Rozpoznaj proces przedstawiony na fotografii, a następnie określ jego znaczenie dla zachowania niezmienionej informacji genetycznej.
(Jest to replikacja, czyli rozplecenie podwójnej nici DNA, a znaczeniem tego procesu jest dobudowywanie do tej nici DNA drugiej nici RNA, która jest pierwowzorem sekwencji nukleotydów w DNA.)
Opis:
Zgodnie z zasadą komplementarności informacja genetyczna zawarta w DNA może być powielana w procesie zwanym replikacją DNA. Jest to synteza dwóch komplementarnych dwuniciowych helis z jednej wyjściowej cząsteczki DNA. W każdej serii replikacji potomne dwuniciowe helisy zawierają jedną nić starą i jedną na nowo zsyntetyzowaną. Z tego względu replikację nazywamy semikonserwatywną, aby pełnić funkcję matrycy, dwuniciowa helisa DNA musi być najpierw rozpleciona, tak by zasady każdej nici były dostępne dla odpowiednich enzymów. Zatem proces replikacji zaczyna się od zawiązania przez DNA białek inicjujących, które na pewnym krótkim odcinku cząsteczki zrywają wiązania wodorowe między zasadami. Rozdzielenie nici w tym fragmencie nie wymaga dużego nakładu energii, ponieważ wiązania wodorowe są słabe. Ponadto białka inicjujące „wybierają” odcinki, w których przeważają pary A-T związane tylko dwoma wiązaniami wodorowymi. Te ściśle określone fragmenty DNA, w których następuje rozdzielenie obu nici i rozpoczęcie replikacji, nazywają się miejscami początku replikacji albo miejscami ori. Miejsca te mają charakterystyczne sekwencje nukleotydów, dzięki czemu są rozpoznawane przez białka inicjujące replikację DNA. Do rozplecionej w miejscu ori cząsteczki może się wówczas przyłączyć cała grupa białek wyspecjalizowanych w syntezie DNA. Podstawową zasadą replikacji jest to, że nicom rodzicielskiej cząsteczki DNA „nie wolno” rozplatać się zupełnie. Rozplatają się one jedynie na krótkim odcinku. Takie miejsca jednoczesnego rozwijania i syntezy DNA to widełka replikacyjne. Replikacja przebiega w dwóch kierunkach równocześnie: w prawo i w lewo. Synteza DNA zachodzi więc dwukierunkowo, w miarę upływu czasu Widełka replikacyjne przesuwają się wzdłuż cząsteczki DNA. Syntezę nowych nici DNA przeprowadza enzym polimeraza DNA. Substratami wykorzystywanymi do syntezy nowych nici DNA są trifosforany nukleozydów, czyli nukleozydy z przyłączonymi trzema grupami fosforanowymi. Ufosforylowane w taki sposób nukleozydy nazywamy również nukleotydami. Enzym wiąże i włącza do powstającego nowego łańcucha DNA tylko taki nukleotyd, który jest komplementarny do nukleotydu znajdującego się na matrycy, dlatego mówi, że polimeraza DNA jest enzymem sterowanym przez matrycę. Polimeraza DNA przyłącza nowy nukleotyd, tworząc wiązanie fosfodiestrowe między jego grupą fosforanową a wolną grupą –OH przy końcu 3’ rosnącego łańcucha polinukleotydowego. Energia potrzebna do tej reakcji jest uwalniana podczas hydrolizy wchodzącego w reakcję trifosforanu nukleozydu do monofosforanu, który jest bezpośrednio włączany w łańcuch DNA. Polimeraza nie odłącza się od DNA każdorazowo po przyłączeniu kolejnego nukleotydu, ale posuwa się ruchem „ślizgowym” wzdłuż matrycy w miarę postępującej syntezy nowego łańcucha. Polimeraza DNA może syntetyzować nowy łańcuch polinukleotydowy tylko od końca 5’ do końca 3’, co umożliwia replikację obu nici równocześnie, ponieważ są one ustawione względem siebie antyrównolegle. Jeśli jedna nić biegnie w kierunku 5’-> 3’, a nić do niej komplementarna w kierunku 3’ -> 5’ to polimeraza DNA nie ma problemu z nicią matrycową o orientacji 3’ -> 5’, ponieważ potomny DNA jest syntetyzowany na niej w poprawnym kierunku 5’ -> 3’. Te odcinki nazywane są fragmentami Okazaki są łączone później w jedną całość przez enzym zwany ligazą DNA (ligazy to enzymy, które łączą ze sobą cząsteczki). Polimeraza nie może jednak sama rozpocząć syntezy nowego łańcucha DNA: potrzebny jest jej już istniejący odcinek łańcucha nukleotydowego sparowanego z matrycą, aby do jego końca 3’ dołączyć kolejny nukleotyd. Zdolność do syntezy takiego „starterowego” odcinka ma inny enzym, specjalna polimeraza RNA, nazywana prymazą. Syntezuje ona krótki (5 – 10 nukleotydów) odcinek RNA, służący jako starter, do którego następnie polimeraza DNA dołącza dalsze nukleotydy. W przypadku nici wiodącej starter jest potrzebny tylko raz – do rozpoczęcia replikacji w miejscu ori, natomiast w przypadku nici opóźnionej – na początku syntezy każdego fragmentu Okazaki. Startery są usuwane przez specjalną polimerazę DNA (inną niż enzym syntetyzujący nić opóźnioną i wiodącą), która rozpoznaje odcinki RNA w łańcuchu DNA i wycina je. Jednocześnie ten sam enzym syntetyzuje DNA, wypełniając powstałe po starterach luki. Gotowe fragmenty DNA łączy ligaza DNA. Polimeraza DNA potrafi też naprawić błędy powstające podczas replikacji. Przed dołączeniem nowego nukleotydu do rosnącego łańcucha polimeraza DNA sprawdza, czy poprzednio wbudowany nukleotyd utworzył właściwą parę z odpowiednim nukleotydem matrycy. Jeśli enzym wykryje pomyłkę, usuwa błędnie dobrany nukleotyd przez zerwanie wiązania fosfodiestrowego i wprowadza w to miejsce właściwy. W replikacji DNA uczestniczy znacznie więcej białek, nie tylko białka inicjujące, polimerazy DNA, prymaty i ligazy DNA. W replikacji bierze udział specjalny enzym rozplatający nici helisy DNA, który nazywa się helikazą. W procesie powielania DNA uczestniczą również białka zapobiegające ponownemu połączeniu się nici rozplecionych przez helikazę. Przyłączają się one do jednolicowych fragmentów DNA, uniemożliwiając im ponowne utworzenie dwuniciowej helisy. Są również białka, które pomagają w ścisłym związaniu polimerazy DNA z matrycą. W przypadku syntezy fragmenty Okazaki „pilnują”, aby enzym po ukończeniu syntezy każdego fragmentu działał prawidłowo i dalej posuwał się ruchem „ślizgowym” po matrycy. Wszystkie białka uczestniczące w replikacji tworzą duży kompleks wieloenzymatyczny, przesuwający się wzdłuż DNA, co umożliwia skoordynowanie syntezy obu potomnych nici DNA.
Rainhardt