Replikation (fra latin replicatio - fornyelse) er processen med at skabe to datter -DNA- molekyler baseret på moder-DNA-molekylet. DNA-replikation udføres af et komplekst kompleks bestående af 15-20 forskellige enzymproteiner, kaldet replisomet [1] . Ved hjælp af specielle enzymer snoes den dobbelte helix af moderens DNA i to strenge, på hver dannet streng fuldføres en anden streng, der danner to identiske datter-DNA-molekyler, som derefter snos i separate spiraler. Under den efterfølgende deling af modercellen modtager hver dattercelle en kopi af et DNA-molekyle, der er identisk med den oprindelige modercelles DNA. Denne proces sikrer nøjagtig overførsel af genetisk information fra generation til generation.
Hvert DNA-molekyle består af en streng af det oprindelige modermolekyle og en nysyntetiseret streng. En sådan replikationsmekanisme kaldes semi-konservativ. På nuværende tidspunkt anses denne mekanisme for bevist takket være forsøgene fra Matthew Meselson og Franklin Stahl ( 1958 ) [2] . Tidligere var der to andre modeller: "konservativ" - som et resultat af replikation dannes et DNA-molekyle, der kun består af overordnede kæder, og et, der kun består af barnekæder; "dispersiv" - alle DNA-molekyler, der stammer fra replikation, består af kæder, hvoraf nogle sektioner er nysyntetiseret, mens andre er taget fra moder-DNA-molekylet. DNA-molekylet skæres i to, og der dannes to skabeloner. To skabeloner kommer ud af replikeringsgaflen. Hvis du forestiller dig dem i en rettet form, så kan du se en linje af kamme, der er forbundet i enderne, men har et mellemrum. Forestil dig, at den ene kam er blå og den anden er rød. Lad os nu erstatte den nederste røde (den er lavet af fem kamme, ligesom den øverste) med den femte ende til den tredje øvre (tredje øvre nål). Forlæng kæden både top og bund. Hvordan ville det blive: fem, tre, fem osv. - også over og under. Derefter tilføjes yderligere to skabeloner til disse kamme, efter at skabelonerne (kammene) forlader replikeringsgaflen. Fra et DNA-molekyle er to molekyler identiske med forælderen (hvis der ikke er nogen mutationer), dette kaldes semi-konservativ.
DNA-replikation er en nøglebegivenhed i celledeling . Det er vigtigt, at DNA'et er fuldstændigt replikeret på tidspunktet for delingen og kun én gang. Dette tilvejebringes af visse mekanismer til regulering af DNA-replikation. Replikering foregår i tre faser:
Replikation reguleres hovedsageligt på initieringsstadiet. Dette er ret nemt at gøre, fordi replikation ikke kan begynde fra et hvilket som helst DNA-segment, men fra et strengt defineret, kaldet replikationsinitieringsstedet . I genomet kan der enten kun være et eller mange sådanne steder. Begrebet replikationsinitieringssted er tæt forbundet med begrebet replikon . Et replikon er en strækning af DNA, der indeholder et replikationsinitieringssted og replikerer efter starten af DNA-syntese fra dette sted. Bakterielle genomer er sædvanligvis et enkelt replikon, hvilket betyder, at replikationen af hele genomet er resultatet af kun én handling af replikationsinitiering. Eukaryote genomer (såvel som deres individuelle kromosomer ) består af et stort antal uafhængige replikoner, hvilket signifikant reducerer den samlede replikationstid for et individuelt kromosom. De molekylære mekanismer, der kontrollerer antallet af replikationsinitieringer på hvert sted pr. celledelingscyklus, kaldes kopitalskontrol . Ud over kromosomalt DNA indeholder bakterieceller ofte plasmider , som er individuelle replikoner. Plasmider har deres egne kopiantalkontrolmekanismer: de kan give syntesen af kun én kopi af plasmidet pr. cellecyklus eller tusindvis af kopier [1] .
