Πώς γίνεται η αντιγραφή του DNA; Τι περιλαμβάνουν τα ένζυμα;

Έναρξη , επιμήκυνση και τερματισμός είναι τρία κύρια στάδια στην αντιγραφή του DNA. Ας δούμε τώρα περισσότερες λεπτομέρειες για καθένα από αυτά:

Βήμα 1:Έναρξη

Το σημείο στο οποίο ξεκινά η αναπαραγωγή είναι γνωστό ως η προέλευση της αναπαραγωγής (oriC). Η ελικάση επιφέρει τη διαδικασία του διαχωρισμού των κλώνων, η οποία οδηγεί στον σχηματισμό της διχάλας αντιγραφής.

Βήμα 2:Επιμήκυνση

Το ένζυμο DNA Πολυμεράση III δημιουργεί τον νέο κλώνο διαβάζοντας τα νουκλεοτίδια στον κλώνο του εκμαγείου και προσθέτοντας συγκεκριμένα το ένα νουκλεοτίδιο μετά το άλλο. Εάν διαβάζει μια Αδενίνη (Α) στο πρότυπο, θα προσθέσει μόνο μια Θυμίνη (Τ).

Βήμα 3:Τερματισμός

Όταν η Πολυμεράση III προσθέτει νουκλεοτίδια στον υστερούντα κλώνο και δημιουργεί θραύσματα Okazaki, μερικές φορές αφήνει ένα κενό ή δύο μεταξύ των θραυσμάτων. Αυτά τα κενά συμπληρώνονται με λιγάση. Κλείνει επίσης εγκοπές σε δίκλωνο DNA.

Όλοι γνωρίζουμε ότι κάθε άνθρωπος ξεκινά τη ζωή του ως ένα ενιαίο κύτταρο, το οποίο διαιρείται για να σχηματίσει δύο κύτταρα, και αυτά τα δύο συνεχίζουν να σχηματίζουν τέσσερα! Αυτή η διαδικασία μας βοηθά να σχηματίσουμε το μικροσκοπικό μας σώμα, το οποίο στη συνέχεια μεγαλώνει σε ενήλικα! Τώρα, ενώ συμβαίνουν όλα αυτά, το DNA μας διαιρείται επίσης σε αυτά τα κύτταρα. Όμως το κύτταρο χωρίζει το υπάρχον DNA σε δύο μέρη; Ή κάνει δεύτερο αντίγραφο; Αν νομίζετε ότι είναι το δεύτερο, τότε έχετε δίκιο! Το κελί δημιουργεί ένα δεύτερο αντίγραφο, οπότε όταν σχηματίζονται δύο θυγατρικά κύτταρα. Κάθε ένα από αυτά λαμβάνει ένα πλήρες σύνολο DNA.

Δομή του DNA

Πριν προχωρήσουμε στη διαδικασία της αντιγραφής, ας ρίξουμε μια γρήγορη ματιά στη δομή του DNA.

Όπως όλοι γνωρίζουμε, το DNA είναι ο γενετικός κώδικας που βοηθά τα κύτταρά μας να αναπτυχθούν και να αναπαραχθούν με προγραμματισμένο τρόπο. Εξαιτίας του οποίου ονομάζεται «Σχέδιο Ζωής».

Το DNA είναι το γενετικό υλικό που ορίζει τα κύτταρα στα σώματα. Προκειμένου ένα κύτταρο να διπλασιαστεί και να διαιρεθεί στα θυγατρικά του κύτταρα (είτε μέσω της διαδικασίας της μείωσης είτε της μίτωσης), τα οργανίδια και τα βιομόρια πρέπει πρώτα να αντιγραφούν και στη συνέχεια να κατανεμηθούν σε όλα τα κύτταρα.

Επιστρέφοντας στη δομή του, το DNA αποτελείται από τέσσερα νουκλεοτίδια. Σκέφτεστε τι είναι τα νουκλεοτίδια; Είναι μόρια, τα οποία αποτελούνται από μια φωσφορική ομάδα, έναν δακτύλιο ζάχαρης και μια βάση αζώτου! Αυτά τα νουκλεοτίδια είναι η Αδενίνη (Α), η Θυμίνη (Τ), η Γουανίνη (G) και η Κυτοσίνη (C). Α και G ονομάζονται Πουρίνες ενώ Τ και Γ ονομάζονται πυριμιδίνες. Αυτές οι λέξεις μπορεί να είναι μια μπουκιά, αλλά θα μπορείτε να τις διαβάσετε μετά από λίγη εξάσκηση.

