Replikation (från latin replicatio - förnyelse) är processen att skapa två dotter -DNA- molekyler baserade på moder-DNA-molekylen. DNA-replikation utförs av ett komplext komplex bestående av 15-20 olika enzymproteiner, kallat replisomen [1] . Med hjälp av speciella enzymer tvinnas den dubbla helixen av moderns DNA till två strängar, på varje sträng som bildas fullbordas en andra sträng som bildar två identiska dotter-DNA-molekyler, som sedan vrids i separata spiraler. Under den efterföljande delningen av modercellen får varje dottercell en kopia av en DNA-molekyl som är identisk med den ursprungliga modercellens DNA. Denna process säkerställer korrekt överföring av genetisk information från generation till generation.
Varje DNA-molekyl består av en sträng av den ursprungliga modermolekylen och en nysyntetiserad sträng. En sådan replikationsmekanism kallas semi-konservativ. För närvarande anses denna mekanism bevisad tack vare Matthew Meselsons och Franklin Stahls ( 1958 ) experiment [2] . Tidigare fanns det två andra modeller: "konservativ" - som ett resultat av replikering bildas en DNA-molekyl, som endast består av moderkedjor, och en, som endast består av barnkedjor; "dispersiv" - alla DNA-molekyler som härrör från replikation består av kedjor, av vilka vissa sektioner är nysyntetiserade, medan andra är tagna från moder-DNA-molekylen. DNA-molekylen skärs på mitten och två mallar bildas. Två mallar kommer ut ur replikeringsgaffeln. Om du föreställer dig dem i en uträtad form, kan du se en rad kammar som är anslutna i ändarna, men som har ett gap. Föreställ dig att den ena kammen är blå och den andra är röd. Låt oss nu ersätta den nedre röda (den är gjord av fem åsar, som den övre) med den femte änden till den tredje övre (tredje övre nålen). Förläng kedjan både upptill och nedtill. Hur skulle det bli: fem, tre, fem osv - över och under också. Sedan läggs ytterligare två mallar till dessa kammar efter att mallarna (kammarna) lämnar replikeringsgaffeln. Från en DNA-molekyl är två molekyler identiska med föräldern (om det inte finns några mutationer), detta kallas semi-konservativt.
DNA-replikation är en nyckelhändelse vid celldelning . Det är viktigt att DNA:t replikeras fullständigt vid tidpunkten för delningen och endast en gång. Detta tillhandahålls av vissa mekanismer för reglering av DNA-replikation. Replikering sker i tre steg:
Replikering regleras huvudsakligen vid initieringsstadiet. Detta är ganska enkelt att göra, eftersom replikering inte kan börja från vilket DNA-segment som helst, utan från ett strikt definierat, kallat replikationsinitieringsstället . I genomet kan det finnas antingen bara en eller många sådana platser. Begreppet replikeringsinitieringsställe är nära besläktat med begreppet replikon . Ett replikon är en DNA-sträcka som innehåller ett replikationsinitieringsställe och replikerar efter starten av DNA-syntes från denna plats. Bakteriegenom är vanligtvis ett enda replikon , vilket innebär att replikeringen av hela genomet är resultatet av bara en replikationsinitiering. Eukaryota genom (liksom deras individuella kromosomer ) består av ett stort antal oberoende replikoner, vilket avsevärt minskar den totala replikeringstiden för en enskild kromosom. De molekylära mekanismerna som kontrollerar antalet replikationsinitieringar vid varje plats per celldelningscykel kallas kopietalskontroll . Förutom kromosomalt DNA innehåller bakterieceller ofta plasmider , som är individuella replikoner. Plasmider har sina egna mekanismer för kontroll av antal kopior: de kan tillhandahålla syntesen av bara en kopia av plasmiden per cellcykel , eller tusentals kopior [1] .
Replikation börjar vid platsen för replikationsinitiering med avvecklingen av DNA-dubbelhelixen och bildar en replikationsgaffel , platsen för direkt DNA-replikation. Varje plats kan bilda en eller två replikeringsgafflar, beroende på om replikeringen är enkelriktad eller dubbelriktad. Dubbelriktad replikering är vanligare. En tid efter replikationsstarten kan ett replikationsöga observeras i ett elektronmikroskop - en region av kromosomen där DNA redan har replikerats, omgivet av mer utsträckta regioner av oreplicerat DNA [1] .
Vid replikationsgaffeln kopierar DNA ett stort proteinkomplex (replisom), vars nyckelenzym är DNA-polymeras . Replikationsgaffeln rör sig med en hastighet av cirka 100 000 baspar per minut i prokaryoter och 500-5000 i eukaryoter [3] .
| Enzym | Fungera |
|---|---|
| DNA-gyras | Tillhör gruppen topoisomeraser . Introducerar tillfälliga dubbelsträngsbrott i DNA, vilket underlättar dess avveckling. |
| helikas | Delar strängarna av en dubbelsträngad DNA-molekyl i enkelsträngar. |
| SSB-proteiner | De binder enkelsträngade DNA-fragment och förhindrar komplementär parning. |
| Primaza | Syntetiserar RNA-primer (primer) - ett kort fragment av RNA, som är initiatorn i arbetet med DNA-polymeras (polymeras kan inte syntetisera DNA från grunden, men kan lägga till nukleotider till befintliga). |
| DNA-polymeras | Syntetiserar DNA genom att binda till en primer. Polymeras syntetiserade ena änden av moderns DNA kontinuerligt och i en riktning, och den andra änden, i motsatt riktning, som fragment. |
| Squirrels glidklämma (fästen) | De omger DNA-ringen och "glider" längs den tillsammans med DNA-polymerasenzymet som rör sig framåt. De förhindrar dissociation av enzymet från DNA-mallen och ökar dess effektivitet. |
| RNase H | Raderar redan onödiga fragment av RNA-primer. |
| DNA-ligas | Länkar DNA- fragment (Okazaki-fragment ). |
| Telomeras | Lägger till speciella repetitiva nukleotidsekvenser till ena änden av DNA-kedjan i telomerregioner, och kompenserar därigenom för deras förkortning under delning. |
| Replisome
(komplex av alla replikationsenzymer) |
Den rör sig längs DNA-matrismolekylen, lindar upp den och bygger upp komplementära DNA-kedjor. |
Enzymer ( helikas , topoisomeras ) och DNA-bindande proteiner lindar upp DNA, håller matrisen i ett utspätt tillstånd och roterar DNA-molekylen. Korrektheten av replikationen säkerställs av den exakta matchningen av komplementära baspar och aktiviteten av DNA-polymeras , som kan känna igen och korrigera felet. Replikation i prokaryoter[ klargöra ] utförs av flera olika DNA - polymeraser . DNA-polymeras I verkar på den eftersläpande strängen för att avlägsna RNA- primrar och förreplikera de renade DNA-ställena. DNA-polymeras III är huvudenzymet för DNA-replikation, som syntetiserar den ledande DNA-strängen och Okazaki-fragmenten under syntesen av den eftersläpande strängen. Därefter vrids de syntetiserade molekylerna enligt principen om supercoiling och ytterligare komprimering av DNA. Syntes är energikrävande.
Kedjorna i DNA-molekylen divergerar, bildar en replikationsgaffel , och var och en av dem blir en mall på vilken en ny komplementär kedja syntetiseras. Som ett resultat bildas två nya dubbelsträngade DNA-molekyler, identiska med modermolekylen.
Egenskaper för replikeringsprocessen| DNA-replikation | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Initiering |
| ||||||
| Förlängning |
| ||||||
| Uppsägning | |||||||