Replicare

Replicare

Copierea: Mișto pentru ADN, mișto pentru noi

Pe vremea când unii dintre colegii lui Shmoop erau la școală, profesorii îi prindeau mereu copiind. Dar, colegii de clasă le-au spus profesorilor lor că era în ADN-ul lor să copieze. Nu putea să contrazică această logică, așa că nu au avut niciodată probleme. Ce povestioară drăguță!

Ce paralelă încercăm să facem cu această poveste nu foarte subtilă și banală? ADN-ul copiază tot timpul, și trebuie să o facă dacă vrea să continue să creeze toate acele celule. Și, oh, cum o face! Replicarea ADN-ului este copierea ADN-ului astfel încât celulele care se replică să aibă suficient ADN pentru celulele fiice, sau pentru noile celule derivate din celula originală. Diviziunea celulară, sau transformarea unei celule în două celule noi, are loc prin mitoză pentru celulele care nu sunt de sex, sau acele celule care nu sunt implicate în… sex, și prin meioză pentru celulele de sex, sau acele celule care fac sex mai repede decât Vinny și Pauly D într-o noapte bună la Karma.

Este doar o fază: Mitoză sau meioză

Deși celulele vin în toate formele și mărimile, ca o reclamă Benetton, există în principiu două tipuri de celule:

1. Celule sexuale (nu, nu acele lucruri din Amsterdam)
2. Celule somatice (celule non-sexuale, care, de asemenea, nu sunt acele lucruri din Amsterdam)

Celele sexuale sunt celulele care produc urmașii eucariotelor care se reproduc pe cale sexuală și se împart în următoarele:

Celulele sexuale sunt celulele care produc urmașii eucariotelor care se reproduc pe cale sexuală:

1. Cele de spermatozoizi care conțin jumătatea masculină a ADN-ului
2. Cele de ovule care conțin jumătatea feminină a ADN-ului

Există patru etape majore în ciclul de viață al majorității celulelor eucariote (cu excepția celulelor sexuale).

Acestea se numesc

• Faza Gap 1 (sau G1)
• Faza de sinteză (sau „S”)
• Faza Gap 2 (G2)
• Mitoza

Și, nu, Gap nu sponsorizează mitoza. Fazele G1, S și G2 sunt numite în mod normal „interfază”, mai ales de către persoanele care studiază mitoza. Deși, dacă le primești singuri, ei le numesc „faza plictisitoare.”

G1

G1 este faza ciclului de viață eucariot după mitoză și înainte de sinteza ADN, care este faza S. În timpul mitozei, cea mai mare parte a activității care nu ține de mitoză a fost oprită, iar G1 este perioada în care totul începe din nou. G1 este ca un insomniac nebun care trezește celula spunând: „Hei, am tăiat cupoane toată noaptea, e timpul să te trezești și să te joci cu mine!”

Faza S

Faza S este faza de replicare a ADN-ului din ciclul de viață. Vom vorbi mai mult despre acest lucru mai târziu, dar dacă nu puteți aștepta, dați click mai departe. Această fază este cea în care celula își dublează cantitatea de ADN pentru a produce suficient ADN pentru celulele fiice, iar celula trece de la 2n la 4n, unde n este numărul de seturi de cromozomi, sau ploidia. Majoritatea celulelor somatice sunt 2n, sau diploide, în timp ce celulele sexuale sunt haploide, ceea ce înseamnă că au jumătate din cantitatea de ADN față de celulele somatice (celule obișnuite).

