Replikacija DNK

Replikacija DNK ili autoreprodukcija DNK, je sposobnost DNK da se samoobnavlja, tj. da kontrolira produkciju sopstvenih kopija. Pritom, novonastali lanci imaju izvorni raspored nukleotida, odnosno gena. Nakon podjele dvolančane molekule DNK na dva polulanca (u toku ćelijske diobe), svaki od njih, od slobodnih nukleotida, nadoknađuje komplementarni polinukleotidni lanac. Tako se svaka potomačka molekula DNK, ustvari, sastoji od jednog izvornog roditeljskog i jednog novosintetiziranog komplementarnog polulanca (parnjaka).^{[1][2][3][4][5][6]}

Replikacija DNK
Dvostruki heliks je razmotan i svaki polulanac nukleotida postaje matrica za naredni polulanac.
Nukleotid su komplementarno upareni za sintezu novih − partnerskih polulanaca.

Polazišta

Osobenost svakog nukleotida određuje prisutna azotna baza, budući da se ona javlja u četiri različite varijante, dok su njegove ostale dvije komponente uvijek istovjetne: pentozni šećer dezoksiriboza i fosfatna grupa. Od dušičnih baza u nukleotidima DNK se alternativno nalaze purni: adenin (A) i guanin (G) i pirimidini: citozin (C) i timin (T), po kojima se i cijele strukture označavaju kao adeninski, guaninski, citozinski i timinski nukleotidi. Unutar molekule nukleotida središnji položaj ima šećer, a pošto se za njega dušična baza veže bočno (prema komplementarnom polulancu), kostur polinukleotidnog lanca čini naizmjenični slijed karika: dezoksiriboza – fosfatna grupa – dezoksiriboza – fosfatna grupa –→... Jedan zavoj spirale čini dio polulanca od 10 parova pentoza – fosfatna grupa (3,4 nm = 3,4 x 10–6 mm). Dva ovakva polulanca nukleotida međusobno su spojena paralelnim “prečkama” – vodikovim vezama preko komplementarnih azotnih baza istog nivoa. Ova komplementarnost je dosljedna cijelom dužinom polimera, a ogleda se u tome što se adenin uvijek veže sa timinom, a guanin sa citozinom, sa četiri moguće varijante veza među polulancima DNK: A–T i T–A, te G–C i C–G.

Imajući u vidu tu pravilnost, redoslijed nukleotida u jednom polulancu precizno je uslovljen i određen komplementarnim nizom njegovog parnjaka. Prema toj [[genetika|genetičkoj konstanti, ukupni broj molekula adenina u svakom lancu DNK (pa i u ćeliji i organizmu) jednak je broju molekula timina, a guanina ima onoliko koliko i citozina. Stalnost ukupne količine DNK po jednoj ćeliji je jedna od osnovnih genetičkih karakteristika svake vrste organizma, što se odnosi i na međusobni omjer A–T : G–C nukleotidnih parova. Opisana struktura i organizacija genetičkog materijala na molekulskom nivou omogućava tri njegove najbitnije i osobene biološke funkcije, a to su:

• (1) autokataliza (autoreprodukcija – proizvodnja sopstvenih kopija),
• (2) heterokataliza (kontrola procesa metabolizma –proizvodnja drugih supstanci) i
• (3) mutabilnost (promjenljivost).

Proces

Proces replikacije omogućava dvolančana struktura DNK. Dva međusobno komplementarna i antiparalelna lanca se odvajaju slično patent-zatvaraču, a prikupljaju se i aktiviraju nukleotidi iz okolne citoplazme. Pritom neke sekvence DNK imaju osoben afinitet za proteine koji vežu DNK (eng. DNA binding proteins) i imaju veliku ulogu u replikaciji, ali i tokom transkripcije.

Izvorni, roditeljski lanci, odnosno polulanci njihovih nukleotida služe kao matrice za sintezu novonastajućih molekula. Po jedan polulanac iz te DNK nalazi se u jednoj od dvije novonastale molekule, tj. vaka od novosintetiziranih molekula sadrži po jedan polulanac roditeljske DNK i jedan novi lanac nukleotida nove DNK (model semikonzervativna replikacija). Smjer polimeriziranja roditeljskog polulanca je od 5' - 3' kraj lanca DNK.

Sintezu nedostajućeg lanca nukleotida kataliziraju enzimi, od kojih najvažniju ulogu imaju nukleaza, ligaza i polimeraza.

Tu funkciju ostvaruju pronalaženjem komplementarne bazu iz okoline za odgovarajuću poziciju matričnog polulanca, kompletirajući novi lanac DNK. Svaka baza (nukleotid) roditeljskog polulanca određuje bazu na novom − komplementarnom lancu nukleotida. Tako u ćeliji, samoobnaljanjem u stanici repliciranjem nastaju dvije nove kopije sopstvene DNK.

Transkripcija u RNK lanac, za razliku od replikacije DNK, uključuje bazu uracil (U) na mjestima gdje se, u DNK lancu, javlja timin (T).

Replikacija DNK: U replikacijsku viljušku uključeni su mnogi enzimi

crveno 1 − Tromi lanac

crveno 2 − Vodeći lanac

3 − DNK polimeraza (Polα)

4 − DNK-ligaza

5 − DNK začetnica (prajmer)

6 − DNK-primaza

7 − Okazakijev fragment

8 − DNK-polimeraza (Polδ)

9 − Helikaza

10 − Proteini koji vežu DNK

11 − Topoizomeraza

Glavne faze repliciranja DNK su:

• odmotavanje i razdvajanje polinukleotidnih lanaca dvostruke spirale nukleotida,
• komplementarno uparivanje baza i
• polimerizacija nukleotida.

DNK se autoreproducira počevši od mjesta zvanog ishodište replikacije, koje je kod malih molekula kao kod prokariota, virusa ili organela samo jedno, a kod eukariotskih organizama ih je na hiljade više. Replicirajuću molekula ili njen dio označava se kao replikon. Dvostruka spirala se odmotava pod katalitičkim uticajem enzima topoizomeraze i DNK helikaze. Područje sinteteze DNK molekula imenovano je kao replikacijske rašlje (vilice). One se protežu u suprotnim pravcima od ishodišnog mjesta replikacije.

U rašljama se vodeći lanac sintetizira u smjeru odvijanja komplementacije i kontinuirano. Sinteza na ovom kalupu je u smjeru 3' - 5'. Ovaj proces katalizira enzim DNK polimeraza, po principu komplementarnog uparivanja baza. Za razliku od vodećeg lanca, usporeni lanac DNK se sintetizira suprotno od kretanja replikacijske rašlje i diskontinuirano, komplementiranje na ovom kalupu je u smjeru 5' - 3',

U ovom procesu, najprije nastaju Okazakijevi fragmenti − kratki segmenti DNK. Sintetiziraju se unazad u odnosu a smjer kretanja replikacijskih rašlji. Svaki fragment se sintetizira tako da se prvo sintetizira tzv. prajmer (eng. primar) ili začetnica u vidu kratke sekvence DNK. Daljnji tok procesa kataliziraju DNK polimeraze, koje zatim popravljaju svaku grešku u ugrađivanju nekog pogrešnog nukleotid na pogrešno mjesto u molekuli DNK. Zatim nukleaze i polimeraze uklanjaju prajmere. Djelovanjem DNK ligaze međusobno se spajaju Okazakijevi fragmenti. Za razliku od snteze DNK, gdje postoji sistem ispravljanja (reparacije) pogreški (što osigurava istovjetnost kopije) prilikom sinteze RNK ga nema pa kod nekih organizama kao što su RNK virusi nastaju relativno česte mutacije.

Replikacijski proteini (enzimi)

Na replikacijsku viljušku, pristižu mnogi replikacijski enzimi DNK , u složenu molekulsku mašineriju zvanu replisom. Sljedi popis glavnih enzima koji učestvuju u u replisomu, u procesu replikacije DNK.^[7]

Enzim	Funkcija u replikaciji DNK
DNK-helikaza	Poznata i kao heliks-destabilizirajući enzim; Razmotava dvostruku spiralu DNK na replikacijskoj račvi.
DNK-polimeraza	Gradi novi polulanac dvojne spirale DNK, dodavanjem nukleotida u smjeru 5' to 3'. Također vrši lekturu i korekcije grešaka. Postoje različite vrste DNK polimeraza, od kojih svaka obavlja različite funkcije u različitim vrstama ćelija.
DNK „obujmica“ (obuhvatnica)	Protein koji sprečava DNK polimerazu III da razgradi roditeljski polulanac DNK.
Proteini koji kataliziraju jednostruko-jednostrano vezivanje	Vezivanje za ssDNK i spriječavanje oponovnog stapanja dvojne spirale DNK, nakon što je odmota DNK helikaza, na taj način održavajući odvajanje lanca, tj. olakšava sintezu i nastajanja dvostrukog lanca.
Topoisomeraza	Relaksira DNK njene superspiralizovane prirode.
DNK-giraza	Ublažava napor odmotavanja DNK heliksa; ovo je specifična vrsta topoizomeraze.
DNK-ligaza	Ponovno skraćuje semikonservativne lance i veže Okazaki fragmente ligantovog lanca.
Primaza	Ostvaruje startnu tačku RNK (ili DNK) za DNK polimerazu za početak sinteze novog DNK lanca.
Telomeraza	Izduživanje telomerne DNK dodavanjem ponavljajućih nukleotidnih sekvenci na krajeve fine strukture eukariotskih hromosoma. Omogućava klicne i matične ćelije da izbjegnu Hayflickov limit diobe.[8]

Reference

1. Hadžiselimović R. (2005): Bioantropologija – Biodiverzitet recentnog čovjeka. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-2-6.
2. Hadžiselimović R., Pojskić N. (2005): Uvod u humanu imunogenetiku. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-3-4.
3. Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 978-9958-9344-8-3.
4. Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-1-8.
5. K(2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 978-9958-9344-8-3.
6. Sofradžija A., Šoljan D., Hadžiselimović R. (1996): Biologija 1, Svjetlost, Sarajevo, ISBN 9958-10-686-8.
7. Griffiths A. J. F., Wessler S. R., Lewontin R. C., Carroll S. B. (2008): Introton to genetic analysis. W. H. Freeman and Company, San Francisco, ISBN 0-7167-6887-9.
8. http://science.howstuffworks.com/life/genetic/hayflick-limit.htm%7Ctitle%5B%5D = Will the Hayflick limit keep us from living forever?|date = |access-date = January 20, 2015 |website Howstuffworks|publisher = |last = |first = }}

Također pogledajte

• Nukleotid
• Nukleinske kiseline
• DNK