W procesie replikacji, dzięki kontroli enzymów, do nowych nici DNA włączane są złe nukleotydy zaledwie co pięć miliardów razy.
Codziennie w ludzkim ciele tysiące razy dochodzi do przekazania informacji genetycznej powstającym na nowo komórkom. Żeby do tego doszło specjalne enzymy muszą skopiować nić DNA macierzystej komórki i na tej bazie stworzyć jądro o identycznym genomie.
Podział komórki jest jednym z najważniejszych procesów biologicznych zachodzących w ludzkim (i nie tylko) organizmie. Umożliwia on przekształcenie zygoty w kolejne stadia - moruli, blastuli, gastruli – aż do ukształtowania człowieka gotowego do życia. Po urodzeniu proces podziału komórek jest równie istotny - dzięki niemu niemowlaki rosną i rozwijają się. Również u osób dorosłych jest on bardzo istotny. Zapewnia stałą „dostawę” komórek skórze, naskórkom wyściełającym przewody pokarmowy i rozrodczy, krwi, mózgowi, kościom itp. Jednym słowem umożliwia życie. Aby rozwój zarodka, noworodka, dziecka, a potem dorosłego człowieka przebiegał prawidłowo, maszyneria biologiczna musi na podstawie starej komórki wytworzyć zupełnie nową o dokładnie takich samych cechach i właściwościach. Kluczowym dla tego procesem jest powielenie materiału genetycznego przechowywanego w komórkach. To on determinuje przeznaczenie danej komórki, czuwa nad jej metabolizmem i wytwarzaniem przez nią odpowiednich substancji oraz prawidłowym funkcjonowaniem. Informacja genetyczna w powstającej komórce musi być identyczna co w jądrze komórki macierzystej. Niedokładne powielenie genomu prowadzić może do bardzo niebezpiecznych dla życia zjawisk. W czasie wczesnego rozwoju zarodkowego kończy się najczęściej po prostu śmiercią zarodka lub powstaniem bardzo poważnych chorób genetycznych, takich jak zespół Downa, mukowiscydoza, zespół Turnera, zespół kociego krzyku, hemofilia, zespół Klinefeltera itp. Później błędy w kopiowaniu mogą skutkować równie groźnymi mutacjami, które prowadzą często do powstania różnego rodzaju nowotworów, w tym guzów złośliwych.
Materiał genetyczny w ludzkim ciele przechowywany jest m.in. w formie kwasu dezoksyrybonukleinowego. Składa się on z dwóch nici, w skład których wchodzi wiele setek nukleotydów. Nukleotyd to jednostka DNA zbudowana z cząsteczki cukru - deoksyrybozy, grupy fosforanowej oraz jednej z zasad azotowych – adeniny, cytozyny, tyminy, lub guaniny. W DNA nici składające się z nukleotydów są ze sobą skręcone i połączone wiązaniami wodorowymi, wytworzonymi pomiędzy zasadami azotowymi. Budowa dwuniciowej helisy DNA opiera się na zasadzie komplementarności. Każdej z zasad azotowych odpowiada konkretna zasada zlokalizowana na drugiej nici – adeninie tymina, a cytozynie – guanina i na odwrót. Dzięki temu znając skład jednej tylko nici kwasu dezoksyrybonukleinowego można zbudować drugą odpowiadającą jej. Na tym opiera się proces replikacji, czyli podwojenia materiału genetycznego – kluczowy moment podziału komórek.
