Replikacja

Replikacja

Kopiowanie: Cool for DNA, Cool for Us

Back when some of Shmoop’s classmates were in school, their teachers would always catch them copying. Ale koledzy z klasy powiedzieli swoim nauczycielom, że kopiowanie jest w ich DNA. Nie mogła się kłócić z tą logiką, więc nigdy nie wpadli w kłopoty. Co za miła, mała historia.

Jaką paralelę próbujemy narysować z tą nie tak subtelną i hokejową opowieścią? DNA kopiuje cały czas, i musi, jeśli chce nadal tworzyć te wszystkie komórki. I, och, jak to robi! Replikacja DNA to kopiowanie DNA w taki sposób, by replikujące się komórki miały wystarczająco dużo DNA dla komórek-córek, czyli nowych komórek pochodzących z pierwotnej komórki. Podział komórki, czyli tworzenie z jednej komórki dwóch nowych komórek, zachodzi poprzez mitozę dla komórek nieseksualnych, czyli tych, które nie są zaangażowane w… seks, i mejozę dla komórek seksualnych, czyli tych komórek, które się brudzą szybciej niż Vinny i Pauly D w dobrą noc w Karmie.

To tylko faza: Mitosis or Meiosis

Though cells come in all shapes and sizes, like a Benetton ad, there are basically two types of cells:

1. Komórki płciowe (nie, nie te rzeczy w Amsterdamie)
2. Komórki somatyczne (komórki nieseksualne, które również nie są rzeczami w Amsterdamie)

Komórki płciowe to komórki, które wytwarzają potomstwo eukariotów rozmnażających się płciowo, i dzielą się na:

1. Komórki plemnikowe, które zawierają męską połowę DNA
2. Komórki jajowe, które zawierają żeńską połowę DNA

W cyklu życiowym większości komórek eukariotycznych (z wyłączeniem komórek płciowych) wyróżnia się cztery główne etapy.

Nazywa się je

• Faza G1 (lub G1)
• Faza syntezy (lub „S”)
• Faza G2 (lub G2)
• Mitoza

I nie, Gap nie sponsoruje mitozy. Fazy G1, S i G2 są zwykle nazywane „interfazą”, głównie przez ludzi, którzy badają mitozę. Chociaż, jeśli dostaniesz je same, nazywają to „nudną fazą.”

G1

G1 jest fazą cyklu życia eukariotycznego po mitozie i przed syntezą DNA, która jest fazą S. Podczas mitozy większość aktywności nie związanych z mitozą została wyłączona, a G1 to okres, w którym wszystko zaczyna się od nowa. G1 jest jak szalona bezsenność, która budzi komórkę mówiąc: „Hej, całą noc odcinałem kupony, czas się obudzić i pobawić się ze mną!”

Faza S

Faza S jest fazą replikacji DNA w cyklu życia. Porozmawiamy o tym więcej później, ale jeśli nie możesz się doczekać, kliknij dalej. W tej fazie komórka podwaja ilość DNA, aby stworzyć wystarczającą ilość DNA dla komórek potomnych, a komórka przechodzi z 2n do 4n, gdzie n jest liczbą zestawów chromosomów, czyli ploidalnością. Większość komórek somatycznych jest 2n, lub diploidalna, podczas gdy komórki płciowe są haploidalne, co oznacza, że mają o połowę mniej DNA niż komórki somatyczne (zwykłe komórki).

Faza G2

G2 jest Mózgiem Jana cyklu komórkowego. Każdy zawsze idzie na temat „Mitoza, Mitoza, Mitoza!” i nikt nie dba o biednych G2. Jest to okres cyklu komórkowego, gdzie więcej syntezy białek występuje i mikrotubule są wykonane, które są ważne dla mitozy. „To wszystko?” Pytasz? Yup. Tak naprawdę nie jest to aż tak ważne, dlatego wiele komórek pomija ten etap. Komórki żab pomijają go, tak samo jak wiele komórek rakowych. Biedne G2…