Replikation begynder på stedet for replikationsinitiering med afviklingen af DNA-dobbelthelixen, der danner en replikationsgaffel , stedet for direkte DNA-replikation. Hvert sted kan danne en eller to replikationsgafler, afhængigt af om replikationen er ensrettet eller tovejs. Tovejsreplikation er mere almindelig. Nogen tid efter replikationsstarten kan et replikationsøje iagttages i et elektronmikroskop - en region af kromosomet, hvor DNA allerede er blevet replikeret, omgivet af mere udvidede områder af ikke-replikeret DNA [1] .
Ved replikationsgaffelen kopierer DNA et stort proteinkompleks (replisom), hvis nøgleenzym er DNA-polymerase . Replikationsgaflen bevæger sig med en hastighed på omkring 100.000 basepar pr. minut i prokaryoter og 500-5000 i eukaryoter [3] .
| Enzym | Fungere |
|---|---|
| DNA gyrase | Tilhører gruppen af topoisomeraser . Introducerer midlertidige dobbeltstrengede brud i DNA, hvilket letter dets afvikling. |
| helicase | Opdeler strengene af et dobbeltstrenget DNA-molekyle i enkeltstrenge. |
| SSB proteiner | De binder enkeltstrengede DNA-fragmenter og forhindrer komplementær parring. |
| Primaza | Syntetiserer RNA-primer (primer) - et kort fragment af RNA, som er initiatoren i arbejdet med DNA-polymerase (polymerase er ikke i stand til at syntetisere DNA fra bunden, men kan tilføje nukleotider til eksisterende). |
| DNA polymerase | Syntetiserer DNA ved at binde til en primer. Polymerase syntetiserede den ene ende af det maternelle DNA kontinuerligt og i én retning, og den anden ende, i den modsatte retning, som fragmenter. |
| Squirrels glidende klip (fastgørelseselementer) | De omgiver DNA-ringen og "glider" langs den sammen med DNA-polymerase-enzymet, der bevæger sig fremad. De forhindrer dissociation af enzymet fra DNA-skabelonen og øger dets effektivitet. |
| RNase H | Sletter allerede unødvendige fragmenter af RNA-primer. |
| DNA ligase | Forbinder DNA- fragmenter (Okazaki-fragmenter ). |
| Telomerase | Tilføjer specielle gentagne nukleotidsekvenser til den ene ende af DNA-kæden i telomerregioner og kompenserer derved for deres afkortning under deling. |
| Replisome
(kompleks af alle replikationsenzymer) |
Det bevæger sig langs DNA-matrixmolekylet, afvikler det og opbygger komplementære DNA-kæder. |
Enzymer ( helicase , topoisomerase ) og DNA-bindende proteiner afvikler DNA, holder matrixen i en fortyndet tilstand og roterer DNA-molekylet. Korrektheden af replikation sikres af den nøjagtige match af komplementære basepar og aktiviteten af DNA-polymerase , som er i stand til at genkende og rette fejlen. Replikation i prokaryoter[ klargør ] udført af flere forskellige DNA-polymeraser . DNA-polymerase I virker på den lagging-streng for at fjerne RNA - primere og præ-replikere de oprensede DNA-steder. DNA-polymerase III er hovedenzymet for DNA-replikation, som syntetiserer den førende DNA-streng og Okazaki-fragmenter under syntesen af den efterslæbende streng. Dernæst snos de syntetiserede molekyler efter princippet om supercoiling og yderligere komprimering af DNA. Syntese er energikrævende.
DNA-molekylets kæder divergerer, danner en replikationsgaffel , og hver af dem bliver en skabelon, hvorpå en ny komplementær kæde syntetiseres. Som et resultat dannes der to nye dobbeltstrengede DNA-molekyler, identiske med modermolekylet.
Karakteristika for replikationsprocessen| DNA replikation | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Indvielse |
| ||||||
| Forlængelse |
| ||||||
| Afslutning |
| ||||||