Replikace (z latinského replicatio - obnova) je proces vytváření dvou dceřiných molekul DNA na základě mateřské molekuly DNA. Replikace DNA je prováděna komplexním komplexem skládajícím se z 15-20 různých enzymových proteinů, zvaným replikom [1] . Dvojšroubovice mateřské DNA je pomocí speciálních enzymů stočena do dvou vláken, na každém vytvořeném vláknu je dokončeno druhé vlákno tvořící dvě totožné dceřiné molekuly DNA, které jsou následně stočeny do samostatných spirál. Při následném dělení mateřské buňky obdrží každá dceřiná buňka jednu kopii molekuly DNA, která je totožná s DNA původní mateřské buňky. Tento proces zajišťuje přesný přenos genetické informace z generace na generaci.
Každá molekula DNA se skládá z jednoho vlákna původní rodičovské molekuly a jednoho nově syntetizovaného vlákna. Takový replikační mechanismus se nazývá semikonzervativní. V současnosti je tento mechanismus považován za prokázaný díky experimentům Matthewa Meselsona a Franklina Stahla ( 1958 ) [2] . Dříve existovaly dva další modely: "konzervativní" - v důsledku replikace se vytvoří jedna molekula DNA, která se skládá pouze z rodičovských řetězců, a jedna, která se skládá pouze z dětských řetězců; "disperzní" - všechny molekuly DNA vzniklé replikací se skládají z řetězců, z nichž některé jsou nově syntetizovány, zatímco jiné jsou převzaty z mateřské molekuly DNA. Molekula DNA se rozpůlí a vytvoří se dva templáty. Z replikační vidlice vycházejí dvě šablony. Pokud si je představíte v narovnané podobě, pak můžete vidět řadu hřebenů, které jsou na koncích spojené, ale mají mezeru. Představte si, že jeden hřeben je modrý a druhý červený. Nyní nahradíme spodní červenou (je stejně jako horní z pěti hřebenů) pátým koncem za třetí horní (třetí horní jehlici). Prodlužte řetěz nahoře i dole. Jak by to dopadlo: pět, tři, pět atd. - nahoře a dole taky. Poté jsou k těmto hřebenům přidány další dvě šablony poté, co šablony (hřebeny) opustí replikační vidlici. Z jedné molekuly DNA jsou dvě molekuly totožné s rodičovskou (pokud nejsou žádné mutace), tomu se říká semikonzervativní.
Replikace DNA je klíčovou událostí v buněčném dělení . Je důležité, aby v době dělení byla DNA zcela replikována a pouze jednou. To je zajištěno určitými mechanismy regulace replikace DNA. Replikace probíhá ve třech fázích:
Replikace je regulována hlavně v iniciační fázi. To je docela snadné, protože replikace nemůže začít z jakéhokoli segmentu DNA, ale z přesně definovaného segmentu, který se nazývá místo zahájení replikace . V genomu může být buď pouze jedno, nebo mnoho takových míst. Pojem místa zahájení replikace úzce souvisí s pojmem replikon . Replikon je úsek DNA, který obsahuje místo iniciace replikace a replikuje se po zahájení syntézy DNA z tohoto místa. Bakteriální genomy jsou obvykle jediným replikonem, což znamená, že replikace celého genomu je výsledkem pouze jednoho aktu zahájení replikace. Eukaryotické genomy (stejně jako jejich jednotlivé chromozomy ) se skládají z velkého počtu nezávislých replikonů, což výrazně snižuje celkovou dobu replikace jednotlivého chromozomu. Molekulární mechanismy, které řídí počet iniciací replikace na každém místě na cyklus buněčného dělení, se nazývají řízení počtu kopií . Kromě chromozomální DNA bakteriální buňky často obsahují plazmidy , což jsou jednotlivé replikony. Plazmidy mají své vlastní mechanismy kontroly počtu kopií: mohou poskytnout syntézu pouze jedné kopie plazmidu na buněčný cyklus nebo tisíce kopií [1] .
