Репликација на ДНК

Репликација или удвојување (од ''replica'' што значи ''примерок'') — процес во генетиката со кој молекулата на ДНК се удвојува. Оваа активност се случува во интерфазата од клеточниот циклус и преку неа клетките кои ќе се добијат од клеточната делба го наследуваат целокупниот геном, односно целосниот сет од гени присутни во еден организам. Кај еукариотите, молекулите на ДНК кои го градат геномот се поврзани со белковини и влегуваат во состав на хромозомите, од кои секој содржи единечна линеарна ДНК-молекула. Еукариотските хромозоми се наоѓаат во клеточното јадро. Геномите на бактериските клетки (прокариоти), кај кои отсуствува јадрото, се најчесто кружни ДНК-молекули (наречени плазмиди) кои се поврзуваат со посебни структури во клеточната мембрана (означени како епизоми). И покрај големата еволуциска разлика помеѓу прокариотите и еукариотите која се мери во милиони години, одликите на процесот на репликација се зачувани и се многу слични кај двете големи групи на живи организми.
1 Општ осврт
ДНК-молекулите кои ги градат геномите на бактериите и еукариотските клетки се двоверижни молекули кај кои секоја верига (или ланец) се состои од подединици наречени нуклеотиди. Овие нуклеотиди имаат насока (правец) на протегање, на сличен начин како што стрелата има глава и опашка. Во ДНК-ланците, главата е 3′ (три прим) крајот на ланецот, додека опашката е 5′ (пет прим). Двете вериги од ДНК се протегаат во спротивен правец и се замотуваат една околу друга во двојна завојница (двојна спирала), при што се држат заедно со водородни врски помеѓу базните парови од нуклеотидите (аденин се спарува со тимин, а гванин со цитозин).
За време на репликацијата, ланците се одмотуваат со помош на ензим наречен ДНК-хеликаза, така што нова верига од ДНК се синтетизира на секоја од старите (шаблонски) вериги од страна на ензимот ДНК-полимераза, кој ги поврзува надоаѓачките нуклеотиди од цитоплазмата во последователност (низа) која, пак, е одредена од низата на нуклеотиди присутни на старата, шаблонска или мајчина верига. За репликацијата на ДНК се вели дека е полуконзервативна, бидејќи секоја од двете идентични ќеркини молекули содржи една од двете мајчини шаблонски вериги (спротивната) која е спарена со нова верига. Прокариотската репликација може да трае само дваесетина минути, додека еукариотската е значително подолга и трае околу осум часа кај цицачите.
2 Почетна фаза од репликацијата
Репликацијата на ДНК започнува на посебни места наречени ''изворни места'' (origins) на ДНК-репликацијата. Еукариотските ДНК-молекули содржат повеќе репликациски изворни места, сместени во интервали од околу 100.000 базни парови (100 килобази на парови или 100 kb) долж ДНК молекулата. Постојат 6 билиони базни парови во човечкиот геном, сместени на 46 хромозоми, па според овој податок, секој хромозом ќе има многу изворни места за репликација. Прокариотските хромозоми најчесто имаат едно изворно место.
Репликациските изворни места се составени од посебни низи на ДНК кои се препознаваат по репликациските зачетнички белковини, кои се врзуваат за изворните низи за да помогнат во подредувањето на другите белковини потребни за ДНК-репликација на овие места. Еукариотската зачетничка белковина е комплекс кој се состои од шест различни подединици означени со името ''изворен признавачки комплекс'' (origin recognition complex или ORC). Бактерискиот зачетнички белковина е наречен ДНК-А белковина. Времетраењето на репликацијата е зависно од подредувањето на комплексите на изворните места.
Одделните етапи од почетната фаза на репликацијата се подобро проучени кај бактериите отколку кај еукариотите, но неколку клучни етапи се заеднички за двете групи. ''Првата етапа'' е промена во конформацијата на зачетничката белковина, што предизвикува ограничено „топење“ (така се нарекува одделувањето на двете вериги) на двоспиралната ДНК веднаш до врзувачкото место за зачетничкиот белковина. По ова, на комплексот ДНК ланец-зачетник се приклучуваат уште две белковини, и тоа ДНК-хеликаза и ДНК-примаза. Почетната етапа на репликацијата започнува со активација на хеликазата и примазата, како и со понатамошното вклучување на ДНК-полимеразата. Кај прокариотите постои друга форма на овој ензим - ДНК-полимераза III. Вклучени се и други белковини (види понатаму).
3 Репликациска виљушка
Одделувањето на двете шаблонски вериги и синтезата на нови ќеркини ДНК-молекули создава подвижна ''репликациска виљушка''. Во неа, двоспиралната ДНК постојано се одмотува и се копира. Одмотувањето на ДНК создава посебни проблеми за кои може да се направи аналогија. На пример, за раскинување на две жици кои се цврсто обвиени меѓусебно потребно е енергија. Веќе одделените жици се стремат кон повторно замотување, а местото на кое настанало раскинувањето станува уште посвиено.
Белковините од репликациската виљушка се наменети за решавање на гореспоменатите проблеми. ДНК-полимеразите не се способни да ја одмотаат двоспиралната ДНК-молекула, за што е потребно енергија за да се раскинат водородните врски помеѓу базните парови кои ги држат веригите заедно. Оваа задача ја обавува ДНК-хеликазата, која ја користи енергијата од АТП за да ја одмота шаблонската ДНК. Потоа единечните вериги се врзуваат со врзувачка белковина за единечна верига (означен како SSB, single-strand binding protein кај бактериите и RPA кај еукариотите). Оваа белковина го спречува повторното спирализирање на веригите. Одмотаната ДНК која се создава по репликациската виљушка се стреми да ротира и да се свива. За да се спречи ова, постои еден ензим означен како ДНК-гираза (кај бактериите) или топоизомераза (кај еукариотите), кој ја исправува и одржува веригата.
4 Водечки низи и неводечки низи
Координираната синтеза на две ќеркини низи задава важен проблем при ДНК-репликацијата. Двете мајчини (родителски или парентални) низи од ДНК се протегаат во спротивни насоки, едната од 5′ до 3′ крајот, а другата од 3′ до 5′ крајот. Меѓутоа, сите познати ДНК-полимерази ја катализираат синтезата на ДНК само во еден правец - од 5′ кон 3′ крајот, додавајќи нуклеотиди само на 3′ крајот на растечката верига. Доколку ќеркините вериги се синтетизираат континуирано (без престан), тогаш тие би морале да се синтетизираат во спротивен правец, но ова не се случува.
Решението на овој проблем е во тоа што се согледало дека само една од двете ќеркини вериги, означена како водечка низа, се синтетизира непрестајно во правец на движењето на репликациската виљушка (од 5′ кон 3′ крајот). Втората ќеркина верига, означена како неводечка (следечка) нишка, се создава дисконтинуирано во мали сегменти, наречени Оказакиеви фрагменти. Секој Оказакиев фрагмент се создава во правецот 5′-3′ од страна на ензимот ДНК-полимераза, чиј правец на синтеза е обратен во споредба со целосното движење на репликациската виљушка. Потоа, овие фрагменти се спојуваат со помош на ензимот наречен ДНК-лигаза.