Mitoza

Mitoza jest etapem cyklu komórkowego, który jest tak ważny, że ma swój własny cykl. Mitoza rozpoczyna się po G2, a zaczyna się od profazy, czyli kondensacji chromatyny w chromosomy i centrosomy poruszające się w kierunku przeciwległych biegunów komórki. Po tym etapie następuje prometafaza, etap pośredni między profazą a metafazą, w którym otoczka jądrowa pęka, a chromosomy zaczynają się układać w mikrotubule łączące centrosomy. W metafazie wszystkie chromosomy ustawiają się w centrum, po czym następuje anafaza, w której chromosomy dzielą się na pół, a chromatydy córki przemieszczają się do najbliższego bieguna centrosomu. Telofaza i cytokineza są ostatnimi etapami podziału komórki i ponownego połączenia jądra odpowiednio w dwie komórki córki.

Mejoza

Mejoza jest fazą M dla komórek płciowych. Rozpoczyna się podobnie jak mitoza, a po wytworzeniu dwóch pierwszych komórek potomnych kontynuuje drugi cykl mitozy. Komórki córki 2n dzielą się dalej, aby wyprodukować 4 komórki córki i wiele drogich ślubów, każda z n chromosomami.

Na początku…Początki replikacji DNA

Gdyby DNA nigdy się nie replikowało, mejoza i mitoza powoli zmniejszałyby rozmiar genomu o połowę, aż każda komórka by umarła, co prawdopodobnie nie trwałoby długo. Dlatego ważne jest, że DNA podwaja się, aby uwzględnić komórki dzielące się podczas mitozy/mejozy. Replikacja DNA jest podobna do transkrypcji RNA.

Poniżej jest tabela porównująca te dwa procesy:

	Replikacja DNA	RNA Transkrypcja
Produkt	Dwuniciowy.nić DNA	mRNA
Enzym	Polimeraza DNA	Polimeraza RNA
Nukleotydy Dodano	Trójfosforany deoksynukleotydów	Trójfosforany nukleotydów
Skrętka wzorcowa	Oba	Oba, ale transkrybuje tylko z nici antysensowej

Jak nazywasz miejsca, w których rozpoczyna się replikacja? Origins. Chcielibyśmy, żeby nazwali je Star Wars Episode I: The Phantom Menace, ale ta nazwa była już zajęta.

Originy różnią się w zależności od rodzaju DNA. Większość komórek eukariotycznych i niektóre bakterie i wirusy mają liniowe DNA, co oznacza, że istnieje początek i koniec sekwencji DNA. Dlatego początki replikacji to 5′ koniec liniowego DNA. Większość bakterii i niektóre wirusy mają kolisty DNA, co oznacza, że istnieje specyficzna sekwencja, z którą wiążą się białka replikacji DNA (co jest nieco analogiczne do transkrypcji RNA), a replikacja rozpoczyna się od tego miejsca.

Replikacja DNA rozpoczyna się od wiązania białka inicjującego, takiego jak dnaA u bakterii E. coli, lub kompleksu białek, jak kompleks rozpoznawania pochodzenia u drożdży. Funkcją inicjatorów jest rozerwanie dwóch nici DNA, tak aby replikacja mogła się rozpocząć. Ta sytuacja nie jest podobna do podnośnika, który podnosi samochód, gdy zmieniamy oponę. (Bo wszyscy wiemy, jak to się robi, prawda?) Jeśli nie wiesz, jak zmienić oponę, zadzwoń do firmy holowniczej i zapytaj, jak to robią. Gdy już ci powiedzą jak, krzyknij: „To jest dokładnie jak Replikacja DNA!” odłóż telefon, a następnie módl się, abyś już nigdy nie musiał zmieniać opony.

Po tym jak DNA zostało rozerwane, wchodzą startery RNA, jeden wiąże się z każdą nicią DNA, a następnie replikacja DNA przebiega w kierunku 5′ do 3′. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że istnieją dwie replikacje 5′ do 3′ zachodzące jednocześnie. Te dwie replikacje nazywane są widełkami replikacyjnymi. Nie należy ich mylić z łyżką duplikacyjną.