Faza G2

G2 este faza Jan Brady a ciclului celular. Toată lumea vorbește mereu despre „Mitoză, mitoză, mitoză, mitoză!” și nimănui nu-i pasă de bietul G2. Este perioada din ciclul celular în care are loc mai multă sinteză de proteine și se formează microtubuli, care sunt importanți pentru mitoză. „Asta e tot?” Vă întrebați? Da. Nu este chiar atât de important, motiv pentru care multe celule sar peste această etapă. Celulele de broască o sar, la fel ca și multe celule canceroase. Săraca G2…

Mitoza

Mitoza este etapa din ciclul celular care este atât de importantă, încât are un ciclu propriu. Mitoza începe după G2 și începe cu profaza, sau condensarea cromatinei în cromozomi și centrozomi care se deplasează spre polii opuși ai celulei. Această etapă este urmată de stadiul de prometafază, un stadiu intermediar între profază și metafază, în care învelișul nuclear se descompune și cromozomii încep să se asambleze pe microtuburi care conectează centrosomii. Metafaza este momentul în care toți cromozomii sunt aliniați în centru, fiind urmată de anafază, în care cromozomii sunt împărțiți în două, iar cromatidele fiice se deplasează către cel mai apropiat pol al centrosomului. Telofaza și citochineza sunt etapele finale ale diviziunii celulare și, respectiv, reasamblarea nucleului în două celule fiice.

Meoza

Meipoza este faza M pentru celulele sexuale. Începe ca și mitoza și, după producerea primelor două celule fiice, continuă un al doilea ciclu de mitoză. Cele 2n celule fiice se divid în continuare pentru a produce 4 celule fiice și o mulțime de nunți supraevaluate, fiecare cu n cromozomi.

La începuturi…originile replicării ADN-ului

Dacă ADN-ul nu s-ar replica niciodată, meioza și mitoza ar înjumătăți încet dimensiunea genomului până când fiecare celulă ar muri, ceea ce probabil nu ar dura mult timp. Prin urmare, este important ca ADN-ul să se dubleze pentru a ține cont de divizarea celulelor în timpul mitozei/miorizei. Replicarea ADN-ului este similară cu transcripția ARN-ului.

Mai jos este un tabel care le compară pe cele două:

	Replicarea ADN-ului	Transcripția ARN-ului
Produs	Dupla-dublu șir de ADN	ARNm
Enzima	ADN polimeraza	ARN polimeraza
Nucleotide Adăugat	Trifosfați de deoxinucleotide	Trifosfați de nucleotide
Template Strand	Both	Both, dar se transcrie numai din șirul antisens

Cum se numesc locurile unde începe replicarea? Origini. Am fi vrut să-i fi spus Războiul Stelelor Episodul I: Amenințarea Fantomă, dar acest nume era deja luat.

Originele diferă în funcție de tipul de ADN. Majoritatea celulelor eucariote și unele bacterii și virusuri au ADN liniar, ceea ce înseamnă că există un început și un sfârșit al secvenței de ADN. Prin urmare, originile de replicare se află la capătul 5′ al ADN-ului liniar. Majoritatea bacteriilor și unii viruși au ADN circular, ceea ce înseamnă că există o secvență specifică la care se leagă proteinele de replicare a ADN-ului (ceea ce este oarecum analog cu transcripția ARN-ului), iar replicarea începe de la acest sit.

Replicarea ADN-ului începe cu legarea unei proteine inițiatoare, cum ar fi dnaA în bacteria E. coli, sau un complex de proteine, cum ar fi complexul de recunoaștere a originii în drojdie. Funcția inițiatorilor este de a despărți cele două șiruri de ADN, astfel încât replicarea să poată începe. Această situație nu este diferită de un cric care vă ridică mașina atunci când schimbați o anvelopă. (Pentru că știm cu toții cum să facem asta, nu-i așa?) Dacă nu știți cum să schimbați o anvelopă, atunci sunați la o firmă de tractări auto și întrebați-i cum o fac ei. După ce îți spun cum, țipă: „Este exact ca și replicarea ADN-ului!”, închideți telefonul și apoi rugați-vă să nu mai aveți niciodată nevoie să schimbați o anvelopă.

După ce ADN-ul a fost despărțit, intră primeri de ARN, unul se leagă de fiecare catenă de ADN, iar apoi replicarea ADN-ului se desfășoară în direcția 5′ spre 3′. Este important să realizăm că există două replicări de la 5′ la 3′ care au loc simultan. Aceste două replicări se numesc fiecare o furcă de replicare. A nu se confunda cu lingura de duplicare.

