Αντιγραφή DNA:Διαδικασία με διαγράμματα

Μια επισκόπηση:Τι είναι η αντιγραφή του DNA;

Αν αναρωτιέστε τι είναι η αντιγραφή του DNA, τότε η απάντηση είναι ότι είναι ένα από τα πιο εκπληκτικά πράγματα που μπορεί να εκτελέσει το DNA. Κάθε κύτταρο φέρει όλο το DNA που απαιτείται για τη δημιουργία των άλλων κυττάρων. Ξεκινά με ένα μόνο κελί και καταλήγει σε δισεκατομμύρια κύτταρα. Και σε όλη τη διαδικασία διαίρεσης κελιών, όλα τα δεδομένα σε ένα κελί πρέπει να αναπαραχθούν σωστά. Ως αποτέλεσμα, το DNA είναι ένα μόριο που μπορεί να αντιγραφεί για να παράγει σχεδόν τέλεια αντίγραφα.

Ορισμός της αντιγραφής DNA 

Η μέθοδος με την οποία το DNA του γονιδιώματος αντιγράφεται στα κύτταρα είναι γνωστή ως αντιγραφή DNA. Πριν από τη διαίρεση, ένα κύτταρο πρέπει να αντιγράψει ολόκληρο το γονιδίωμά του έτσι ώστε κάθε θυγατρικό κύτταρο που ακολουθεί να έχει το πλήρες γονιδίωμά του.

Γιατί αντιγράφεται το DNA;

Το DNA είναι η γενετική ουσία που δίνει σε κάθε κύτταρο την ταυτότητά του. Τα βιομόρια και τα οργανίδια πρέπει να αντιγραφούν και να κατανεμηθούν στα κύτταρα πριν ένα κύτταρο αντιγραφεί και διαιρεθεί σε νέα θυγατρικά κύτταρα μέσω μίτωσης ή μείωσης. Το DNA πρέπει να αντιγραφεί εντός του πυρήνα για να διασφαλιστεί ότι κάθε θυγατρικό κύτταρο αποκτά τη σωστή ποσότητα χρωμοσωμάτων. Η αντιγραφή του DNA είναι η διαδικασία αντιγραφής του DNA.

Η αντιγραφή λαμβάνει χώρα σε μια σειρά διεργασιών αντιγραφής του DNA, συμπεριλαμβανομένων πολυάριθμων πρωτεϊνών γνωστών ως ένζυμα αντιγραφής και RNA. Τα βήματα αντιγραφής του DNA συμβαίνουν κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου σε ευκαρυωτικά κύτταρα όπως τα ζωικά κύτταρα και τα φυτικά κύτταρα κατά τη διάρκεια της S φάσης της ενδιάμεσης φάσης. Η αντιγραφή του DNA είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη, τη συντήρηση και τη γονιμοποίηση των κυττάρων στους οργανισμούς.

Η δομή του DNA

Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) είναι ένα μόριο νουκλεϊκού οξέος. Περιλαμβάνει ένα φωσφορικό άλας, ένα σάκχαρο δεοξυριβόζης με πέντε άνθρακες και μια αζωτούχα βάση. Το δίκλωνο DNA περιλαμβάνει δύο σπειροειδείς κλώνους νουκλεϊκού οξέος που συστρέφονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν μια δομή διπλής έλικας. Αυτή η συστροφή κάνει το DNA πιο συμπαγές. Το DNA διπλώνεται σε σφιχτά συσκευασμένες δομές που ονομάζονται χρωματίνη για να ενσωματωθεί στον πυρήνα. Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης, η χρωματίνη συμπυκνώνεται για να παράγει χρωμοσώματα. Η χρωματίνη χαλαρώνει πριν από τα βήματα αντιγραφής του DNA, επιτρέποντας την προσβασιμότητα του μηχανήματος αναπαραγωγής κυττάρων στους κλώνους του DNA.

Το παραπάνω διάγραμμα αντιγραφής DNA εξηγεί τη δομή του DNA.

Τώρα που ξέρετε τι είναι η αντιγραφή του DNA, ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στα βήματα της αντιγραφής του DNA.

