DNA: n replikoitumista , joka tunnetaan DNA: n päällekkäisyys on prosessi, jossa DNA syntetisoidaan DNA-polymeraasilla . Tämän mekanismin avulla on mahdollista saada DNA-molekyylistä kaksi molekyyliä, jotka ovat identtisiä alkuperäisen molekyylin kanssa, jotta ne jakautuisivat kahteen tytärsoluun mitoosin aikana .
Koska vanhempien DNA: n kaksi ketjua erotetaan ja muodostuu kaksi uutta molekyyliä, tätä prosessia kutsutaan puolikonservatiiviseksi.
DNA: lla on tärkeä ominaisuus, että se voidaan toistaa samalla, jonka avulla geneettistä informaatiota lähetettävän äiti solusta tytärsoluihin solunjakautumisen aikana. DNA-molekyyli avautuu kuin vetoketju (tai vetokieleke - rikkomalla vetysidokset pariksi muodostuneiden heikkojen sidospohjien välillä) vapauttaen kaksi komplementaarista säikettä. Kukin yksinäinen juoste katalysoi sitten puuttuvan puoliskonsa synteesin, integroimalla emäksen komplementaarisäännön mukaan nukleotidit, jotka ovat dispergoituneet ytimeen . Täten jokainen uusi molekyyli on identtinen alkuperäisen DNA-molekyylin kanssa.
Replikointi alkaa tietyistä paikoista: replikaation alkuperästä . Replikaation aloituskertoimet tunnistavat nämä paikat proteiineista. Näiden initiaatiotekijöiden tehtävänä on helpottaa muiden proteiinien sitoutumista, jotka myös kiinnittyvät näihin replikaation alkuihin. Nämä proteiinit mahdollistavat kahden DNA-juosteen avaamisen ja siten "paljastavat" replikaatiohaarukat .
Suuri määrä proteiineja osallistuu DNA-replikaation molekyylimekanismiin, joka muodostaa replikomiksi kutsutun entsyymireplikaatiokompleksin . DNA-replikaatioon osallistuvat entsyymit ja proteiinit ovat homologisia eukaryooteissa ja arkeissa, mutta niillä on hyvin erilaiset aminohapposekvenssit bakteereissa . Bakteeriproteiinien ja eukaryoottiproteiinien välillä on kuitenkin sekä toiminnallisesti että rakenteellisesti silmiinpistäviä homologioita, mikä osoittaa, että replikaatiomekanismit ovat analogisia.
DNA- juoste, joka toimii replikaation templaattina, on vanhempien juoste . Vanhemman juosteen täydentävä uusi juoste on vasta muodostunut juoste . Replikaation päätyttyä kukin kahdesta äskettäin muodostetusta DNA-molekyylistä koostuu vanhemman juosteesta ja vasta muodostuneesta juosteesta. Tätä prosessia kutsutaan puolikonservatiiviseksi . Meselsonin ja Stahlin kokemus vuonna 1958 osoitti tämän.
DNA-replikaatio alkaa yhdestä replikaation aloituskohdasta ja etenee siitä eteenpäin edestakaisin, mikä luo kaksi replikaatiohaarukkaa. DNA-replikaation sanotaan olevan kaksisuuntainen .
Biologiassa termiä replikoituva silmä viittaa muotoon, jota DNA-molekyyli edustaa replikaationsa aikana. Tämä replikaatio tapahtuu, kun DNA on kromatiinitilassa, interfaasin S-vaiheen aikana. DNA yleensä muodoltaan kahden kierretty kaksoiskierre, mutta replikaation aikana, tämä muoto muuttuu dramaattisesti. Todellakin, replikointi alkaa ansiosta yksi tai useampia replikaation aloituskohtia , jotka ovat spesifisiä nukleotidisekvenssejä tunnustettu replikaation proteiineja. Nämä proteiinit kiinnittyvät replikaation alkuperään ja erottavat kaksi DNA-säiettä, jotka muodostavat replikaation ”silmän”.
