Molekula DNA je struktura nacházející se na chromozomu. Jeden chromozom obsahuje jednu takovou molekulu sestávající ze dvou řetězců. Reduplikace DNA je přenos informací po vlastní reprodukci vláken z jedné molekuly do druhé. Je vlastní DNA i RNA. Tento článek pojednává o procesu reduplikace DNA.
Obecné informace a typy syntézy DNA
Je známo, že vlákna v molekule jsou zkroucená. Když však začne proces reduplikace DNA, despiralizují se, poté se přesunou do stran a na každé se syntetizuje nová kopie. Po dokončení se objeví dvě absolutně identické molekuly, z nichž každá obsahuje mateřské a dceřiné vlákno. Tato syntéza se nazývá semikonzervativní. Molekuly DNA se vzdalují, zatímco zůstávají v jediné centromeře a nakonec se rozcházejí, až když se tato centromera začne dělit.
Další typ syntézy se nazývá reparativní. Ten na rozdíl od předchozíhospojené s jakýmkoli buněčným stádiem, ale začíná, když dojde k poškození DNA. Pokud jsou příliš rozsáhlé, buňka nakonec odumře. Pokud je však poškození lokalizováno, lze jej opravit. V závislosti na problému podléhají obnově jeden nebo dva řetězce DNA. Tato, jak se také nazývá, neplánovaná syntéza netrvá dlouho a nevyžaduje velké náklady na energii.
Když však dojde k reduplikaci DNA, spotřebuje se mnoho energie, materiálu a její trvání se protáhne na hodiny.
Reduplikace je rozdělena na tři období:
- zahájení;
- elongation;
- ukončení.
Pojďme se blíže podívat na tuto sekvenci reduplikace DNA.
Zahájení
V lidské DNA je několik desítek milionů párů bází (u zvířat je jich pouze sto devět). Reduplikace DNA začíná na mnoha místech řetězce z následujících důvodů. Přibližně ve stejnou dobu dochází v RNA k transkripci, která je však při syntéze DNA suspendována na některých samostatných místech. Před takovým procesem se tedy v cytoplazmě buňky nahromadí dostatečné množství látky, aby byla zachována genová exprese a nebyla narušena vitální aktivita buňky. Vzhledem k tomu by měl být proces proveden co nejrychleji. Během tohoto období se provádí vysílání a neprovádí se přepis. Studie ukázaly, že k reduplikaci DNA dochází najednou v několika tisících bodech – malých oblastech s určitousekvence nukleotidů. Jsou spojeny speciálními iniciačními proteiny, které jsou zase spojeny dalšími enzymy replikace DNA.
Fragment DNA, kde dochází k syntéze, se nazývá replikon. Začíná od počátečního bodu a končí, když enzym dokončí replikaci. Replikon je autonomní a také dodává celému procesu vlastní podporu.
Proces nemusí začít ze všech bodů najednou, někde začíná dříve, někde později; může proudit jedním nebo dvěma opačnými směry. Události se při generování vyskytují v následujícím pořadí:
- replikační vidlice;
- Primér RNA.
Replikační vidlice
Tato část je proces, kterým jsou syntetizovány deoxyribonukleové řetězce na oddělených vláknech DNA. Vidlice tvoří tzv. reduplikační oko. Procesu předchází řada akcí:
- uvolnění z vazby na histony v nukleozomu – enzymy reduplikace DNA, jako je methylace, acetylace a fosforylace, produkují chemické reakce, které způsobují, že proteiny ztrácejí svůj kladný náboj, což usnadňuje jejich uvolňování;
- despiralizace je odvíjení, které je nutné k dalšímu uvolnění vláken;
- přerušení vodíkových vazeb mezi řetězci DNA;
- jejich divergence v různých směrech molekuly;
- fixace SSB proteiny.
RNA primer
Probíhá syntézaenzym zvaný DNA polymeráza. Nedokáže to však spustit sám, a tak to dělají jiné enzymy – RNA polymerázy, kterým se také říká RNA primery. Jsou syntetizovány paralelně s deoxyribonukleovými vlákny podle komplementárního principu. Iniciace tedy končí syntézou dvou primerů RNA na dvou řetězcích DNA, které jsou přerušeny a odděleny v různých směrech.
Prodloužení
Toto období začíná přidáním nukleotidu a 3' konce RNA primeru, které provádí již zmíněná DNA polymeráza. K prvnímu připojí druhý, třetí nukleotid a tak dále. Báze nového vlákna jsou spojeny s rodičovským řetězcem vodíkovými vazbami. Má se za to, že syntéza vlákna probíhá ve směru 5'-3'.
Tam, kde k nim dochází směrem k replikační vidlici, syntéza probíhá nepřetržitě a prodlužuje se přitom. Proto se takové vlákno nazývá vedení nebo vedení. RNA primery se na něm již netvoří.
Na opačném mateřském řetězci se však nukleotidy DNA nadále připojují k primeru RNA a deoxyribonukleový řetězec je syntetizován v opačném směru od reduplikační vidlice. V tomto případě se tomu říká zaostávání nebo zaostávání.
Na zaostávajícím řetězci dochází k syntéze fragmentárně, kde na konci jedné sekce začíná syntéza na jiném místě poblíž za použití stejného primeru RNA. Na zaostávajícím řetězci jsou tedy dva fragmenty, které jsou spojeny DNA a RNA. Říká se jim úlomky Okazaki.
Pak se vše opakuje. Poté se rozvine další závit šroubovice, vodíkové vazby se přeruší, vlákna se rozcházejí do stran, vedoucí vlákno se prodlouží, další fragment primeru RNA se syntetizuje na opožděném, po kterém se fragment Okazaki. Poté se na zaostávajícím řetězci zničí primery RNA a fragmenty DNA se spojí do jednoho. Takže na tomto okruhu se děje současně:
- tvorba nových primerů RNA;
- syntéza fragmentů Okazaki;
- zničení RNA primerů;
- sjednocení do jednoho jediného řetězce.
Ukončení
Proces pokračuje, dokud se nepotkají dvě replikační vidlice nebo jedna z nich nedosáhne konce molekuly. Poté, co se vidličky setkají, jsou dceřiná vlákna DNA spojena enzymem. V případě, že se vidlice přesunula na konec molekuly, končí reduplikace DNA pomocí speciálních enzymů.
Oprava
V tomto procesu hraje důležitou roli kontrola (nebo oprava) reduplikace. Všechny čtyři typy nukleotidů jsou dodávány do místa syntézy a zkušebním párováním DNA polymeráza vybere ty, které jsou potřeba.
Požadovaný nukleotid musí být schopen vytvořit tolik vodíkových vazeb jako stejný nukleotid na řetězci templátu DNA. Kromě toho musí existovat určitá konstantní vzdálenost mezi cukerno-fosfátovými hlavními řetězci, odpovídající třem kruhům ve dvou bázích. Pokud nukleotid tyto požadavky nesplňuje, spojení nenastane.
Kontrola se provádí před jeho zařazením do řetězce a předzahrnutí dalšího nukleotidu. Poté se vytvoří vazba v páteři fosforečnanu cukru.
Mutační variace
Mechanismus replikace DNA má navzdory vysokému procentu přesnosti vždy poruchy ve vláknech, které se nazývají hlavně „genové mutace“. Přibližně tisíc párů bází má jednu chybu, která se nazývá konvariantní reduplikace.
Stává se to z různých důvodů. Například při vysoké nebo příliš nízké koncentraci nukleotidů deaminace cytosinu, přítomnost mutagenů v oblasti syntézy a další. V některých případech mohou být chyby opraveny opravnými procesy, v jiných je oprava nemožná.
Pokud se poškození dotklo neaktivního místa, nebude mít chyba vážné následky, když dojde k procesu reduplikace DNA. Nukleotidová sekvence konkrétního genu se může objevit s nesprávným párováním. Pak je situace jiná a negativním výsledkem se může stát jak smrt této buňky, tak i smrt celého organismu. Je třeba také vzít v úvahu, že genové mutace jsou založeny na mutační variabilitě, díky čemuž je genofond plastičtější.
Methylation
V době syntézy nebo bezprostředně po ní dochází k methylaci řetězce. Předpokládá se, že u lidí je tento proces nezbytný pro vytvoření chromozomů a regulaci genové transkripce. U bakterií tento proces slouží k ochraně DNA před štěpením enzymy.
