Αντιγραφή DNA στη Βιολογία

Βασικές έννοιες της αντιγραφής DNA

Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθετε για την αντιγραφή DNA , γιατί είναι σημαντικό στα κύτταρα και η διαδικασία του.

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Επεξήγηση της μεταγραφής DNA
• Επεξήγηση μετάφρασης DNA
• Το DNA Tautomer
• Γλυκόλυση
• Κεντρικό Δόγμα της Βιολογίας

Τι είναι η αντιγραφή του DNA;

Το DNA είναι το γενετικό υλικό που καθορίζει κάθε κύτταρο στο σώμα μας. Η αντιγραφή του DNA είναι η διαδικασία διπλασιασμού του DNA που υφίσταται ένα κύτταρο πριν ένα κύτταρο αντιγραφεί σε θυγατρικά κύτταρα. Η διαδικασία αντιγραφής λαμβάνει χώρα σε διάφορα στάδια που περιλαμβάνουν πρωτεΐνες (ένζυμα αντιγραφής και RNA). Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, η αντιγραφή του DNA λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια της ενδιάμεσης φάσης (φάση S) στον κυτταρικό κύκλο. Αυτή η διαδικασία είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη, την επισκευή και την αναπαραγωγή των κυττάρων στους οργανισμούς. Αυτή η διαδικασία έχει επίσης βιομηχανικές και ερευνητικές εφαρμογές, όπως με μοριακή κλωνοποίηση και PCR.

Βασική επισκόπηση της διαδικασίας αντιγραφής DNA

Η διαδικασία αντιγραφής του DNA είναι ημισυντηρητική, Αυτό σημαίνει ότι κάθε κλώνος στη διπλή έλικα του DNA λειτουργεί ως πρότυπο για τη σύνθεση των νέων κλώνων. Η διαδικασία παίρνει το αρχικό μόριο που έχει δύο «θυγατρικά» μόρια, το καθένα σχηματίζοντας μια νέα διπλή έλικα που έχει ένα νέο και παλιό σκέλος. Τα κύτταρα μπορούν να αντιγράψουν το DNA τους πολύ γρήγορα.

DNA Πολυμεράση

Το βασικό μόριο στην αντιγραφή του DNA είναι το ένζυμο DNA πολυμεράση. Είναι υπεύθυνος για τη σύνθεση του DNA με την προσθήκη νουκλεοτιδίων για την ανάπτυξη της αλυσίδας του DNA. Υπάρχουν πολλά βασικά χαρακτηριστικά της DNA πολυμεράσης που αναφέρονται παρακάτω.

• Χρειάζεστε πάντα ένα πρότυπο
• Μπορεί να προσθέσει νουκλεοτίδια μόνο στο 3' άκρο ενός κλώνου DNA
• Δεν μπορούν να ξεκινήσουν τη δημιουργία ενός κλώνου DNA από την αρχή, πρέπει να έχουν μια προϋπάρχουσα αλυσίδα που ονομάζεται primer
• Διόρθωση αφαιρώντας τη συντριπτική πλειοψηφία των «λάθος» νουκλεοτιδίων που βρίσκονται κατά λάθος στην αλυσίδα.

Ωστόσο, η προσθήκη νουκλεοτιδίων απαιτεί ενέργεια. Η ενέργεια που απαιτείται προέρχεται από τα ίδια τα νουκλεοτίδια, έχουν συνδεδεμένα τρία φωσφορικά άλατα. Όταν ο δεσμός σπάσει, η ενέργεια που απελευθερώνεται παρέχει ενέργεια για τους νέους εισερχόμενους δεσμούς.

Άλλα ένζυμα αναπαραγωγής

Εκτός από την DNA πολυμεράση, υπάρχουν πολλά άλλα ένζυμα που χρησιμοποιούνται κατά τη διαδικασία αντιγραφής.

• ελικάση DNA ξετυλίγει και διαχωρίζει το δίκλωνο DNA καθώς κινείται κατά μήκος του DNA. Επιτρέπει το σχηματισμό μιας διχάλας αντιγραφής με το σπάσιμο των δεσμών υδρογόνου μεταξύ των ζευγών νουκλεοτιδίων.
• πριμάση DNA (τύπος RNA πολυμεράσης) που δημιουργεί εκκινητές RNA.
• DNA γυράση ή Τοποϊσομεράση ξετυλίγει και επανατυλίγει τους κλώνους του DNA για να αποτρέψει την υπερέλιξη (μπέρδεμα) του DNA.
• Εξωνουκλεάσες είναι μια ομάδα ενζύμων που αφαιρούν τη νουκλεοτιδική βάση από το άκρο μιας αλυσίδας DNA.
• λιγάση DNA ενώνει θραύσματα DNA μεταξύ τους σχηματίζοντας φωσφοδιεστερικούς δεσμούς μεταξύ νουκλεοτιδίων.