 Βήματα αντιγραφής DNA 

Βήμα 1:Σχηματισμός διχάλων αντιγραφής

Για να μπορέσει να αναπαραχθεί το DNA, πρέπει πρώτα να «ξεκολλήσει» σε δύο μονούς κλώνους. Η αδενίνη (Α), η κυτοσίνη (C), η θυμίνη (Τ) και η γουανίνη (G) είναι τα τέσσερα νουκλεοτίδια που σχηματίζουν ζεύγη μεταξύ των δύο κλώνων του DNA. Η αδενίνη συνδέεται μόνο με τη θυμίνη, ενώ η κυτοσίνη μόνο με τη γουανίνη. Αυτές οι συνδέσεις μεταξύ ζευγών βάσεων πρέπει να διαταραχθούν για να ξετυλιχθεί το DNA. Αυτό γίνεται από ένα ένζυμο που ονομάζεται ελικάση DNA. Η ελικάση DNA διαλύει τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των ζευγών βάσεων για να διαχωρίσει τους κλώνους σε μια διχάλα αντιγραφής σχήματος Υ. Αυτή η τοποθεσία θα χρησιμεύσει ως το σημείο εκκίνησης για την αναπαραγωγή.

Και οι δύο κλώνοι DNA κατευθύνονται, όπως φαίνεται από τα άκρα 5' και 3'. Αυτή η σημείωση υποδεικνύει ποια πλευρική ομάδα είναι συνδεδεμένη με τη ραχοκοκαλιά του DNA. Μια ομάδα φωσφορικών (Ρ) συνδέεται με το 5' άκρο, ενώ μια ομάδα υδροξυλίου (ΟΗ) συνδέεται με το άκρο 3'. Αυτή η κατευθυντικότητα είναι κρίσιμη για την αναπαραγωγή επειδή μετακινείται μόνο από 5′ σε 3′. Η διχάλα αντιγραφής είναι αμφίδρομη.

• Η κύρια λωρίδα κατευθύνεται από 3′ έως 5′ 
• Το σκέλος που καθυστερεί είναι προσανατολισμένο από 5′ έως 3′ 

Οι δύο πλευρές αναπαράγονται χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικές μεθόδους για να ληφθεί υπόψη η διαφορά κατεύθυνσης.

Ανατρέξτε στο διάγραμμα αντιγραφής DNA που δίνεται παραπάνω για καλύτερη κατανόηση.

Έναρξη της διαδικασίας αντιγραφής του DNA

Βήμα 2:Δέσμευση Primer

Το πρώτο σκέλος είναι το πιο εύκολο να μιμηθεί κανείς. Αφού διαιρεθούν οι κλώνοι του DNA, ένας εκκινητής, ένα κοντό κομμάτι RNA, προσκολλάται στο 3' άκρο του κλώνου. Ως σημείο έναρξης για την αντιγραφή, το αστάρι δεσμεύει πάντα. Το ένζυμο DNA πριμάση δημιουργεί εκκινητές.

Αντιγραφή DNA:Επιμήκυνση

Βήμα 3:Επιμήκυνση 

Ο νέος κλώνος δημιουργείται από ένζυμα που ονομάζονται πολυμεράσες DNA μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως επιμήκυνσης. Υπάρχουν πέντε κύρια είδη πολυμερασών DNA σε βακτήρια και ανθρώπινα κύτταρα. Η πολυμεράση III είναι το κύριο ένζυμο αντιγραφής σε βακτήρια όπως το Escherichia coli, ενώ η πολυμεράση I, II, IV και V είναι υπεύθυνες για τον έλεγχο και την επιδιόρθωση σφαλμάτων. Η DNA πολυμεράση III προσκολλάται στον κλώνο στη θέση του εκκινητή κατά τη διάρκεια της αντιγραφής και ξεκινά προσθέτοντας επιπλέον ζεύγη βάσεων που αντιστοιχούν στον κλώνο.

Οι κύριες πολυμεράσες που εμπλέκονται στην αντιγραφή του DNA σε ευκαρυωτικά κύτταρα είναι το δέλτα, το άλφα και το έψιλον. Επειδή ο αναδιπλασιασμός στον προπορευόμενο κλώνο συμβαίνει στην κατεύθυνση 5' προς 3', ο νέος παραγόμενος κλώνος είναι συνεχής.

Η υστέρηση κλώνος ξεκινάει την αντιγραφή συνδέοντας πάρα πολλούς εκκινητές. Κάθε αστάρι απέχει μόλις λίγες βάσεις μεταξύ τους. Τα θραύσματα Okazaki προστίθενται στη συνέχεια στον κλώνο μεταξύ των εκκινητών με πολυμεράση DNA. Επειδή τα πρόσφατα παραχθέντα κομμάτια είναι αποσυνδεδεμένα, η διαδικασία αναπαραγωγής είναι ασυνεχής.