Huomaa, että jokainen nukleofilamentti (toisin sanoen DNA-molekyyli) replikoituu ja antaa kaksi identtistä nukleofilamenttia, jotka ovat sidoksissa sentromeerin tasolle. Tämän replikaation, joka säilyttää yhden alkuperäisen DNA-molekyylin juosteen kussakin tytär-DNA-molekyylissä, sanotaan olevan puolikonservatiivinen. Tätä kutsutaan kromosomiksi, joka koostuu kahdesta kromatidista. Katso lisätietoja välivaiheesta .
Replikaatiohaarukka on DNA: n muodon muutos. Kun muodostuu replikoituva silmä, mukana on muita entsyymejä, helikaaseja. Nämä entsyymit kiinnittyvät replikoituvan silmän päihin ja topoisomeraasi alkaa purkaa DNA: ta supertornien poistamiseksi. Helikaasi irrottaa kaksi säiettä voidakseen kasvattaa replikoituvan silmän kokoa. Tällöin helikaasit muuttavat replikoituvien silmien päät Y-muotoon, jota kutsutaan replikaatiohaarukoiksi.
Replikaatiohaarukka on rakenne, joka muodostuu, kun DNA replikoituu, ja johon DNA-polymeraasi kiinnittyy. DNA-polymeraasi on entsyymi, joka katalysoi nukleotidisidosten muodostumista. Replikaatioon osallistuvaa entsyymikompleksia kutsutaan replikaasiksi.
Replikaatio voidaan jakaa kolmeen päävaiheeseen: initiaatio, venymä ja päättyminen.
Replikaation aloittaminen tapahtuu replikaation aloituskohdassa. Bakteerikromosomissa on vain yksi replikaation aloituskohta, kun taas eukaryooteissa on useita (Archaeassa alkuperien lukumäärä vaihtelee yhdestä kolmeen lajista riippuen). Ensimmäinen vaihe alkaa kiinnittämällä DnaA- proteiini (proteiini, joka pystyy tunnistamaan nämä alkuperät) replikaation aloituskohtaan. Se seuraa DNA: n kiertymistä proteiinin ympärillä, joka aiheuttaa kahden juosteen paikallisen denaturoitumisen 3 peräkkäisen 13 bp: n toiston tasolla. Helikaasi juoksee ja erottaa säikeet molempiin suuntiin rikkomalla vetysidoksia (tai "vety siltoja") kahden DNA-säikeiden kaksoiskierre. Täten luodaan kaksi replikaatiohaarukkaa, jotka rajaavat replikointisilmän. Muut proteiinit sitoutuvat näin muodostuneeseen yksijuosteiseen (yksijuosteiseen) DNA: han ja estävät kaksoiskierteen uudistumisen. Nämä ovat SSB- proteiineja ( yksijuosteinen sitoutuminen ) bakteereissa ja RPA-proteiineja eukaryooteissa ja arkeissa. Kahden replikaatiohaarukan kummallakin puolella, gyrase (luokan II topoisomeraasi) poistaa replikoituvan silmän muodostumisesta syntyvät positiiviset päällirakenteet.
Prokaryooteissa helikaasista ja primaasista koostuvaa multientsymaattista kompleksia kutsutaan primosomiksi .
Tässä vaiheessa muodostuu replikomi ja syntetisoidaan DNA. DNA: n pidentyminen etenee aina luomassa olevan juosteen 5'-3'-suuntaan . Tämä on DNA-polymeraasi , joka lisää deoksiribonukleotideja muodostuvan molekyylin 3'- päähän . DNA: n kaksoiskierteen kaksi säikettä on kuitenkin kelattu vastakkaisiin suuntiin: ne ovat rinnakkaisia. Siksi on olemassa erilaisia mekanismeja riippuen replikoidusta DNA-juosteesta.
Täten on olemassa "suora säike" tai "varhainen säie" ( johtava juoste ) ja "epäsuora säie", tai "viivästynyt" tai "myöhäinen" ( viivästynyt säie ):
→ Prokaryootissa Okazaki-fragmentit ovat 1000 - 2000 emästä, ja eukaryootissa ne ovat noin 200 emästä.
