A replikáció (a latin replicatio szóból – megújulás) két leány- DNS -molekula létrehozásának folyamata az anya-DNS-molekula alapján. A DNS-replikációt egy 15-20 különböző enzimfehérjéből álló komplex komplex végzi, az úgynevezett repliszóma [1] . Speciális enzimek segítségével az anyai DNS kettős hélixe két szálra csavarodik fel, mindegyik kialakult szálon egy második szál is elkészül, két egyforma leány-DNS-molekulát képezve, amelyeket aztán külön spirálokká csavarnak. Az anyasejt ezt követő osztódása során minden leánysejt egy olyan DNS-molekulát kap, amely megegyezik az eredeti anyasejt DNS-ével. Ez a folyamat biztosítja a genetikai információ pontos átvitelét generációról generációra.
Minden DNS-molekula az eredeti szülőmolekula egy szálából és egy újonnan szintetizált szálból áll. Az ilyen replikációs mechanizmust félig konzervatívnak nevezzük. Jelenleg ez a mechanizmus Matthew Meselson és Franklin Stahl ( 1958 ) [2] kísérleteinek köszönhetően bizonyítottnak tekinthető . Korábban két másik modell volt: "konzervatív" - a replikáció eredményeként egy DNS-molekula képződik, amely csak szülői láncokból, és egy csak gyermekláncokból áll; "diszperzív" - a replikációból származó összes DNS-molekula láncokból áll, amelyek egy része újonnan szintetizálódik, míg mások a szülő DNS-molekulából származnak. A DNS molekulát kettévágják, és két templát képződik. Két sablon jön ki a replikációs villából. Ha kiegyenesített formában képzeli el őket, akkor láthat egy fésűsort, amelyek a végén össze vannak kötve, de van egy rés. Képzeld el, hogy az egyik fésű kék, a másik piros. Most cseréljük ki az alsó pirosat (ez öt bordából áll, mint a felső) az ötödik végével a harmadik felsővel (harmadik felső tű). Hosszabbítsa meg a láncot felül és alul is. Hogyan alakulna: öt, három, öt stb. - fent és lent is. Ezután két további sablont adunk ezekhez a fésűkhöz, miután a sablonok (fésűk) elhagyták a replikációs villát. Egy DNS-molekulából két molekula azonos a szülővel (ha nincs mutáció), ezt nevezzük félkonzervatívnak.
A DNS-replikáció kulcsfontosságú esemény a sejtosztódásban . Fontos, hogy az osztódás idejére a DNS teljesen és csak egyszer replikálódjon. Ezt a DNS-replikáció szabályozásának bizonyos mechanizmusai biztosítják. A replikáció három szakaszban történik:
A replikáció szabályozása főként az iniciációs szakaszban történik. Ez meglehetősen egyszerű, mert a replikáció nem bármelyik DNS-szakaszból indulhat, hanem egy szigorúan meghatározott szakaszból, amelyet replikációs iniciációs helynek neveznek . A genomban csak egy vagy több ilyen hely lehet. A replikációs iniciációs hely fogalma szorosan kapcsolódik a replikon fogalmához . A replikon egy DNS-szakasz, amely tartalmaz egy replikációs iniciációs helyet, és a DNS-szintézis ezen helyről történő megkezdése után replikálódik. A bakteriális genomok általában egyetlen replikonból állnak, ami azt jelenti, hogy a teljes genom replikációja egyetlen replikációs iniciációs aktus eredménye. Az eukarióta genomok (valamint egyedi kromoszómáik ) nagyszámú független replikonból állnak, ami jelentősen csökkenti az egyedi kromoszóma teljes replikációs idejét. Azokat a molekuláris mechanizmusokat, amelyek az egyes helyeken sejtosztódási ciklusonként a replikációs iniciációk számát szabályozzák, másolatszám-szabályozásnak nevezzük . A kromoszómális DNS mellett a baktériumsejtek gyakran tartalmaznak plazmidokat is, amelyek egyedi replikonok. A plazmidoknak saját kópiaszám-szabályozási mechanizmusaik vannak: sejtciklusonként csak egy plazmidmásolat vagy több ezer másolat szintézisét tudják biztosítani [1] .