Βήμα 4:Τερματισμός 

Μετά το σχηματισμό τόσο των συνεχών όσο και των ασυνεχών κλώνων, ένα ένζυμο εξωνουκλεάσης εξαλείφει όλους τους εκκινητές RNA από τους αρχικούς κλώνους. Μετά από αυτό, τα αστάρια αντικαθίστανται με τις κατάλληλες βάσεις. Ένας άλλος έλεγχος εξωνουκλεάσης αφαιρεί και αντικαθιστά τυχόν ελαττώματα στο πρόσφατα παραγόμενο DNA. Ένα άλλο ένζυμο γνωστό ως DNA λιγάση συνδέει θραύσματα Okazaki για να παράγει έναν ενιαίο ενιαίο κλώνο. Επειδή η DNA πολυμεράση μπορεί να προσθέσει νουκλεοτίδια μόνο στην κατεύθυνση πέντε ′ έως 3′, τα άκρα του γραμμικού DNA προσφέρουν μια πρόκληση.

Τα άκρα των πατρικών κλώνων αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA γνωστές ως τελομερή. Τα τελομερή χρησιμεύουν ως προστατευτικά καλύμματα στα άκρα των χρωμοσωμάτων, εμποδίζοντάς τα από τη συγχώνευση με τα γειτονικά χρωμοσώματα. Η τελομεράση είναι ένα είδος ενζύμου DNA πολυμεράσης που καταλύει τη σύνθεση αλληλουχιών τελομερών στα άκρα του DNA. Όταν τελειώσει, ο μητρικός και ο συμπληρωματικός κλώνος DNA σπειρώνονται στη χαρακτηριστική δομή διπλής έλικας. Τέλος, η αντιγραφή δημιουργεί δύο μόρια DNA που περιέχουν έναν κλώνο από το μητρικό μόριο και έναν νέο κλώνο.

Ένζυμα υπεύθυνα για την αναπαραγωγή

Η διαδικασία αντιγραφής του DNA δεν θα ήταν δυνατή χωρίς ένζυμα που καταλύουν αρκετές φάσεις στη διαδικασία αντιγραφής. Τα ακόλουθα ένζυμα εμπλέκονται στη διαδικασία αντιγραφής του ευκαρυωτικού DNA:

ελικάση DNA 

Καθώς προχωρά με το DNA, ξετυλίγεται και διασπά το δίκλωνο DNA. Η διάλυση δεσμών υδρογόνου μεταξύ ζευγών νουκλεοτιδίων στο DNA δημιουργεί τη διχάλα αντιγραφής.

πριμάση DNA 

Είναι μια πολυμεράση RNA που παράγει εκκινητές RNA. Οι εκκινητές είναι μικρά μόρια RNA που χρησιμεύουν ως πρότυπα για την αντιγραφή του DNA.

DNA πολυμεράσες 

Αυτά τα ένζυμα προσθέτουν νουκλεοτίδια στους κορυφαίους και υστερούντες κλώνους DNA για να δημιουργήσουν νέα μόρια DNA.

Τοποϊσομεράση 

Είναι επίσης γνωστό ως DNA Gyrase. Είναι μια πρωτεΐνη που τυλίγει προς τα πίσω και ξετυλίγει τους κλώνους του DNA για να τους εμποδίσει να σχηματίσουν κόμπους.

Εξωνουκλεάσες 

Αυτά είναι μια δέσμη ενζύμων που αφαιρούν τις βάσεις των νουκλεοτιδίων από το άκρο των αλυσίδων DNA.

λιγάση DNA 

Σχηματίζει φωσφοδιεστερικούς δεσμούς μεταξύ νουκλεοτιδίων για τη σύνδεση θραυσμάτων DNA.

Διαδικασία αντιγραφής DNA σε προκαρυώτες και ευκαρυώτες

Προκαρυώτες

Η αντιγραφή του DNA λαμβάνει χώρα στις ακόλουθες θέσεις σε προκαρυώτες:

• Στην αρχή της αντιγραφής, οι δύο κλώνοι του DNA ξετυλίγονται.
• Η ελικάση ανοίγει το DNA, επιτρέποντας την ανάπτυξη διχάλων αντιγραφής.
• Οι μονόκλωνες πρωτεΐνες δέσμευσης τυλίγουν τη διχάλα αντιγραφής με DNA για να εμποδίσουν την επανατύλιξη του DNA.
• Η τοποϊσομεράση αναστέλλει την υπερέλιξη του DNA.
• Η Primase είναι υπεύθυνη για την παραγωγή εκκινητών RNA. Αυτοί οι εκκινητές λειτουργούν παράλληλα με τον κλώνο DNA.
• Μετά τους εκκινητές, η DNA πολυμεράση III αρχίζει να προσθέτει νουκλεοτίδια.
• Οι κορυφαίοι και οι τελευταίοι σκέλη συνεχίζουν να αυξάνονται σε μήκος.
• Μετά την αφαίρεση των εκκινητών, οι χώροι ξαναγεμίζονται με πολυμεράση DNA Ι και εγκλωβίζονται με λιγάση.