DNA-polymeraasi tarvitsee aluketta toimiakseen, koska se alkaa syntetisoida vasta vapaan 3'OH-pään kautta. Ja juuri RNA-aluke antaa tämän vapaan pään. RNA: n läsnäolo tässä selitetään sillä, että vain kaksi entsyymiä voi syntetisoida nukleotidiketjuja: RNA-polymeraasi ja DNA-polymeraasi. Tässä tapauksessa DNA-polymeraasi ei voi toimia ilman aluketta, vaan RNA ottaa haltuun tarvittavan alukkeen tuottamisen. Primaasia todellakin luoda näitä RNA alukkeita . Joten RNA-DNA-liitosten viivästyneellä juosteella on, joka myöhemmin poistetaan RNaasi H: lla . Spesifiset DNA-polymeraasit täyttävät sitten RNA: n jättämät aukot.
Muut entsyymit ovat välttämättömiä replikaation moitteettomalle toiminnalle. Koska histonien sijoittaminen kromatiiniin säätelee geenien ilmentymistä , chaperone-proteiinit erottavat histonit DNA: sta ennen replikointia ja asettavat ne takaisin samoihin paikkoihin myöhemmin. Polymeraasit säilyvät vanhempien DNA postitse proteiineja ja liukuvan pidikkeen proteiineja. Se on eukaryoottien ja arkeoiden PCNA ja bakteerien b-alayksikkö. Helikaasi rikkoo H -sidoksia näiden kahden juosteen välillä, ja SSB-proteiineja liittää yksijuosteisen DNA: n suola joukkovelkakirjoja, estää parannusta sidosten näiden kahden juosteen välillä. Helikaasia edeltävään kaksisäikeiseen DNA: han on kiinnitetty topoisomeraasi I, joka tekee mahdolliseksi välttää kierteet, joita kaksiketjuinen helikaasi avaa (kuten merkkijonolle, josta kaksi säiettä on erotettu) leikkaamalla yksi säikeistä ja juottamalla se sitten kelautumisen jälkeen. Topoisomeraasi II sitoutuu yhteen tytär-DNA-molekyyleistä, ja jakamalla sen kaksi säiettä, se mahdollistaa kahden tytär-DNA: n irtoamisen. Sitten se hitsaa uudelleen (kun toinen molekyyli on kulkenut muodostuneen aukon läpi) hajotetun molekyylin.
Tämä vaihe vastaa replikoinnin lopettamista, kun kaksi replikointihaarukkaa kohtaavat tai kun yksi haarukka kohtaa signaalin replikoinnin lopettamiseksi. On olemassa "ter": terA terD terB terC, joka hidastaa replikointihaarukoita.
Replikaation tarkkuus on erittäin korkea, ja se johtuu suurelta osin DNA-polymeraasista , joka sisältää nukleiiniemäkset Watson-Crick-parien (A-T, CG) komplementaarisuuden mukaan. Todellakin, tämä erittäin pieni DNA-polymeraasin virhesuhde replikaation aikana johtuu siitä, että replikatiivisilla DNA-polymeraaseilla on oikolukuaktiivisuus, jonka avulla ne voivat varmistaa, että viimeinen sisällytetty nukleotidi on todellakin oikea.
Virheen sattuessa DNA-polymeraasit (I ja III) korjaavat ne 3 '→ 5' -eksonukleaasiaktiivisuutensa avulla. Tämä antaa polymeraasille mahdollisuuden ottaa askel taaksepäin poistamalla väärä hydrolysoitu nukleotidi ja jatkamalla sitten DNA-juosteen synteesiä.
Ennen tätä DNA: n uudelleenlukemista virhesuhde on noin 10-5 (yksi virhe sadasta tuhannesta replikoidusta emäksestä), mikä on hyvin vähän, kun otetaan huomioon replikoitujen emästen lukumäärä sekunnissa, joka on noin 500 emästä sekunnissa bakteereissa. Toistovaihe laskee replikaatiovirhesuhteen arvoon noin 10-7 . Lopuksi virheet, jotka ovat mahdollisesti karanneet tämä ohjausmekanismi sitten korjataan kaksijuosteisen DNA: n tietyn yhteensopimattomuuden korjaus- tai MR ( yhteensopimattomuuden korjauksen ) mekanismi . Koko laite on siis erittäin tehokas järjestelmä, koska virhesuhde laskee noin yhteen mutaatioon 10 miljardia replikoitua emästä kohti.