Το DNA αποτελείται από δύο κλώνους. Αυτοί οι κλώνοι έχουν νουκλεοτίδια παρατεταγμένα το ένα μετά το άλλο και αυτά τα νουκλεοτίδια συνδέονται με τα νουκλεοτίδια στον άλλο κλώνο για να δημιουργήσουν μια δομή που μοιάζει με σκάλα! Τώρα η σύνδεση μεταξύ των νουκλεοτιδίων είναι πολύ συγκεκριμένη και η δέσμευση γίνεται μέσω Δεσμών Υδρογόνου. Α θα συνδεθεί με το T και Γ θα δεσμευτεί με τοΓ. Αυτά τα νουκλεοτίδια συνδέονται μεταξύ τους και ονομάζονται Ζεύγη βάσεων . Να το έχουμε λοιπόν. Μια φαινομενικά ατελείωτη σκάλα φτιαγμένη από νουκλεοτίδια που ζευγαρώνουν μεταξύ τους. Αλλά υπάρχει μια ακόμη αλλαγή, πάρτε αυτή τη σκάλα και στρίψτε την! Αυτό είναι όλο, το DNA μας μοιάζει με μια απλή διπλή έλικα με ειδική δέσμευση νουκλεοτιδίων. Εύκολο, σωστά;

DNA Double Helix (Φωτογραφία:Forluvoft / Wikimedia Commons)

Κατευθυντικότητα

Αυτοί οι κλώνοι έχουν δύο καθορισμένα άκρα που ονομάζονται 5' και 3' (μπορείτε να το διαβάσετε ως 5 πρώτο άκρο και 3 πρώτο άκρο). Αυτοί οι αριθμοί δείχνουν τον χημικό προσανατολισμό από άκρο σε άκρο. Οι αριθμοί 5 και 3 αντιπροσωπεύουν το πέμπτο και τρίτο άτομο άνθρακα του δακτυλίου ζάχαρης αντίστοιχα. Το 5' είναι το άκρο, το οποίο ενώνει μια φωσφορική ομάδα που συνδέεται με ένα άλλο νουκλεοτίδιο. Το 3' άκρο είναι σημαντικό καθώς κατά τη διάρκεια της αντιγραφής το νέο νουκλεοτίδιο προστίθεται σε αυτό το άκρο.

Όσον αφορά την κατεύθυνση, εάν ένας σκέλος είναι 5' έως 3' ενώ διαβάζει από αριστερά προς τα δεξιά, ο άλλος σκέλος θα είναι 3' έως 5'. Με απλά λόγια, τα σκέλη τρέχουν σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτός ο προσανατολισμός διατηρείται για εύκολη σύνδεση μεταξύ νουκλεοτιδίων των αντίθετων κλώνων.

Η χημική δομή ενός θραύσματος τεσσάρων ζευγών βάσεων μιας διπλής έλικας DNA. (Προστασία φωτογραφίας:Thomas Shafee / Wikimedia Commons)

Διαδικασία αναπαραγωγής

Η αντιγραφή ολόκληρου του DNA δεν είναι εύκολη δουλειά. Το ανθρώπινο γονιδίωμα (Genome σημαίνει ένα πλήρες σύνολο γονιδίων που υπάρχουν στο κύτταρο) έχει περίπου 3 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων (Νουκλεοτιδικό ζεύγος, θυμάστε;). Έτσι, για να δημιουργήσετε ένα αντίγραφο από κάτι τόσο πολύ θα έπαιρνε πολύ χρόνο. Αλλά δεν κάνει! Επειδή τα κύτταρά μας έχουν ένα σύνολο ενζύμων και πρωτεϊνών που κάνει αυτή τη διαδικασία γρήγορη!

Κάθε ένζυμο και πρωτεΐνη έχουν τη δική τους συγκεκριμένη λειτουργία. Ας δούμε τη διαδικασία βήμα προς βήμα.

Έναρξη

• Ελικάση – Το σημείο στο οποίο αρχίζει η αναπαραγωγή είναι γνωστό ως η προέλευση της αναπαραγωγής. Η ελικάση επιφέρει τη διαδικασία του διαχωρισμού των κλώνων, η οποία οδηγεί στον σχηματισμό της διχάλας αντιγραφής. Σπάει τον δεσμό υδρογόνου μεταξύ των ζευγών βάσεων για να διαχωρίσει τον κλώνο. Χρησιμοποιεί ενέργεια που λαμβάνεται από την υδρόλυση ATP για την εκτέλεση της λειτουργίας.
• Πρωτεΐνη SSB – Το επόμενο βήμα είναι η μονόκλωνη πρωτεΐνη σύνδεσης DNA να συνδεθεί με το μονόκλωνο DNA. Η δουλειά του είναι να σταματήσει το δέσιμο ξανά.
• DNA Primase – Μόλις οι κλώνοι διαχωριστούν και είναι έτοιμοι, μπορεί να ξεκινήσει η αναπαραγωγή. Για αυτό, απαιτείται ένα αστάρι για δέσμευση στο Origin. Οι εκκινητές είναι σύντομες αλληλουχίες RNA, μήκους περίπου 10 νουκλεοτιδίων. Το Primase συνθέτει τους εκκινητές.

