrybonukleotydy, z których każdy jest 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 przechowywana w wiązaniach fosforanowych trifosforanu adenozyny (ATP). Kiedy wiązanie między fosforanami zostaje zerwane i uwalniany jest difosforan, uwolniona energia pozwala na utworzenie kowalencyjnego wiązania fosfodiestrowego w wyniku syntezy odwodnienia.

Podwójna helisa DNA jest antyrównoległa, to znaczy, że jedna nić jest zorientowana w kierunku od 5′ do 3′, a druga w kierunku od 3′ do 5′. Podczas replikacji jedna nić, która jest komplementarna do rodzicielskiej nici DNA od 3′ do 5′, jest syntetyzowana w sposób ciągły w kierunku widełek replikacyjnych, ponieważ polimeraza może dodawać nukleotydy w tym kierunku. Ta stale syntetyzowana nić jest znana jako nić wiodąca. Druga nić, komplementarna do rodzicielskiego DNA od 5′ do 3′, rośnie z dala od widełek replikacyjnych, więc polimeraza musi cofnąć się w kierunku widełek replikacyjnych, aby rozpocząć dodawanie zasad do nowego startera, ponownie w kierunku przeciwnym od widełek replikacyjnych. Robi to, dopóki nie wpadnie na wcześniej zsyntetyzowane pasmo, a następnie ponownie się cofnie. Etapy te wytwarzają małe fragmenty sekwencji DNA znane jako fragmenty Okazaki, z których każdy jest oddzielony starterem RNA. Nić z fragmentami Okazaki jest znana jako nić opóźniona, a jej synteza jest uważana za nieciągłą.

Po syntezie przez polimerazę DNA III, startery są usuwane przez aktywność egzonukleazy polimerazy DNA I, a luki są wypełniane. Nacięcia, które pozostają między nowo zsyntetyzowanym DNA (który zastąpił starter RNA) a wcześniej zsyntetyzowanym DNA, są uszczelnione przez enzym ligazę DNA, który katalizuje tworzenie kowalencyjnego wiązania fosfodiestrowego między 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 liniowych chromosomów. 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 początków replikacji; Ludzki genom ma od 30 000 do 50 000 początków replikacji. Szybkość replikacji wynosi około 100 nukleotydów na sekundę – 10 razy wolniej niż replikacja prokariotyczna.

Podstawowe etapy replikacji u eukariontów są takie same jak u prokariontów. Zanim replikacja będzie mogła się rozpocząć, DNA musi zostać udostępnione jako matryca. DNA eukariotyczne jest wysoce superskręcone i upakowane, co ułatwia wiele białek, w tym histony. Po rozpoczęciu replikacji, w procesie podobnym do tego, jaki występuje u prokariontów, wydłużenie jest ułatwione przez eukariotyczne polimerazy DNA. Nić wiodąca jest w sposób ciągły syntetyzowana przez enzym polimerazę eukariotyczną pol δ, podczas gdy nić opóźniona jest syntetyzowana przez ε pol. Enzym rybonukleaza H (RNaza H), zamiast polimerazy DNA, jak u bakterii, usuwa starter RNA, który jest następnie zastępowany nukleotydami DNA. Luki, które pozostały, są uszczelnione przez ligazę DNA.

Podobnie jak u prokariontów, eukariotyczna polimeraza DNA może dodawać nukleotydy tylko w kierunku od 5′ do 3′. W nici wiodącej synteza trwa do momentu, gdy dotrze do końca chromosomu lub innej widełki replikacyjnej postępującej w przeciwnym kierunku. Na opóźnionej nici DNA jest syntetyzowane w krótkich odcinkach, z których każdy jest inicjowany przez oddzielny starter. Kiedy widełki replikacyjne docierają do końca chromosomu liniowego, nie ma miejsca na zrobienie startera dla fragmentu DNA, który ma zostać skopiowany na końcu chromosomu. Końce te pozostają zatem niesparowane, a z czasem mogą stawać się coraz krótsze, ponieważ komórki nadal się dzielą.

Ten tekst jest adaptacją <a href=”https://openstax.org/books/microbiology/pages/11-2-dna-replication”>Openstax, Mikrobiologia, Rozdział 11.2: Replikacja DNA.