post

Репликация на ДНК – копиране на генетичния код

Репликация – представлява процес, при който генетичния код се копира и от една майчина ДНК верига се получават две идентични дъщерни вериги.

Същност и етапи на процеса Репликация

Процесът на репликация се осъществява във всички форми на живот – от вирусите до бозайниците и човека. В различните групи организми той има някои специфични особености. При някои видове вместо ДНК се реплицира РНК.

За правилното му протичане са отговорни множество ензими, всеки от които има определена задача. При репликацията дезоксирибонуклеотидите на новите вериги ДНК се позиционират комплементарно (допълващо) спрямо нуклеотидите на матричните вериги. Комплементарността се определя от азотните бази в нуклеотидите: срещу аденин застава тимин, а срещу гуанинцитозин. Процесът репликация протича в три етапа – инициация, елонгация и терминация.

Инициация

За да стартира репликацията, е нужно двойната ДНК спирала да се разплете така, че всяка от двете майчини вериги да послужи за матрица при синтеза на новите. Поради тази особеност резултатът са две двойни дъщерни ДНК молекули. Всяка от тях е съставена от една майчина и една новосинтезирана верига. Това дава основание процесът да бъде определян като полуконсервативен. Смята се, че едната верига на ДНК в клетките идва още от първите представители на съответния вид.

Мястото на отваряне на ДНК молекулата, откъдето започва репликацията, се нарича начало или origin от английски. При прокариотните организми, които имат по-малки ДНК молекули, е достатъчно едно начало, за да се иницира репликация.

Еукариотите обаче имат значително по-големи ДНК вериги. Осъществяването на процеса, инициран само в една точка, би отнело твърде много време. Затова в този случай репликацията стратира едновременно в множество начала, а ДНК участък, който се реплицира под регулацията на дадено репликационно начало, се означава с термина репликон.

Репликационните начала се разпознават от специфични протеини, наречени инициатори, които след това опосредстват присъединяването и на другите ензими, участващи в процеса.  Разтварянето на двете ДНК вериги се осъществява от ензима хеликаза. Хеликазата разкъсва водородните връзки, които държат двете вериги на ДНК свързани. Енергията необходима за това действие, ензимът получава чрез хидролиза на макроергичните връзки на съединението АТФ (аденозин трифосфат).

репликация, репликационна вилка

процесът репликация – ензимите и репликационната вилка

Елонгация

Синтезът на новата ДНК верига започва със създаването на т. нар. праймер – къс участък от рибонуклеотиди, който ензимът праймаза поставя комплементарно на нуклеотидите в началото на матричната верига. Ролята на праймера е да осигури начален участък, от който ензимът ДНК-полимераза да продължи с добавянето на комплементарните на матрицата дезоксирибонуклеотиди. Затова след като изпълни функцията си, праймерът се разгражда от екзонуклеазни ензими и се замества с дезоксирибонуклеотиди.

След като праймерът е синтезиран, ДНК-полимеразата започва да добавя нови дезоксирибонуклеотиди по дължината на матричната верига. Този ензим осъществява ковалентното свързване (чрез образуване на фосфодиестерна връзка между съседните във веригата нуклеотиди. С напредването на репликацията хеликазата продължава да разплита двойната ДНК спирала. Тези участъци от ДНК молекулата придобиват У-образен вид, откъдето идва и името им репликационна вилка.

Ензимите ДНК-топоизомераза I и II са отговорни за освобождаване на механичното напрежение, възникващо при разплитането на двойната спирала. ДНК-полимеразата е способна да добавя нуклеотиди само от 5’ към 3’ края на веригата и безпроблемно осъществява синтеза на едната нова ДНК верига наречена водеща.

Тъй като другата матрична верига е ориентирана противоположно, за да се изгради комплементарна нова верига, нуклеотидите се добавят на къси участъци, познати под името фрагменти на Оказаки. Синтезът на всеки от фрагментите изисква формиране на праймери. Той протича от 5’ към 3’ края на новата, наречена изоставаща верига, като периодично ензимът ДНК-лигаза съшива отделните фрагменти в непрекъсната верига.

Терминация на репликацията

Процесът репликация при различните организми завършва по различен начин. Спецификите на механизма зависят най-вече от това дали ДНК молекулата е кръгова или линейна.

При прокариотните организми репликацията на кръговата ДНК приключва, когато двете репликационни вилки се срещнат. В края на репликацията двете кръгови двойноверижни молекули ДНК изглеждат като два свързани пръстена. Специален ензим осъществява разделянето на макромолекулите.

При организми с линейна ДНК, каквито са повечето еукариоти, никога новата ДНК молекула не може да е с точно същата дължина като изходната, заради невъзможността най-крайният праймер да се замени с ДНК след разграждането си. Резултатът от тази ситуация би бил непрекъснато скъсяваща се ДНК молекула с всяка следваща репликация. За да се предотврати такова пагубно за клетките явление, репликацията спира, когато вилката достигне до теломерните участъци на хромозомата. Те са съставени от повтарящи се олигонуклеотидни последователности, чиято дължина намалява с всяка репликация.

Когато теломерите станат прекалено къси, клетките са „остарели”. След това вече не могат да реплицират своята ДНК, съответно и да се делят. Този механизъм действа при соматичните клетки, поради което те имат ограничен капацитет за делене. При половите клетки, благодарение на наличието на ензима теломераза, размерът на теломерите се възстановява, за да се предаде в поколението ДНК молекула с нормална дължина. В някои случаи при раково израждане, соматичните клетки може да започнат да синтезират теломераза. Така те получат способност за неограничено делене.

Регулация на процеса репликация

Ако не съществуваше механизъм за удвояване на генетичния материал, дъщерните клетки щяха да получават непълноценен вариант на ДНК при деленето на майчината клетка. За да се запази генетичният код непроменен като количество и качество, е необходим прецизен и строго регулиран процес за неговото предаване през поколенията. Именно затова организмите са се усъвършенствали в проверката и поправката на възникнали грешки по време на процеса репликация като: липсващи нуклеотиди, замяната на една азотна база с друга и т.н.

Ензимът ДНК-полимераза освен да свързва последователните нуклеотиди в растящата нова верига, има и друга редакторска активност. Когато установи, че във веригата е включен грешен нуклеотид, ДНК-полимеразата може да разкъса фосфодиестерната връзка и да отстрани неправилния мономер. В тези случаи ДНК-полимеразата действа като 3’-5’ екзонуклеаза. Когато по някаква причина ДНК-полимеразата пропусне дадена грешка по време на репликация, клетката има други коректори, които да поправят възникнали грешки и след края на процеса.

При т. нар. mismatch механизъм специални протеини преглеждат ДНК молекулата, разпознават и изрязват сгрешения нуклеотид. След това ДНК-полимеразата го заменя с правилната нуклеотидна последователност.

При прокариотните организми механизмите за отстраняване на грешки не са толкова строги, както при еукариотите. Затова при тях по-често се наблюдават мутации в генома, които могат да доведат до възникването на нови щамове.

Еукариотните клетки са доста по-прецизни по отношение на проверката и поправката на евентуални мутации. Причината е, че мутационната изменчивост води често до смъртта или до сериозни смущения във функциите на целия организъм.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Leave the field below empty!