Replikacja DNA w komórkach prokariotycznych

Replikacja

Replikacja jest procesem syntezy DNA, w trakcie którego podwójna nić DNA (podwójna helisa) ulega skopiowaniu i powieleniu. Ma charakter semikonserwatywny (półzachowawczy). Oznacza to, iż w czasie podziału komórki każda z dwu nici DNA spełnia rolę matrycy do syntezy drugiej nici.

Substratami tego procesu są:

• matryca DNA;

• trifosforany deoksyrybonukleotydów (dNTP);

• ATP - energia dla helikaz.

Nukleotydy zużywane w procesie replikacji układają się na nici matrycowej zachowując regułę komplementarności zasad. Powstaje w ten sposób hybryda złożona z jednej nici starej pochodzącej z komórki macierzystej i jednej nici nowej (potomnej). Synteza potomnego DNA związana jest ściśle z rozwijaniem się rodzicielskiego DNA. Miejsce jednoczesnego rozwijania i syntezy DNA nazywane jest widełkami replikacyjnymi.

W czasie syntezy DNA zużywane są deoksyrybonukleotydy trifosforanowe. Do rozpoczęcia syntezy łańcucha DNA niezbędny jest starter (primer). Jest to łańcuch oligonukleotydowy złożony z 2 do 10 nukleotydów, który jest syntetyzowany przez enzym – prymazę. Przed zakończeniem syntezy łańcucha polinukleotydowego starter jest usuwany.

Replikacja u Prokaryota

Obie nici macierzystej cząsteczki DNA decydują o sekwencji nukleotydów. Dostępność obu nici, jako matryc zapewnia helikaza, która rozplata podwójną helisę. W czasie tego procesu zużywana jest energia pod postacią ATP. Czasowe utrzymanie formy jednoniciowej umożliwiają białka określane skrótem SSB o budowie tetramerycznej. Nić matrycowa wiąże starter poprzez wiązania wodorowe powstające między komplementarnymi zasadami.

Matrycowy DNA ma postać kolistej cząsteczki, a polimeraza DNA, która wydłuża primer poprzez dobudowywanie kolejnych nukleotydów, występuje w trzech formach: I, II, III. Wszystkie typy polimeraz charakteryzują się następującymi cechami:

• katalizują syntezę DNA z deoksyrybonukleotydów trifosforanowych

• wykorzystują nić DNA jako matrycę

• wymagają startera posiadającego wolną grupę 3`- OH

• wydłużają łańcuch DNA zawsze w kierunku 5`→ 3`

• wykazują aktywność egzonukleazową 3`→ 5`

Zasadnicza część łańcucha DNA jest syntetyzowana przez polimerazę III. Polimeraza I usuwa startery i uzupełnia niewypełnione przerwy. Polimeraza II nie uczestniczy w replikacji, bierze natomiast udział w naprawie uszkodzeń DNA. Jedna z nici potomnych nazywana nicią prowadzącą jest syntetyzowana w sposób ciągły przez 1 cząsteczkę polimerazy III. Druga nić potomna – nić opóźniona powstaje w postaci fragmentów po około 1000 nukleotydów, zwanych fragmentami Okazaki. Jedna cząsteczka polimerazy III tworzy kilka tysięcy wiązań fosfodiestrowych z prędkością około 1000 wiązań na sekundę. Polimeraza III występuje w postaci dimeru, w którym jedna podjednostka syntetyzuje nić prowadzącą, a druga nić opóźnioną.

Równoczesna synteza DNA na obydwu niciach matrycowych jest realizowana dzięki zawinięciu nici opóźnionej w pętlę.

Polimeraza I wykazuje trzy aktywności enzymatyczne dzięki temu, iż cząsteczka tego białka zawiera 3 miejsca aktywne: polimerazowe, 3`→5`- egzonuklezowe i 5`→3`- egzonukleazowe. Enzym ten działa 100 razy wolniej niż polimeraza III. Wbudowuje około 10 nukleotydów na sekundę. Jedna cząsteczka enzymu wytwarza około 20 wiązań fosfodiestrowych, a następnie odłącza się od matrycy. Trzy charakterystyczne aktywności enzymatyczne chronią powstający DNA przed wbudowaniem niewłaściwego nukleotydu. Aktywność 3`→5`- nukleazowa usuwa pojedyncze nukleotydy, natomiast aktywność 5`→3` - nukleazowa usuwa zarówno pojedyncze nukleotydy, a także oligonukleotydy. Ta aktywność ma istotne znaczenie przy usuwaniu startera, uczestniczy ponadto w naprawie błędów w replikacji i uszkodzeń DNA (np. usuwa dimery pirymidyn powstałe pod wpływem promieniowania UV).

Poszczególne fragmenty łańcucha polinukloetydowego zespala ligaza DNA. Gyraza DNA formuje strukturę przestrzenną nowej, dwuniciowej cząsteczki DNA.

Literatura:

1. Edward Bańkowski ( 2009) – „Biochemia. Podręcznik dla studentów uczelni medycznych”

2. Lubert Stryer ( 1997) – „Biochemia”

3. www.wikipedia.pl