Replikace začíná v místě zahájení replikace s rozvinutím dvoušroubovice DNA, čímž se vytvoří replikační vidlice , místo přímé replikace DNA. Každá lokalita může tvořit jednu nebo dvě replikační větve v závislosti na tom, zda je replikace jednosměrná nebo obousměrná. Obousměrná replikace je běžnější. Nějakou dobu po začátku replikace lze v elektronovém mikroskopu pozorovat replikační oko - oblast chromozomu, kde již byla replikována DNA, obklopená více rozšířenými oblastmi nereplikované DNA [1] .
Na replikační vidlici DNA kopíruje velký proteinový komplex (replizom), jehož klíčovým enzymem je DNA polymeráza . Replikační vidlice se pohybuje rychlostí asi 100 000 párů bází za minutu u prokaryot a 500-5000 u eukaryot [3] .
| Enzym | Funkce |
|---|---|
| DNA gyráza | Patří do skupiny topoizomeráz . Zavádí dočasné dvouřetězcové zlomy v DNA, což usnadňuje její odvíjení. |
| helicase | Rozděluje řetězce dvouřetězcové molekuly DNA na jednoduché řetězce. |
| SSB proteiny | Vážou jednovláknové fragmenty DNA a zabraňují komplementárnímu párování. |
| Primaza | Syntetizuje RNA primer (primer) - krátký fragment RNA, který je iniciátorem práce DNA polymerázy (polymeráza není schopna syntetizovat DNA od začátku, ale může přidat nukleotidy k existujícím). |
| DNA polymeráza | Syntetizuje DNA vazbou na primer. Polymeráza syntetizovala jeden konec mateřské DNA nepřetržitě a v jednom směru a druhý konec v opačném směru jako fragmenty. |
| Posuvná spona veverky (spojovací materiál) | Obklopují prstenec DNA a „kloužou“ po něm spolu s enzymem DNA polymerázou pohybujícím se vpřed. Zabraňují disociaci enzymu z templátu DNA a zvyšují jeho účinnost. |
| RNáza H | Odstraňuje již nepotřebné fragmenty RNA primeru. |
| DNA ligáza | Spojuje fragmenty DNA (Okazakiho fragmenty ). |
| telomeráza | Přidává speciální opakující se nukleotidové sekvence na jeden konec řetězce DNA v oblastech telomer, čímž kompenzuje jejich zkrácení během dělení. |
| Replisome
(komplex všech replikačních enzymů) |
Pohybuje se po molekule matrice DNA, rozvíjí ji a vytváří komplementární řetězce DNA. |
Enzymy ( helikáza , topoizomeráza ) a proteiny vázající DNA odvíjejí DNA, udržují matrici ve zředěném stavu a rotují molekulu DNA. Správnost replikace je zajištěna přesnou shodou komplementárních párů bází a aktivitou DNA polymerázy , která je schopna chybu rozpoznat a opravit. Replikace u prokaryot[ objasnit ] prováděné několika různými DNA polymerázami . DNA polymeráza I působí na zaostávající řetězec, aby odstranila primery RNA a předreplikovala purifikovaná místa DNA. DNA polymeráza III je hlavním enzymem replikace DNA, který syntetizuje vedoucí řetězec DNA a fragmenty Okazaki během syntézy zaostávajícího řetězce. Dále jsou syntetizované molekuly stočeny podle principu supercoilingu a dalšího zhutňování DNA. Syntéza je energeticky náročná.
Řetězce molekuly DNA se rozcházejí, tvoří replikační vidličku a každý z nich se stává templátem, na kterém je syntetizován nový komplementární řetězec. V důsledku toho se vytvoří dvě nové dvouvláknové molekuly DNA, identické s rodičovskou molekulou.
Charakteristika procesu replikace| replikace DNA | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Zahájení |
| ||||||
| Prodloužení |
| ||||||
| Ukončení |
| ||||||