Przejście przez widełki replikacyjne

Kiedy rozszczepiamy DNA, mamy nić, która jest od 5′ do 3′, jak patrzymy od lewej do prawej, którą nazwiemy nicią „opóźniającą” i komplementarną nić, która jest od 3′ do 5′, jak patrzymy od lewej do prawej, którą nazwiemy nicią „wiodącą”. Dlatego, gdy dodajemy primery RNA, jeden primer wiąże się do nici wiodącej, a drugi do nici opóźniającej. Starter, który wiąże się do nici wiodącej jest identyczny z sekwencją nici opóźniającej, natomiast starter, który wiąże się do nici opóźniającej jest identyczny z sekwencją nici wiodącej. Mamy nadzieję, że twoja głowa jeszcze nie eksplodowała.

Pomyśl o replikacji DNA jak o lewej i prawej ręce. Są one zasadniczo takie same, ale mają subtelne różnice. Twoja lewa ręka ma kciuk jako piąty palec, jeśli liczysz od lewej do prawej, podczas gdy twoja prawa ręka ma kciuk jako pierwszy palec. Widzisz? Przepraszamy, jeśli zawróciliśmy ci w głowie. Dlatego, podobnie jak twoje ręce, obie nici DNA replikują się w ten sam sposób, ale jest pewna subtelna różnica. Replikacja DNA działa tylko w kierunku 5′ do 3′, więc dwie cząsteczki polimerazy DNA wiążą startery RNA i zaczynają replikować w przeciwnych kierunkach. Replikacja nici wiodącej napędza proces replikacji, ponieważ primer RNA napędza replikację nici od 5′ do 3′.

„Ale Shmoop, jak replikujesz 'lagging’ strand?” możesz zapytać.

Jak sama nazwa wskazuje, replikacja DNA wiodącej nici trwa przez jakiś czas, dopóki nie wstawi się nowy starter RNA, a druga polimeraza DNA primes z tego drugiego opóźnionego startera RNA i replikuje DNA, aż trafi na pierwszy starter RNA, lub poprzedni odcinek dwuniciowego DNA. Tam polimeraza DNA odpada, a ligaza DNA łączy te fragmenty DNA. Proces ten jest kontynuowany równocześnie z syntezą nici wiodącej, tak więc na nici opóźniającej znajduje się wiele małych replikujących się dwuniciowych fragmentów DNA. Są one nazywane fragmentami Okazaki, po duecie mąż i żona Reiji i Tsuneko Okazaki, którzy je odkryli.

Are We Done Yet?

Replikacja DNA kończy się u bakterii i wirusów z kolistymi genomami, gdy dwa widelce replikacyjne spotykają się po przeciwnej stronie chromosomu niż początek replikacji, we wspaniałej grze w kurczaka. Dzielne białko terminatora replikacji wkracza do akcji i wstrzymuje replikację DNA, aby nie zderzyły się ze sobą. Jednak mechanizm terminacji prowadzi do powstania dwóch zazębiających się kolistych chromosomów przyklejonych do siebie jak pierścienie magika. Enzymy topoizomerazy, takie jak gyraza DNA i topoizomeraza IV, odpowiedzialne za skubanie DNA, tymczasowo przecinają jeden chromosom, aby drugi mógł się przez niego przedostać. No i proszę, rujnowanie magicznych sztuczek dla każdego.

Animacja skracania chromosomów liniowych

Chromosomy liniowe mają inny zestaw problemów, ponieważ w ich przypadku nigdy nie osiągamy pełnej replikacji pełnego chromosomu. Każdy krok replikacji skraca DNA nieco bardziej. Bakterie i wirusy z liniowymi chromosomami obchodzą ten problem albo przez

• zapoczątkowanie replikacji w centrum chromosomu, albo przez

• zapoczątkowanie replikacji za pomocą białka zamiast sekwencji primera RNA.

Eukarionty nie są jednak w stanie zrobić żadnej z tych rzeczy i wykształciły sekwencje terminatorów zwane telomerami, które omijają problem skracania DNA.