A replikáció a replikáció beindulási helyén kezdődik a DNS kettős hélix feltekercselésével, egy replikációs villát képezve, amely a közvetlen DNS replikáció helye. Minden hely egy vagy két replikációs villát képezhet, attól függően, hogy a replikáció egyirányú vagy kétirányú. A kétirányú replikáció gyakoribb. Valamivel a replikáció kezdete után elektronmikroszkópban egy replikációs szem figyelhető meg – a kromoszóma azon régiója, ahol a DNS már replikálódott, és nem replikálódott DNS kiterjedtebb régiói veszik körül [1] .
A replikációs villában a DNS egy nagy fehérjekomplexet (repliszómát) másol, amelynek kulcsenzime a DNS-polimeráz . A replikációs villa körülbelül 100 000 bázispár/perc sebességgel mozog prokariótákban és 500-5000 bázispár/perc sebességgel eukariótákban [3] .
| Enzim | Funkció |
|---|---|
| DNS giráz | A topoizomerázok csoportjába tartozik . Ideiglenes kétszálú megszakításokat vezet be a DNS-ben, megkönnyítve annak feloldódását. |
| helicase | A kétszálú DNS-molekula szálait egyszálra osztja. |
| SSB fehérjék | Megkötik az egyszálú DNS-fragmenseket, és megakadályozzák a komplementer párosítást. |
| Primaza | Szintetizálja az RNS primert (primert) - az RNS rövid fragmentumát, amely a DNS polimeráz munkájának kezdeményezője (a polimeráz nem képes a DNS szintetizálására a semmiből, de nukleotidokat adhat hozzá a meglévőekhez). |
| DNS polimeráz | A DNS-t egy primerhez kötve szintetizálja. A polimeráz az anyai DNS egyik végét folyamatosan és az egyik irányban, a másik végét pedig az ellenkező irányba, fragmentumként szintetizálta. |
| Mókusok csúszó kapocs (rögzítők) | Körülveszik a DNS-gyűrűt, és a DNS-polimeráz enzimmel együtt „csúsznak” rajta. Megakadályozzák az enzim disszociációját a DNS-templátról, és növelik annak hatékonyságát. |
| RNáz H | Törli az RNS primer már felesleges töredékeit. |
| DNS ligáz | Összekapcsolja a DNS- fragmenseket (Okazaki-fragmensek ). |
| Telomeráz | Speciális ismétlődő nukleotidszekvenciákat ad a DNS-lánc egyik végéhez a telomerrégiókban, ezáltal kompenzálja azok osztódás közbeni lerövidülését. |
| Replisome
(összes replikációs enzim komplexe) |
A DNS-mátrix molekula mentén mozog, feltekerve azt, és komplementer DNS-láncokat épít fel. |
Az enzimek ( helikáz , topoizomeráz ) és a DNS-kötő fehérjék letekerik a DNS-t, hígított állapotban tartják a mátrixot, és forgatják a DNS-molekulát. A replikáció helyességét a komplementer bázispárok pontos illeszkedése és a hibát felismerni és kijavítani képes DNS polimeráz aktivitása biztosítja . Replikáció prokariótákban[ pontosítás ] több különböző DNS - polimeráz segítségével történik . A DNS-polimeráz I a lemaradó szálra hat, hogy eltávolítsa az RNS primereket és előreplikálja a tisztított DNS-helyeket. A DNS-polimeráz III a DNS-replikáció fő enzime , amely a vezető DNS-szálat és az Okazaki-fragmenseket szintetizálja a lemaradó szál szintézise során. Ezután a szintetizált molekulákat a szupertekercselés és a DNS további tömörítése elve szerint csavarják . A szintézis energiaigényes.
A DNS-molekula láncai eltérnek egymástól, replikációs villát képeznek , és mindegyikük templáttá válik, amelyen egy új komplementer lánc szintetizálódik. Ennek eredményeként két új kétszálú DNS-molekula képződik, amelyek megegyeznek az anyamolekulával.
A replikációs folyamat jellemzői| DNS replikáció | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Megindítás, inicializálás |
| ||||||
| Megnyúlás |
| ||||||
| Felmondás | |||||||