Steg för DNA-replikation

Varför replikera DNA?

DNA är det genetiska material som definierar varje cell. Innan en cell dupliceras och delas upp i nya dotterceller genom antingen mitos eller meios, måste biomolekyler och organeller kopieras för att fördelas mellan cellerna. DNA, som finns i kärnan, måste replikeras för att säkerställa att varje ny cell får rätt antal kromosomer. Processen för DNA-duplicering kallas DNA-replikation. Replikation följer flera steg som involverar flera proteiner som kallas replikationsenzymer och RNA. I eukaryota celler, såsom djurceller och växtceller, sker DNA-replikation i S-fasen av interfas under cellcykeln. Processen för DNA-replikation är avgörande för celltillväxt, reparation och reproduktion i organismer.

Deoxiribonukleinsyra, allmänt känd som DNA, är en nukleinsyra som har tre huvudkomponenter: ett deoxiribossocker, ett fosfat och en kvävebas.

Eftersom DNA innehåller det genetiska materialet för en organism är det viktigt att det kopieras när en cell delar sig i dotterceller. Processen som kopierar DNA kallas replikation.

Replikering involverar produktionen av identiska helixar av DNA från en dubbelsträngad DNA-molekyl.
Enzymer är avgörande för DNA-replikation eftersom de katalyserar mycket viktiga steg i processen.
Den övergripande DNA-replikationsprocessen är extremt viktig för både celltillväxt och reproduktion i organismer. Det är också viktigt i cellreparationsprocessen.

DNA-struktur

DNA eller deoxiribonukleinsyra är en typ av molekyl som kallas nukleinsyra. Den består av ett deoxiribossocker med 5 kolatomer, ett fosfat och en kvävebas. Dubbelsträngat DNA består av två spiralformade nukleinsyrakedjor som är tvinnade till en dubbel helixform. Denna vridning gör att DNA blir mer kompakt.

För att passa in i kärnan packas DNA i tätt lindade strukturer som kallas kromatin. Kromatin kondenserar för att bilda kromosomer under celldelning. Före DNA-replikering lossnar kromatinet och ger cellreplikationsmaskineri tillgång till DNA-strängarna.

Förberedelse för replikering

Steg 1 : Replikationsgaffelformation

Innan DNA kan replikeras måste den dubbelsträngade molekylen ”packas upp” i två enkelsträngar. DNA har fyra baser som kallas adenin (A), tymin (T), cytosin (C)

och guanin (G) som bildar par mellan de två strängarna Adenin paras endast med tymin och cytosin binder endast med guanin. För att varva ner DNA, dessa inte rörelser mellan baspar måste brytas. Detta utförs av ett enzym som kallas DNA helicase. DNA-helikas avbryter vätebindningen mellan baspar för att separera strängarna till en Y-form som kallas replikationsgaffeln

. Det här området kommer att vara mallen för att replikeringen ska börja.

DNA är riktat in båda strängarna, betecknade med en 5′- och 3′-ände. Denna notation anger vilken sidogrupp som är fäst vid DNA-ryggraden. 5′-änden har en fosfatgrupp (P) ansluten, medan 3′-änden har en hydroxylgrupp (OH) fäst. Denna riktning är viktig för replikering eftersom den bara fortskrider i 5′- till 3′-riktningen. Replikationsgaffeln är dock dubbelriktad; en sträng är orienterad i 3′ till 5′ riktning (ledande sträng) medan den andra är orienterad 5′ till 3′ (släpande strand). De två sidorna replikeras därför med två olika processer för att anpassa riktningsskillnaden.

Steg 2: Primer Binding

Den ledande strängen är den enklaste att replikera. När DNA-strängarna har separerats, binder en kort bit RNA som kallas primer till 3′-änden av strängen. Primern binder alltid som utgångspunkt för replikering. Primers genereras av enzymet DNA-primas.

DNA-replikation: förlängning

DNA-polymeraser (blå ) fäster sig till DNA:t och förlänger de nya strängarna genom att lägga till nukleotidbaser.