W procesie replikacji bierze udział szereg enzymów – cząsteczek białka, które przeprowadzają procesy biologiczne i dbają o ich prawidłowy przebieg. W dublowanie materiału genetycznego zaangażowane są helikaza, kompleks polimeraz, ligaza, telomeraza i inne enzymy pomocnicze. Przeprowadzają one proces replikacji i dbają by komórka potomna otrzymała odpowiedni zestaw genów od komórki macierzystej. Replikacja dzieli się na trzy fazy: inicjacji, wydłużania i terminacji. Aby mogła się rozpocząć, odpowiednie enzymy muszą natrafić na miejsce ori (ang. replication origin). W miejscu tym następuje rozwinięcie dwuniciowego DNA przez helikazę i powstanie widełek replikacyjnych. Ponieważ na jednej nici DNA znajduje się na ogół dużo miejsc ori, w trakcie replikacji powstaje wiele widełek na raz. Na tym etapie do procesu włączają się enzymy zwane polimerazami DNA. Charakterystyczną cechą tego kompleksu jest wytwarzanie nici kwasu dezoksyrybonukleinowego z pojedynczych nukleotydów. Po rozwinięciu helisy na bazie jednej z nici macierzystej komórki budują one nić komplementarną do danej. Ponieważ synteza nici może odbywać się tylko w jednym kierunku, jedna z potomnych nici powstaje ciągle, zaś druga jest syntetyzowana niejako od tyłu, w kawałkach. Powstające fragmenty nazywają się fragmentami Okazaki. Synteza nici prowadzona ciągle kończy się wraz z przepisaniem nici matrycowej na nową. Potem następuje dopisanie nic nie znaczącej sekwencji nukleotydów, zwanej telomerem. Enzymem katalizującym powstanie tej „nadwyżki” jest telomeraza. Druga nić, ponieważ jest tworzona fragmentami, musi zostać sklejona w jedną całość. Odpowiedzialnymi za ten proces są enzymy – ligazy. Rozpoznają one odpowiednie fragmenty nowej nici DNA i łączą je w strukturę liniową. Na tej nici również powstają telomery. Dobudowanie tych fragmentów jest istotnym etapem replikacji. Sprawiają one, że na nową nić DNA zostaje przepisana cała informacja kodująca zapisana na nici komórki rodzicielskiej. Nie przepisanie przez polimerazę telomeru na nową nić nie niesie ze sobą żadnych konsekwencji, gdyż fragmenty te nie kodują żadnych genów, więc nie są nośnikami informacji genetycznych. Ponieważ nowe nici mogą być tworzone tylko w jednym kierunku istnienie tego fragmentu zmniejsza możliwość zgubienia podczas replikacji informacji genetycznych istotnych dla życia organizmu. Po zakończeniu replikacji następuje zakończenie syntezy i zwinięcie nowych nici w helisę. Każda nowopowstała nić DNA składa się z jednej nici zsyntetyzowanej od nowa i jednej starej, pochodzącej z komórki macierzystej.
Replikacja to proces bardzo skomplikowany, wieloetapowy i wymagający skrupulatności. Geny są niezbędne do życia każdego organizmu. Kodują białka, określają jak i w jakim miejscu organizmu ich używać, determinują kolor oczu, wzrost, barwę cery, kolor i strukturę włosów, poziom odporności i podatności na choroby. Od genomu ludzkiego zależy dziedziczenie cech charakteru i fizjologicznych, budowy ciała, talenty i skłonności. Nawet najmniejszy błąd w sekwencji kodującej genów powoduje bardzo niebezpieczne zmiany w organizmie. Szacuje się, że ludzki genom zbudowany jest z około 30 tysięcy genów, zorganizowanych w 23 chromosomach. Każdy gen zbudowany jest z kilkudziesięciu, do kilkuset nukleotydów. Zdarzają się jednak i takie, które składają się z ponad dwóch milionów nukleotydów. Ogółem ludzkie komórki zawierają w swym kodzie genetycznym około 3 miliardów par zasad – czyli połączonych nukleotydów. Pokazuje to ogrom „pracy”, jaką muszą wykonać enzymy przepisujące informację genetyczną podczas podziału ludzkich komórek. Wydaje się wręcz nieprawdopodobne, by przy tak wielkim kopiowaniu informacji nie popełniano żadnych błędów. A jednak się to udaje. Wszystko zawdzięczamy enzymom – polimerazie β i ε. Posiadają one zdolności egzonukleazowe, dzięki którym są w stanie sprawdzić, czy syntetyzowana sekwencja nie zawiera błędów i w razie czego wymienić zły nukleotyd na prawidłowy. Proces taki polega na przecięciu nowopowstałej nici i wycięciu z niej fałszywego nukleotydu, a następnie zastąpieniu go takim, który pasuje do nici matrycowej, pochodzącej z komórki macierzystej. Dzięki procesowi korekcyjnemu replikacja zachodzi w sposób bardzo dokładny, a ewentualne błędy są wykrywane i naprawiane jeszcze w trakcie jej trwania. Sposób kontroli przebiegu replikacji u ludzi sprawia, że do nowych nici DNA włączane są złe nukleotydy zaledwie raz na pięć miliardów razy.
Ścibor Gniazdkowski
ZOBACZ JAK PRZEBIEGA REPLIKACJA DNA:
