Autor: Anna Kurcek

Replikacja DNA to proces samopowielania się cząsteczki kwasu dezoksyrybonukleinowego. Zachodzi ona podczas fazy S interfazy, czyli fazy międzypodziałowej, a jej celem jest wyposażenie komórek potomnych w kompletną informację genetyczną.

Istnieją trzy teoretyczne modele przebiegu procesu replikacji:
• semikonserwatywny, czyli replikacja półzachowawcza - nowopowstała podwójna helisa składa się z jednej nici nowodobudowanej i jednej pochodzącej z macierzystej cząsteczki;
• konserwatywny - replikacja zachodzi bez rozplatania podwójnej helisy. Każda jej nić stanowi matrycę dla nowego DNA. Powstają dwie cząsteczki: nienaruszona macierzysta oraz potomna - w całości zbudowana z nowych nici;
• przypadkowy - każda nić cząsteczki macierzystej ulega podziałowi, a powstałe w ten sposób fragmenty, przemieszane w cząsteczkach potomnych służą jako matryce dla nowych nici.


Rys. 1. Rozmieszczenie starych i nowych nici w cząsteczkach DNA – model konserwatywny, semikonserwatywny i przypadkowy

W 1958 roku M. Meselson i F. Stahl wykazali prawdziwość semikonserwatywnego modelu replikacji. W swoich badaniach wykorzystali oni różnice w gęstości cząsteczek DNA syntetyzowanych przez bakterie hodowane na pożywkach zawierających różne izotopy azotu: ¹⁴N i cięższy ¹⁵N. Charakterystyczny układ pasków uzyskany po ich wirowaniu wykluczył możliwość występowania modelu przypadkowego i konserwatywnego.

Substratami do syntezy nowej nici są trifosfonukleotydy. Rozerwanie dwóch wysokoenergetycznych wiązań fosforanowych dostarcza energii potrzebnej do utworzenia wiązania estrowego między kwasem fosforowym a dezoksyrybozą. W ten sposób powstają również nukleotydy zawierające jedną grupę fosforanową i budujące cząsteczkę DNA. Ilość błędów popełnianych podczas replikacji jest bardzo mała, dzięki istnieniu specjalnych mechanizmów korekcyjnych, usuwających nieprawidłowe nukleotydy.

Replikacja rozpoczyna się w specjalnych obszarach zwanych miejscami inicjacji replikacji – ori (z ang. origin, czyli początek). Do nich to przyłączają się enzymy replikacyjne. U bakterii występuje tylko jedno takie miejsce, zaś u Eucaryota jest ich wiele.
Rozpoczęcie replikacji wymaga syntezy krótkich starterów RNA (1-60 nukleotydów), które później są usuwane i zastępowane odpowiednimi fragmentami DNA. Nowe odcinki DNA tworzone są w widełkach replikacyjnych, czyli miejscach w których macierzysta cząsteczka rozdwaja się na dwie nowe nici.
Replikacja jest dwukierunkowa – tzn. przebiega jednocześnie na dwóch niciach. Nowe łańcuchy syntetyzowane są zawsze w kierunku od 5’ do 3’. Wydłużanie nici wiodącej odbywa się w sposób ciągły, zgodnie z ruchem widełek replikacyjnych. Nić opóźniona syntetyzowana jest w kierunku przeciwnym, w sposób nieciągły, poprzez łączenie fragmentów Okazaki.
U Eucaryota replikacja kończy się w momencie zetknięcia się ze sobą widełek replikacyjnych wędrujących w różnych kierunkach. U Procaryota terminację wyznacza specyficzna sekwencja ter.

Białka biorące udział w procesie replikacji tworzą wieloenzymatyczny aparat, który jest umiejscowiony w widełkach replikacyjnych - replisom. W jego skład wchodzą:
• topoizomeraza – rozplata strukturę podwójnej helisy DNA;
• helikaza - rozrywa wiązania wodorowe między nićmi matrycowego DNA;
• prymaza – syntetyzuje startery RNA;
• polimeraza DNA – jest odpowiedzialna za poprawną syntezę nowych nici;
• białka wiążące jednoniciowy DNA – przeciwdziałają ponownemu połączeniu się rozplecionych łańcuchów;
• nukleaza DNA – usuwa startery;
• ligaza DNA- łączy fragmenty Okazaki, katalizuje tworzenie się wiązania fosfodiestrowego między grupą 3’-OH, a grupą 5’-fosforanową. Proces ten wymaga nakładu energii, zgromadzonej głównie w ATP;
• naprawcza polimeraza – dobudowuje DNA w miejscu usuniętych starterów.


Rys. 2. Schemat procesu replikacji

Literatura:
• Andrzej Jerzmanowski, Krzysztof Starań, Cezary W. Korczak „Biologia z higieną i ochrona środowiska – Podręcznik dla klasy czwartej liceum ogólnokształcącego o profilu biologiczno-chemicznym”; Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne Warszawa 1994;
• Bruce Alberts „DNA replication and recombination”; Nature 421, 431-435(23 January 2003);
• Lubert Stryer “Biochemia”; Wydawnictwo Naukowe PWN; Warszawa 2003;
• Jerzy Bal „Biologia molekularna w medycynie; Elementy genetyki klinicznej”; Wydawnictwo Naukowe PWN; Warszawa 2001.