Pasarea furcii de replicare

Când divizăm ADN-ul, avem un catenar care este de la 5′ la 3′, după cum privim de la stânga la dreapta, pe care îl vom numi catenar „întârziat” și un catenar complementar care citește de la 3′ la 5′, după cum privim de la stânga la dreapta, pe care îl vom numi catenar „conducător”. Prin urmare, atunci când adăugăm amorsă de ARN, o amorsă se leagă de șirul conducător, iar cealaltă amorsă se leagă de șirul întârziat. Primerul care se leagă de șirul principal este identic cu secvența șirului secundar, în timp ce primerul care se leagă de șirul secundar este identic cu secvența șirului principal. Sperăm că nu v-a explodat încă capul.

Gândiți-vă la replicarea ADN-ului ca la mâna stângă și mâna dreaptă. Ele sunt în esență la fel, dar au diferențe subtile. Mâna ta stângă are degetul mare ca fiind al cincilea deget dacă numeri de la stânga la dreapta, în timp ce mâna ta dreaptă are degetul mare ca fiind primul deget. Vedeți? Îmi pare rău dacă v-am dat peste cap. Prin urmare, la fel ca și mâinile tale, ambele șiruri de ADN se replică în același mod, dar există o diferență subtilă. Replicarea ADN-ului funcționează doar în direcția 5′ spre 3′, astfel încât două molecule de ADN polimerază se leagă de primerii ARN și încep să se reproducă în direcții opuse. Replicarea șirului conducător conduce procesul de replicare deoarece primerul ARN conduce replicarea șirului 5′ spre 3′.

„Dar Shmoop, cum se replică șirul „întârziat”?”, ați putea întreba.

După cum sugerează și numele, replicarea ADN a șirului conducător continuă pentru o anumită perioadă de timp până când se inserează o nouă amorsă de ARN, iar o a doua ADN polimerază se amorsează de la această a doua amorsă de ARN întârziată și replică ADN până când atinge prima amorsă de ARN, sau porțiunea anterioară de ADN bicatenar. Acolo, ADN-polimeraza se oprește, iar ADN-legaza unește aceste fragmente de ADN. Acest proces continuă simultan cu sinteza catenei conducătoare, astfel încât există multe fragmente mici de ADN dublu catenar care se replică pe catena întârziată. Acestea se numesc fragmente Okazaki, după duo-ul soț și soție, Reiji și Tsuneko Okazaki, care le-au descoperit.

Are We Done Yet?

Replicarea ADN-ului se termină la bacteriile și virușii cu genomuri circulare atunci când cele două furci de replicare se întâlnesc pe partea opusă a cromozomului față de originea replicării, într-un magnific joc al găinii. Proteina curajoasă de terminare a replicării intervine și oprește replicarea ADN-ului pentru ca acestea să nu se ciocnească una de cealaltă. Cu toate acestea, mecanismul de terminare conduce la doi cromozomi circulari întrepătrunși, lipiți unul de celălalt ca inelele unui magician. Enzimele topoizomerazei, cum ar fi ADN-girasa și topoizomeraza IV, care sunt responsabile de tăierea ADN-ului, taie temporar un cromozom pentru ca celălalt să poată trece prin el. Iată că stricăm trucurile de magie pentru toată lumea.

Animarea scurtării cromozomului liniar

Cromozomii liniari au un alt set de probleme, deoarece cu aceștia nu ajungem niciodată la replicarea completă a cromozomului complet. Fiecare etapă de replicare scurtează ADN-ul un pic mai mult. Bacteriile și virușii cu cromozomi liniari ocolesc această problemă fie prin

• Inițierea replicării în centrul cromozomului, fie prin

• Primarea replicării cu o proteină în loc de o secvență de amorsă ARN.

Eucariotele nu sunt însă capabile să facă niciuna dintre aceste lucruri și au evoluat secvențe terminatoare numite telomeri care ocolesc problema scurtării ADN-ului.