Εκτέλεση

• DNA Πολυμεράση III – Αυτό το ένζυμο δημιουργεί τον νέο κλώνο διαβάζοντας τα νουκλεοτίδια στον κλώνο του εκμαγείου και προσθέτοντας συγκεκριμένα το ένα νουκλεοτίδιο μετά το άλλο. Εάν διαβάζει μια Αδενίνη (Α) στο πρότυπο, θα προσθέσει μόνο μια Θυμίνη (Τ). Μπορεί να συνθέσει νέους κλώνους μόνο προς την κατεύθυνση 5' προς 3'. Βοηθά επίσης στη διόρθωση και την επισκευή του νέου σκέλους. Τώρα μπορείτε να σκεφτείτε γιατί το Polymerase συνεχίζει να εργάζεται κατά μήκος του κλώνου και δεν απομακρύνεται τυχαία; Αυτό συμβαίνει επειδή μια πρωτεΐνη σε σχήμα δακτυλίου που ονομάζεται συρόμενος σφιγκτήρας συγκρατεί την πολυμεράση στη θέση της.

Τώρα όταν η διχάλα αντιγραφής κινείται μπροστά και η Πολυμεράση III αρχίζει να συνθέτει το νέο σκέλος, δημιουργείται ένα μικρό πρόβλημα. Αν θυμάστε, ανέφερα ότι τα δύο σκέλη κινούνται προς τις αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό σημαίνει ότι όταν συντίθενται και οι δύο κλώνοι σε κατεύθυνση 5' έως 3', ο ένας θα κινείται προς την κατεύθυνση της διχάλας αντιγραφής ενώ ο άλλος θα κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Ο κλώνος, ο οποίος συντίθεται προς την ίδια κατεύθυνση με το πιρούνι αντιγραφής, είναι γνωστός ως «οδηγητικός» κλώνος. Το πρότυπο για αυτό το σκέλος τρέχει προς την κατεύθυνση από 3' έως 5'. Η πολυμεράση πρέπει να συνδεθεί μόνο μία φορά και μπορεί να συνεχίσει τη δουλειά της καθώς η διχάλα αντιγραφής κινείται προς τα εμπρός. Ωστόσο, για τον κλώνο που συντίθεται προς την άλλη κατεύθυνση, η οποία είναι γνωστή ως «υστερούντα» κλώνος, η πολυμεράση πρέπει να συνθέσει ένα θραύσμα DNA. Στη συνέχεια, καθώς η διχάλα αντιγραφής προχωρά, πρέπει να έρθει και να επανασυνδεθεί στο νέο διαθέσιμο DNA και στη συνέχεια να δημιουργήσει το επόμενο θραύσμα. Αυτά τα θραύσματα είναι γνωστά ως θραύσματα Okazaki (που πήραν το όνομά τους από τον επιστήμονα Reiji Okazaki που τα ανακάλυψε).

Τερματισμός

• DNA Polymerase I – Αν θυμάστε, είχαμε προσθέσει ένα εκκινητή RNA στο Origin για να βοηθήσουμε την Πολυμεράση να ξεκινήσει τη διαδικασία. Τώρα που έχει γίνει το σκέλος, πρέπει να αφαιρέσουμε το αστάρι. Αυτή είναι η στιγμή που η Polymerase I εμφανίζεται στην εικόνα. Χρειάζεται η βοήθεια της RNase H για να αφαιρέσετε το αστάρι και να γεμίσετε τα κενά.
• λιγάση DNA – Όταν η Πολυμεράση III προσθέτει νουκλεοτίδια στον υστερούντα κλώνο και δημιουργεί θραύσματα Okazaki, μερικές φορές αφήνει ένα κενό ή δύο μεταξύ των θραυσμάτων. Αυτά τα κενά συμπληρώνονται με λιγάση. Κλείνει επίσης εγκοπές σε δίκλωνο DNA.

Αντιγραφή DNA. (Φωτογραφία:LadyofHats Mariana Ruiz / Wikimedia Commons)

Η διαδικασία αναπαραγωγής ολοκληρώνεται τελικά αφού αφαιρεθούν όλοι οι εκκινητές και το Ligase έχει συμπληρώσει όλα τα κενά που απομένουν. Αυτή η διαδικασία μας δίνει δύο πανομοιότυπα σύνολα γονιδίων, τα οποία στη συνέχεια θα περάσουν σε δύο θυγατρικά κύτταρα. Κάθε κελί ολοκληρώνει ολόκληρη τη διαδικασία σε μόλις μία ώρα!

Ο λόγος για τη λήψη τόσο σύντομου χρόνου είναι πολλαπλές προελεύσεις. Το κύτταρο ξεκινά τη διαδικασία από διάφορα σημεία και στη συνέχεια τα κομμάτια ενώνονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν ολόκληρο το γονιδίωμα!

Είναι σημαντικό για το DNA που υπάρχει στον πυρήνα να αντιγράφεται έτσι ώστε κάθε νέο κύτταρο να λαμβάνει τον κατάλληλο αριθμό χρωμοσωμάτων. Συνολικά, αυτή η διαδικασία είναι ζωτικής σημασίας για την επισκευή και την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή των κυττάρων σε ζωντανούς οργανισμούς.