Ευκαρυώτες

Η αντιγραφή του ευκαρυωτικού DNA είναι ανάλογη με την αντιγραφή του προκαρυωτικού DNA. Ωστόσο, ο μηχανισμός έναρξης στους ευκαρυώτες είναι πιο περίπλοκος από ότι στους προκαρυώτες. Υπάρχουν πολλές πηγές αντιγραφής στους ευκαρυώτες. Με τη βοήθεια πρόσθετων πρωτεϊνών εκκίνησης, σχηματίζεται μια ένωση προ-αντιγραφής. Η διαδικασία είναι η ίδια, αλλά τα ένζυμα που χρησιμοποιούνται δεν είναι. Στους ευκαρυώτες, για παράδειγμα, το ένζυμο Pol εκτελεί τη διαδικασία πολυμερισμού, ενώ στους προκαρυώτες πραγματοποιείται από το DNA Pol III.

Ανατρέξτε στο παραπάνω διάγραμμα αντιγραφής DNA για σαφήνεια.

Σύνοψη 

Η αντιγραφή του DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ) είναι η διαδικασία με την οποία παράγονται πανομοιότυπες έλικες DNA από ένα μονόκλωνο μόριο DNA. Κάθε μόριο περιλαμβάνει έναν κλώνο από το αρχικό μόριο και έναν νέο κλώνο. Το DNA ξετυλίγεται και οι κλώνοι διαχωρίζονται πριν από την αντιγραφή. Παράγεται ένα πιρούνι αναπαραγωγής, το οποίο λειτουργεί ως πρότυπο αναπαραγωγής. Οι εκκινητές προσκολλώνται στο DNA που ακολουθούνται από την προσθήκη νέων αλληλουχιών νουκλεοτιδίων από το 5' έως το 3' με DNA πολυμεράση.

Αυτή η συμπερίληψη είναι σταθερή στον προπορευόμενο κλώνο αλλά ασυνεχής στην τελική αλυσίδα. Αφού επιμηκυνθούν οι κλώνοι του DNA, εξετάζονται για λάθη και επιδιορθώνονται, και αλληλουχίες τελομερών εισάγονται στα άκρα του DNA.

Συχνές ερωτήσεις 

1. Ποια είναι η διαδικασία αναπαραγωγής;

Α:Η μέθοδος με την οποία ένα μόριο δίκλωνου DNA αντιγράφεται για να σχηματίσει δύο πανομοιότυπα μόρια DNA είναι γνωστή ως αντιγραφή. Η αντιγραφή του DNA είναι μια από τις πιο θεμελιώδεις διαδικασίες μέσα σε ένα κύτταρο.

2. Πού γίνεται η αντιγραφή του DNA;

Α:Ο πυρήνας του ατόμου

Η αντιγραφή του DNA λαμβάνει χώρα στους πυρήνες των ευκαρυωτικών κυττάρων και στις νουκλεοειδείς περιοχές των προκαρυωτικών κυττάρων. Τα ζωικά και φυτικά κύτταρα είναι παραδείγματα ευκαρυωτικών κυττάρων, συμπεριλαμβανομένου ενός πυρήνα και οργανιδίων που συνδέονται με τη μεμβράνη. Τα ευκαρυωτικά κύτταρα περιέχουν το DNA τους στον πυρήνα, επομένως η αντιγραφή του DNA συμβαίνει εκεί.

3. Ποια ακριβώς είναι η σημασία της αναπαραγωγής;

Α:Στις εμπειρικές επιστήμες, η αναπαραγωγή είναι μια από τις πιο σημαντικές στρατηγικές για την επαλήθευση των ευρημάτων. Οποιαδήποτε μελέτη πρέπει να αναπαραχθεί από άλλους ερευνητές πριν τα συμπεράσματά της μπορούν να τεκμηριωθούν σχετικά καλά. Η δυνατότητα αναπαραγωγής προσδίδει αξιοπιστία στα ευρήματα της επιστημονικής έρευνας.