Extremitățile ADN-ului eucariot liniar se numesc telomeri și, deși sunt scurtate în mod regulat la fiecare ciclu de replicare, enzimele numite telomeraze rezolvă problema scurtării ADN-ului. Telomerii sunt foarte repetitivi, iar telomerazele adaugă secvențe scurte pentru a prelungi capătul ADN-ului, astfel încât acestea să nu devină prea scurte și să nu se piardă părți importante din secvența ADN. Telomerazele sunt transcriptaze inverse sau enzime (ne putem da seama după -ase) care convertesc ARN-ul în ADN. Pentru mai multe informații, consultați secțiunea „Spiderman și alte exemple de ADN recombinant”.

Telomerazele iau o secvență scurtă de ARN, o convertesc în secvență de ADN bicatenar și o atașează la capătul ADN-ului. Există o lungime minimă pe care telomerii trebuie să o mențină, iar dacă secvența de ADN este mai scurtă decât lungimea minimă, numită limita Hayflick, celula moare. Telomerazele asigură faptul că celula poate continua să se reproducă și să se dividă la nesfârșit. Și, hiperactivitatea telomerazelor este în mod obișnuit legată de cancer, deoarece celulele devin nemuritoare, precum The Highlander.

Whoops, Mistakes Were Made: Proofreading and Repair

Probabil că vă gândiți: „ADN polimeraza se crede atât de grozavă pentru că replică tot ADN-ul din corpul meu pentru ca eu să pot supraviețui și să continui să trec prin mitoză și meioză”. OK, Suntem siguri că cei mai mulți dintre voi nu se gândesc la asta, dar haideți să le facem jocul celor câțiva oameni care cred asta.

De fapt, ADN polimeraza nu este atât de grozavă! Face greșeli la fel ca tine sau ca Shmoop – deși greșelile noastre sunt în mare parte produse de prea multe băuturi energizante de 5 ore amestecate cu Twinkies prăjite. Cu toate acestea, ADN polimeraza trebuie să repare aceste greșeli, în timp ce noi, cei de la Shmoop, intrăm într-o comă indusă de zahăr.

Cîteodată, în graba replicării ADN-ului, se adaugă la secvență o bază greșită care nu se împerechează corect cu șuvița șablon. Prin urmare, obținem perechi de baze G-T sau A-G ciudate. Ne amintim cu toții că perechile normale sunt G-C și A-T (Eh? Ce este asta?). Aceste perechi incorecte nu sunt bune pentru noi, deoarece înseamnă că genele noastre sunt mutate, iar noi devenim mutanți. Puține mutații duc la lucruri grozave, cum ar fi teleportarea sau vederea cu laser… sau orice altceva din X-Men. La naiba.

Eucariote mari ca noi, care se replică încet și trăiesc mult, nu doresc să se producă prea multe mutații. De ce? Orice mutație care ne afectează creșterea este de obicei… nu este bună… și ne va face rău. Față tristă.

Cu toate acestea, organismele mai mici, cum ar fi bacteriile, virușii și chiar muștele, au cicluri de viață scurte, de ordinul zilelor și, uneori, al orelor. Ei se replică ca nebunii, unde fiecare nouă generație va avea cu 100-1000 de indivizi mai mulți decât generația anterioară. Prin urmare, mutațiile în cazul lor pot fi mai avantajoase. Uneori, ele vor dori să scape de pesticide, antibiotice sau medicamente concepute pentru a le trata/ ucide, motiv pentru care este atât de greu să faci un medicament care să ne împiedice să ne îmbolnăvim. Bacteriile și virușii continuă să sufere mutații și să se reproducă. Și, după cum am observat deja, există puțin control al erorilor în polimerazele lor.

Brain Snack

Iată un video frumos despre cum funcționează de fapt replicarea ADN-ului.

Puteți identifica polimerazele ADN? Ele sunt sferele multicolore, una pentru șirul conducător și una pentru șirul întârziat. Polimerazele de pe filamentul întârziat sunt cele care intră și apoi se desprind atunci când filamentul dublu este completat.