Steg 3: Förlängning

Enzymer kända som DNA-polymeraser är ansvariga för att skapa den nya strängen genom en process som kallas förlängning. Det finns fem olika kända typer av DNA-polymeraser i bakterier och mänskliga celler. I bakterier som E. coli är polymeras III huvudreplikationsenzymet, medan polymeras I, II, IV och V är ansvariga för fel kontroll och reparation. DNA-polymeras III binder till strängen vid platsen för primern och börjar lägga till nya baspar som är komplementära till strängen under replikering. I eukaryota celler är polymeraser alfa, delta och epsilon de primära polymeraserna som är involverade i DNA-replikation. Eftersom replikeringen fortskrider i 5′- till 3′-riktningen på den ledande strängen, är den nybildade strängen kontinuerlig.

Den släpande strängen börjar replikering genom att binda med flera primrar. Varje primer är bara flera baser ifrån varandra. DNA-polymeras lägger sedan till bitar av DNA, kallade Okazaki-fragment, till strängen mellan primrar. Denna replikeringsprocess är diskontinuerlig eftersom de nyskapade fragmenten är sönderdelade.

Steg 4: Uppsägning

När både de kontinuerliga och diskontinuerliga strängarna har bildats, kallas ett enzym exonukleas tar bort alla RNA-primrar från de ursprungliga strängarna. Dessa primers ersätts sedan med lämpliga baser. Ett annat exonukleas ”korrekturläser” det nybildade DNA:t för att kontrollera, ta bort och ersätta eventuella fel. Ett annat enzym som kallas DNA-ligas förenar Okazaki-fragment och bildar en enda enhetlig sträng.

Ändarna av det linjära DNA utgör ett problem eftersom DNA-polymeras bara kan lägga till nukleotider i 5′ till 3′-riktningen. Ändarna av modersträngarna består av upprepade DNA-sekvenser som kallas telomerer. Telomerer fungerar som skyddslock i änden av kromosomerna för att förhindra att närliggande kromosomer smälter samman.

En speciell typ av DNA-polymerasenzym som kallas telomeras katalyserar syntesen av telomersekvenser i ändarna av DNA:t. När den väl är färdig lindas modersträngen och dess komplementära DNA-sträng till den välbekanta dubbelhelixformen. I slutändan producerar replikation två DNA-molekyler, var och en med en sträng från modermolekylen och en ny sträng.

Replikationsenzymer

DNA-polymerasmolekyl.

DNA-replikation skulle inte ske utan enzymer som katalyserar olika steg i processen. Enzymer som deltar i den eukaryota DNA-replikationsprocessen inkluderar:

DNA-helikas

– lindar upp och separerar dubbelsträngat DNA när det rör sig längs DNA:t. Den bildar replikationsgaffeln genom att bryta vätebindningar mellan nukleotidpar i DNA.

DNA-primas – en typ av RNA-polymeras som genererar RNA-primrar. Primers är korta RNA-molekyler som fungerar som mallar för startpunkten för DNA-replikation.

DNA-polymeraser – syntetisera nya DNA-molekyler genom att lägga till nukleotider till ledande och eftersläpande DNA-strängar.

Topoisomeraseller DNA Gyrase

– lindar av och lindar tillbaka DNA-strängar för att förhindra att DNA trasslar ihop sig eller superspiras.

Exonukleaser

– grupp av enzymer som tar bort nukleotidbaser från änden av en DNA-kedja.

DNA-ligas

– sammanfogar DNA-fragment genom att bilda fosfodiesterbindningar mellan nukleotider.

DNA-replikationssammanfattning Replikering av DNA.

DNA-replikation är produktionen av identiska DNA-helixar från en enkel dubbelsträngad DNA-molekyl. Varje molekyl består av en sträng från den ursprungliga molekylen och en nybildad sträng. Före replikering lindas DNA upp och strängarna separeras. En replikeringsgaffel bildas som fungerar som en mall för replikering. Primers binder till DNA:t och DNA-polymeraser lägger till nya nukleotidsekvenser i 5′ till 3′-riktningen.

Detta tillägg är kontinuerligt i den ledande strängen och fragmenterat i den eftersläpande strängen. När förlängningen av DNA-strängarna är klar, kontrolleras strängarna för fel, reparationer görs och telomersekvenser läggs till i ändarna av DNA:t.