Replikacja DNA, znana również jako replikacja półkonserwatywna, jest procesem, w którym DNA jest zasadniczo podwojony. Jest to ważny proces zachodzący w dzielącej się komórce.
W tym artykule przyjrzymy się pokrótce strukturze DNA, dokładnym etapom związanym z replikacją DNA (inicjacja, wydłużenie i zakończenie) oraz konsekwencjom klinicznym, które mogą wystąpić, gdy proces ten przebiega nieprawidłowo.
Struktura DNA
DNA składa się z milionów nukleotydów. Są to cząsteczki składające się z cukru deoksyrybozy, z fosforanem i zasadą (lub nukleobazą) dołączoną do niego. Nukleotydy te są połączone ze sobą w łańcuchy za pomocą wiązań fosfodiestrowych, tworząc „szkielet cukrowo-fosforanowy”. Utworzone wiązanie jest pomiędzy trzecim atomem węgla na cukrze deoksyrybozy jednego nukleotydu (odtąd znanym jako 3′) i piątym atomem węgla innego cukru na następnym nukleotydzie (znanym jako 5′).
N.B: 3′ wymawia się jako „trzy pierwsze”, a 5′ wymawia się jako „pięć pierwszych”.
Istnieją dwie nici biegnące w przeciwnych lub antyrównoległych kierunkach do siebie. Są one połączone ze sobą na całej długości nici poprzez zasady na każdym nukleotydzie. Istnieją 4 różne zasady związane z DNA: cytozyna, guanina, adenina i tymina. W normalnych niciach DNA, cytozyna wiąże się z guaniną, a adenina wiąże się z tyminą. Te dwie nici razem tworzą podwójną helisę.
Rys. 1.0 – Struktura RNA i DNAEtapy replikacji DNA
O replikacji DNA można myśleć w trzech etapach; Inicjacja, Elongacja, Zakończenie
Inicjacja
Synteza DNA jest inicjowana w określonych punktach w nici DNA zwanych „początkami”, które są specyficznymi regionami kodującymi. Miejsca te są ukierunkowane przez białka inicjujące, które następnie rekrutują więcej białek wspomagających proces replikacji, tworząc kompleks replikacyjny wokół miejsca pochodzenia DNA. Istnieje wiele miejsc pochodzenia, a kiedy rozpoczyna się replikacja DNA, miejsca te są określane jako widełki replikacyjne.
Wewnątrz kompleksu replikacyjnego znajduje się enzym Helicaza DNA, który odwija podwójną helisę i odsłania każdą z dwóch nici, aby mogły być użyte jako szablon do replikacji. Czyni to poprzez hydrolizę ATP używanego do tworzenia wiązań między nukleobazami, przerywając w ten sposób wiązanie utrzymujące dwie nici razem.
Prymaza DNA jest kolejnym enzymem, który jest ważny w replikacji DNA. Syntetyzuje ona mały primer RNA, który działa jako „kick-starter” dla polimerazy DNA. Polimeraza DNA jest enzymem, który jest ostatecznie odpowiedzialny za tworzenie i rozszerzanie nowych nici DNA.
Długość
Gdy Polimeraza DNA przyłączy się do oryginalnych, rozpakowanych dwóch nici DNA (tj. nici szablonu), jest w stanie rozpocząć syntezę nowego DNA, aby dopasować się do szablonów. Należy zauważyć, że polimeraza DNA jest w stanie przedłużyć primer tylko poprzez dodanie wolnych nukleotydów do 3′ końca.
Jeden z szablonów jest odczytywany w kierunku 3′ do 5′, co oznacza, że nowa nić zostanie utworzona w kierunku 5′ do 3′. Ta nowo utworzona nić jest określana jako nić wiodąca. Wzdłuż tej nici Primaza DNA musi tylko raz, na początku, zsyntetyzować primer RNA, aby zainicjować Polimerazę DNA. Dzieje się tak dlatego, że Polimeraza DNA jest w stanie przedłużyć nową nić DNA, odczytując szablon od 3′ do 5′, syntetyzując w kierunku od 5′ do 3′, jak zauważono powyżej.
Jednakże druga nić szablonu (nić opóźniająca) jest antyrównoległa, a zatem jest odczytywana w kierunku od 5′ do 3′. Ciągła synteza DNA, tak jak w przypadku nici wiodącej, musiałaby przebiegać w kierunku od 3′ do 5′, co jest niemożliwe, ponieważ nie możemy dodawać zasad do końca 5′. Zamiast tego, w miarę rozwijania się helisy, startery RNA są dodawane do nowo odsłoniętych zasad na nici opóźniającej i synteza DNA zachodzi fragmentarycznie, ale nadal w kierunku 5′ do 3′, tak jak poprzednio. Fragmenty te znane są jako fragmenty Okazaki.
Terminacja
Proces rozszerzania nowych nici DNA trwa do momentu, gdy albo nie pozostanie już żaden szablon DNA do replikacji (tj. na końcu chromosomu), albo dwa widelce replikacyjne spotkają się i następnie zakończą się. Spotkanie dwóch widełek replikacyjnych nie jest regulowane i zdarza się losowo wzdłuż przebiegu chromosomu.
Po zakończeniu syntezy DNA ważne jest, aby nowo zsyntetyzowane nici były związane i ustabilizowane. Jeśli chodzi o nić opóźniającą, potrzebne są do tego dwa enzymy; RNAaza H usuwa primer RNA, który znajduje się na początku każdego fragmentu Okazaki, a Ligaza DNA łączy fragmenty ze sobą, tworząc jedną kompletną nić.
Rys. 2.0 – Schematyczne przedstawienie replikacji DNA
Znaczenie kliniczne – Niedokrwistość sierpowatokrwinkowa
Dokrwistość sierpowatokrwinkowa jest chorobą dziedziczoną autosomalnie recesywnie, która jest spowodowana substytucją pojedynczej zasady, w której tylko jedna zasada jest zamieniona na inną. W niektórych przypadkach może to spowodować „cichą mutację”, w której ogólny gen nie jest dotknięty, jednak w chorobach takich jak niedokrwistość sierpowatokrwinkowa powoduje, że nić koduje inne białko.
W tym przypadku baza adeninowa jest zamieniona na bazę tyminową w jednym z genów kodujących hemoglobinę; powoduje to zastąpienie kwasu glutaminowego waliną. W wyniku tego kwas glutaminowy zostaje zastąpiony waliną. Podczas transkrypcji na łańcuch polipeptydowy jego właściwości ulegają radykalnej zmianie, ponieważ kwas glutaminowy jest hydrofilowy, podczas gdy walina jest hydrofobowa. Ten hydrofobowy region powoduje, że hemoglobina ma nieprawidłową strukturę, która może powodować blokowanie naczyń włosowatych prowadzące do niedokrwienia i potencjalnie martwicy tkanek i narządów – jest to znane jako kryzys naczyniowo-rozkurczowy.
Kryzysy te są zwykle zarządzane za pomocą różnych leków przeciwbólowych, w tym opioidów i NLPZ w zależności od ciężkości. Transfuzje czerwonych krwinek mogą być wymagane w nagłych przypadkach, na przykład jeśli zator występuje w płucach.
Rys. 3.0 – Różnica w budowie między prawidłowymi czerwonymi krwinkami, a tymi dotkniętymi chorobą sierpowatokrwinkową.
.