Końce liniowego eukariotycznego DNA nazywane są telomerami i chociaż są regularnie skracane w każdym cyklu replikacji, enzymy zwane telomerami naprawiają problem skracania DNA. Telomery są wysoce powtarzalne, a telomerazy dodają krótkie sekwencje w celu wydłużenia końców DNA, tak aby nie stały się one zbyt krótkie i aby ważne części sekwencji DNA nie zostały utracone. Telomerazy są odwrotnymi transkryptazami, czyli enzymami (można to rozpoznać po końcówce -aza), które przekształcają RNA w DNA. Zobacz sekcję „Spiderman i inne przykłady rekombinowanego DNA”, aby dowiedzieć się więcej.

Telomerazy biorą krótką sekwencję RNA, przekształcają ją w dwuniciową sekwencję DNA i dołączają ją do końca DNA. Istnieje minimalna długość telomerów do utrzymania, a jeśli sekwencja DNA jest krótsza niż minimalna długość, zwana limitem Hayflicka, komórka umiera. Telomerazy zapewniają, że komórka może kontynuować replikację i podziały w nieskończoność. I, nadaktywność telomerazy jest powszechnie związane z rakiem, jak komórki stają się nieśmiertelne, jak The Highlander.

Whoops, Mistakes Were Made: Proofreading and Repair

Prawdopodobnie myślisz: „Polimeraza DNA myśli, że jest taka wspaniała, ponieważ replikuje całe DNA w moim ciele, dzięki czemu mogę przetrwać i kontynuować mitozę i mejozę”. OK, Jesteśmy pewni, że większość z was tak nie myśli, ale zabawmy się z garstką ludzi, którzy tak myślą.

Właściwie, polimeraza DNA nie jest taka wspaniała! Popełnia błędy jak ty czy Shmoop – chociaż nasze błędy są głównie produktami zbyt wielu 5-godzinnych napojów energetycznych zmieszanych z głęboko smażonymi Twinkies. Jednak polimeraza DNA musi naprawić te błędy, podczas gdy my w Shmoop zapadamy w śpiączkę wywołaną cukrem.

Czasami, w pośpiechu replikacji DNA, do sekwencji dodawana jest niewłaściwa baza, która nie łączy się prawidłowo w pary z nicią szablonu. Dlatego otrzymujemy dziwne pary zasad G-T lub A-G. Wszyscy pamiętamy, że normalne pary to G-C i A-T (Eh? Co to jest?). Te nieprawidłowe pary nie są dla nas dobre, ponieważ oznacza to, że nasze geny są zmutowane, a my stajemy się mutantami. Niewiele mutacji prowadzi do niesamowitych rzeczy, takich jak teleportacja czy laserowe widzenie… albo cokolwiek z X-Menów. Shucks.

Duże eukarionty jak my, które replikują się powoli i żyją długo, nie chcą, aby wiele mutacji się wydarzyło. Dlaczego? Każda mutacja, która wpływa na nasz wzrost, jest zwykle… niedobra… i zaszkodzi nam. Smutna mina.

Jednakże mniejsze organizmy, jak bakterie, wirusy, a nawet muchy, mają krótkie cykle życia w porządku dni, a czasem godzin. One replikują się jak szalone, gdzie każde nowe pokolenie będzie miało 100s-1000s więcej osobników niż poprzednie pokolenie. Dlatego mutacje w ich przypadkach mogą być bardziej korzystne. Czasami będą chciały uciec przed pestycydami, antybiotykami czy lekami mającymi je leczyć/zabijać, dlatego tak trudno jest stworzyć lek, który uchroni nas przed zachorowaniem. Bakterie i wirusy wciąż mutują i replikują się. I, jak już zauważyliśmy, jest mało kontroli błędów w ich polimerazach.

Przekąska dla mózgu

Tutaj jest zgrabny filmik jak replikacja DNA faktycznie działa.

Czy potrafisz zauważyć polimerazy DNA? Są to wielokolorowe kule, jedna dla nici wiodącej, a druga dla nici opóźniającej. Polimerazy nici opóźniającej to te, które wchodzą i odpadają, gdy podwójna nić jest ukończona.

.