Η διαδικασία αντιγραφής του DNA

Η διαδικασία έχει τέσσερα κύρια στάδια:σχηματισμός πιρουνιού αντιγραφής, δέσμευση ασταριού, επιμήκυνση και τερματισμός.

Σχηματισμός φόρμας αναπαραγωγής

Προτού μπορέσει να πραγματοποιηθεί η αντιγραφή, το δίκλωνο DNA πρέπει να «αποσυμπιεστεί» σε δύο ξεχωριστές μονές έλικες. Για να ξετυλιχθεί το DNA, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ζευγών βάσεων διακόπτονται. ελικάση DNA βοηθά σε αυτό διαταράσσοντας τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των ζευγών βάσεων. Ως αποτέλεσμα, αυτή η ενέργεια διαχωρίζει τους κλώνους σε ένα σχήμα Υ που ονομάζεται πηρούνα αναπαραγωγής . Επομένως, αυτή η περιοχή θα είναι το πρότυπο για αναπαραγωγή.

Το DNA έχει κατευθυντικότητα και στις δύο βάσεις που δηλώνονται με άκρο 5' και 3'. Το άκρο με την ομάδα φωσφορικών είναι το 5' άκρο ενώ το άκρο με την ομάδα υδροξυλίου είναι το άκρο 3'. Ωστόσο, η διχάλα αντιγραφής είναι αμφίδρομη. Το σκέλος που προσανατολίζεται στην κατεύθυνση 3' προς 5' είναι το οδηγό σκέλος ενώ το σκέλος με προσανατολισμό 5′ έως 3′ είναι τουστερούμενο σκέλος.

Δέσμευση ασταριού

Το κύριο σκέλος είναι το πιο απλό στην αναπαραγωγή. Αφού διαχωριστούν οι κλώνοι του DNA, ένας εκκινητής δένει στο 3′ άκρο του κλώνου. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το αστάρι δεσμεύει πάντα ως το σημείο εκκίνησης για τη διαδικασία αντιγραφής. Οι εκκινητές παράγονται από πριμάση DNA.

Επιμήκυνση

πολυμεράσες DNA είναι υπεύθυνοι για τη δημιουργία των νέων κλώνων κατά τη φάση της επιμήκυνσης. Η πολυμεράση III είναι το κύριο ένζυμο αντιγραφής και είναι υπεύθυνη για την επισκευή και τον έλεγχο σφαλμάτων. Συνδέεται με τον κλώνο στη θέση του ασταριού και αρχίζει να προσθέτει νέα συμπληρωματικά ζεύγη βάσεων Watson-Crick. Λόγω της εξέλιξης της αντιγραφής στην κατεύθυνση 5' προς 3' στον οδηγό κλώνο, ο νεοσχηματισμένος κλώνος θεωρείται συνεχής.

Ωστόσο, η υστέρηση είναι μια ασυνεχής επεξεργάζομαι, διαδικασία. Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε εκκινητής απέχει μόνο πολλές βάσεις μεταξύ τους και η πολυμεράση DNA προσθέτει κομμάτια DNA που ονομάζονται θραύσματα Okazaki. Αυτά τα νέα τμήματα δεν συνδέονται μεταξύ τους.

Τερματισμός

Μόλις δημιουργηθούν οι συνεχείς και ασυνεχείς κλώνοι, η εξωνουκλεάση αφαίρεσε όλους τους εκκινητές RNA από τους αρχικούς κλώνους. Τα αστάρια αντικαθίστανται με τις κατάλληλες βάσεις. Μια άλλη εξωνουκλεάση διαβάζει το νεοσχηματισμένο DNA για να αφαιρέσει και να αντικαταστήσει τυχόν σφάλματα. Ως αποτέλεσμα του ασυνεχούς κλώνου που έχει θραύσματα Okazaki, ένα ένζυμο που ονομάζεται λιγάση DNA τα ενώνει μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα ενιαίο σκέλος. Τα άκρα του μητρικού DNA περιέχουν μια επαναλαμβανόμενη αλληλουχία DNA που ονομάζεται τελομερή (δρούν ως προστατευτικό κάλυμμα στο τέλος των χρωμοσωμάτων). Μια τελομεράση καταλύει τη σύνθεση των αλληλουχιών των τελομερών.

Μετά την ολοκλήρωση, ο μητρικός κλώνος και ο συμπληρωματικός κλώνος του DNA σπειρώνονται σε σχήμα διπλής έλικας. Ως αποτέλεσμα, η αντιγραφή παράγει δύο μόρια DNA.

Περαιτέρω ανάγνωση

• Ταυτομερισμός κετοενόλης
• Τι είναι το Ka, η σταθερά διάστασης οξέος;
• Χωρητικότητα προσωρινής αποθήκευσης και υπολογισμοί