Replicarea ADN-ului, cunoscută și sub numele de replicare semiconservativă, este procesul prin care ADN-ul este practic dublat. Este un proces important care are loc în cadrul celulei care se divide.
În acest articol, vom examina pe scurt structura ADN-ului, etapele precise implicate în replicarea ADN-ului (inițiere, alungire și terminare) și consecințele clinice care pot apărea atunci când acest lucru merge prost.
Structura ADN-ului
ADN-ul este alcătuit din milioane de nucleotide. Acestea sunt molecule compuse dintr-un zahăr deoxiriboză, la care sunt atașate un fosfat și o bază (sau nucleoază). Aceste nucleotide sunt atașate unele de altele în șiruri prin intermediul legăturilor fosfodiesterice pentru a forma o „coloană vertebrală zahăr-fosfat”. Legătura formată este între al treilea atom de carbon de pe zahărul dezoxiriboză al unei nucleotide (denumit în continuare 3′) și al cincilea atom de carbon al unui alt zahăr de pe următoarea nucleotidă (denumit 5′).
N.B.: 3′ se pronunță „trei prime”, iar 5′ se pronunță „cinci prime”.
Există două șiruri care se deplasează în direcții opuse sau antiparalele unul față de celălalt. Acestea sunt atașate una de cealaltă pe toată lungimea șirului prin intermediul bazelor de pe fiecare nucleotid. Există 4 baze diferite asociate cu ADN-ul; citosina, guanina, adenina și timina. În șirurile normale de ADN, citosina se leagă de guanină, iar adenina se leagă de timină. Cele două șiruri formează împreună un dublu helix.
Fig 1.0 – Structura ARN-ului și a ADN-uluiEtapele replicării ADN-ului
Replicarea ADN-ului poate fi gândită în trei etape; Inițiere, Alungire, Terminare
Inițiere
Sinteza ADN-ului este inițiată în anumite puncte din șirul de ADN cunoscute sub numele de „origini”, care sunt regiuni de codare specifice. Aceste origini sunt vizate de proteinele inițiatoare, care continuă să recruteze mai multe proteine care ajută la procesul de replicare, formând un complex de replicare în jurul originii ADN. Există mai multe situsuri de origine, iar atunci când începe replicarea ADN-ului, aceste situsuri sunt denumite furci de replicare.
În cadrul complexului de replicare se află enzima ADN-elicază, care derulează dublul helix și expune fiecare dintre cele două șiruri, astfel încât acestea să poată fi folosite ca șablon pentru replicare. Face acest lucru prin hidroliza ATP-ului folosit pentru a forma legăturile dintre nucleobaze, rupând astfel legătura care ține cele două șiruri împreună.
ADN-primaza este o altă enzimă care este importantă în replicarea ADN-ului. Aceasta sintetizează un mic primer de ARN, care acționează ca un „starter” pentru ADN polimeraza. ADN Polimeraza este enzima care este în cele din urmă responsabilă pentru crearea și extinderea noilor șiruri de ADN.
Alungire
După ce ADN Polimeraza s-a atașat la cele două șiruri originale, desfăcute, de ADN (adică șirurile șablon), poate începe să sintetizeze noul ADN pentru a se potrivi cu șabloanele. Este esențial să rețineți că ADN polimeraza este capabilă să extindă amorsa doar prin adăugarea de nucleotide libere la capătul 3′.
Unul dintre șabloane este citit în direcția 3′ spre 5′, ceea ce înseamnă că noul șir va fi format în direcția 5′ spre 3′. Acest șir nou format se numește șir conducător. De-a lungul acestei șiruri, ADN-primaza trebuie să sintetizeze un primer de ARN doar o singură dată, la început, pentru a iniția ADN-polimeraza. Acest lucru se datorează faptului că ADN Polimeraza este capabilă să extindă noua catenă de ADN prin citirea șablonului de la 3′ la 5′, sintetizând într-o direcție de la 5′ la 3′, așa cum s-a menționat mai sus.
Cu toate acestea, cealaltă catenă șablon (catena conducătoare) este antiparalelă și, prin urmare, este citită într-o direcție de la 5′ la 3′. Sinteza continuă a ADN-ului, ca în cazul șirului conducător, ar trebui să se facă în direcția 3′ către 5′, ceea ce este imposibil, deoarece nu putem adăuga baze la capătul 5′. În schimb, pe măsură ce elicea se derulează, primeri de ARN sunt adăugați la bazele nou expuse de pe filamentul întârziat, iar sinteza ADN are loc în fragmente, dar tot în direcția 5′ – 3′, ca înainte. Aceste fragmente sunt cunoscute sub numele de fragmente Okazaki.
Terminare
Procesul de extindere a noilor șiruri de ADN continuă până când fie nu mai există nici un șablon de ADN care să fie replicat (adică la capătul cromozomului), fie două furci de replicare se întâlnesc și se termină ulterior. Întâlnirea a două furci de replicare nu este reglementată și are loc în mod aleatoriu de-a lungul cursului cromozomului.
După ce sinteza ADN-ului s-a terminat, este important ca șirurile nou sintetizate să fie legate și stabilizate. În ceea ce privește șirul întârziat, sunt necesare două enzime pentru a realiza acest lucru; ARNaza H îndepărtează amorsa de ARN care se află la începutul fiecărui fragment Okazaki, iar ADN-ligazele unesc fragmentele pentru a crea un singur șir complet.
Fig 2.0 – Reprezentarea schematică a replicării ADN-ului
Relevanță clinică – Anemia cu celule secerătoare
Anemia cu celule secerătoare este o afecțiune autozomal recesivă care este cauzată de o singură substituție de bază, în care doar o bază este schimbată cu alta. În unele cazuri, acest lucru poate duce la o „mutație silențioasă”, în care gena în ansamblu nu este afectată, însă în boli precum anemia celulelor secerătoare are ca rezultat faptul că catena codifică o proteină diferită.
În acest caz, o bază adenină este schimbată cu o bază timină într-una dintre genele care codifică hemoglobina; acest lucru duce la înlocuirea acidului glutamic cu valină. Atunci când aceasta este transcrisă într-un lanț polipeptidic, proprietățile pe care le posedă se schimbă radical, deoarece acidul glutamic este hidrofil, în timp ce valina este hidrofobă. Această regiune hidrofobă face ca hemoglobina să aibă o structură anormală care poate provoca blocaje ale capilarelor, ceea ce duce la ischemie și, eventual, la necroza țesuturilor și a organelor – acest lucru este cunoscut sub numele de criză vaso-ocluzivă.
Aceste crize sunt de obicei tratate cu o varietate de medicamente pentru durere, inclusiv opioide și AINS, în funcție de gravitate. În situații de urgență pot fi necesare transfuzii de globule roșii, de exemplu, dacă blocajul se produce la nivelul plămânilor.
Fig 3.0 – Diferența de structură dintre globulele roșii normale, și cele afectate de boala celulelor secerătoare.