Replikacija DNK

Replikacija (replika=kopija) predstavlja proces dupliranja molekula DNK pri kome od jednog nastaju dva potpuno identična molekula DNK.

Osobine i značaj replikacije

Replikacija DNK odvija se pre svake ćelijske deobe i omogućava kasniju podelu svakog hromozoma na dve hromatide. Započinje tako što enzim helikaza despiralizuje lanac DNK i uništava vodonične veze između heterocikličnih azotnih baza. Za oslobođene baze u svakom od lanaca vežu se komplementarne baze koje međusobno poveže DNK polimeraza. Tako na svakom lancu nastane jedan novi lanac i cela se DNK udvostruči.

Pre nego što se ćelija podeli, neophodno je da se hromozomi tj. DNK udvostruči (duplira, kopira) kako bi kćerke ćelije sadržale istu količinu DNK, odnosno sve kopije gena kao i roditeljska ćelija. U S-fazi interfaze se vrši dupliranje molekula DNK, tako da ćelija u G2 fazi ima duplo veću količinu DNK nego u G1 fazi .

Semikonzervativnost

Semikonzervativnost replikacije

Sposobnost DNK da duplira samu sebe od osnovne je važnosti za njenu ulogu naslednog materijala. Za replikaciju je od najveće važnosti princip komplementarnosti vezivanja naspramnih baza u polinukleotidnim lancima DNK. Udvajanju molekula DNK prethodi rasplitanje dvostruke spirale i odvajanje roditeljskih lanaca. Roditeljski lanci služe kao kalup (matrica) za sintezu novog komplementarnog lanca DNK. Svaki novonastali molekul DNK sadrži po jedan stari i jedan novi lanac DNK, pa se zbog toga kaže da je replikacija semikonzervativan proces (lat. semi= polu; konservativan =očuvan).

Dokaz da je replikacija semikonzervativan proces dobijen je iz eksperimenata sa bakterijom ešerihijom (Escherichia coli). Bakterije su gajene na medijumu koji je sadržao teški azot (N15) i utvrđeno je da se on ugradio u njihove ćelije i DNK. Zatim su ove bakterije prebačene na medijum koji je sadržao laki azot N14 i u njemu je obavljena samo jedna deoba bakterija. Na osnovu analize sastava DNK utvrđeno je da ona sadrži N15 i N14 u jednakim količinama.

Bidirekcionost

Replikacija se i kod prokariota i kod eukariota vrši bidirekciono, što znači da se od mesta gde počinje vrši istovremeno u oba smera i to isključivo u 5'- 3' smeru. Pritom, replikacija koplementarnog lanca se sa jedne strane replikacione viljuške vrši kontinuirano dok se sa druge strane sintetišu tzv. Okazaki fragmenti koji se pod dejstvom ligaza spajaju u lanac. Kod prokariota Okazaki fragmenti su dužine 1000-2000 nukleotida, dok su kod eukariota nešto preko 10 puta manji.

Kod prokariota, čija je DNK prstenasta (kružna) replikacija počinje na samo jednom mestu i odvija se bidirekciono. Kada se lanci DNK razmotaju obrazuje se replikaciona viljuška (ima oblik slova Y). Kod prokariota u svakom trenutku replikacije postoje dve replikacione viljuške: jedna se kreće u smeru kazaljke na satu, a druga u suprotnom smeru.

Replikacija DNK u eukariotama, čija je DNK linearna, započinje istovremeno na mnogo mesta duž hromozoma i teče istovremeno. Na taj način replikacija ukupne hromozomske DNK se u eukariotskim ćelijama završava za nekoliko sati, iako je brzina ugrađivanja nukleotida znatno sporija nego kod prokariota.

Enzimi replikacije

Veliki broj enzima u replikativnoj viljušci

Iako je princip replikacije veoma jednostavan, u ćeliji je to složen proces u kome učestvuje 20-ak enzima i drugih proteina, od kojih su najvažniji:

• helikaze,
• nukleaze,
• DNK polimeraze,
• ligaze i
• primaza.

Helikaze su enzimi koji „hodaju“ po DNK raskidajući vodonične veze između lanaca DNK u 5’->3’ smeru.

Nukleaze su enzimi koji raskidaju fosfodiestarske veze, pri čemu se razlikuju one koje deluju na krajevima lanaca (egzonukleaze) i one koje deluju na veze unutar lanca (endonukleaze).

DNK polimeraze su enzimi koji imaju ključnu ulogu u replikaciji. One u 5’-> 3’ smeru povezuju nukleotide novog lanca fosfodiestarskim vezama, pošto su se oni postavili komplementarno (A-T, C-G) nukleotidima starog (roditeljskog) lanca. DNK polimeraza (kod prokariota je DNK polimeraza III, a kod eukariota je DNK polimeraza delta) ima još jednu ulogu: u suprotnom smeru, 3’-> 5’, ona raskida fosfodiestarske veze između pogrešno vezanih nukleotida novog lanca. Ukoliko DNK polimeraza naiđe na pogrešno sparen nukleotid, ona upotrebi svoju egzonukleaznu aktivnost u smeru 3’-> 5’ i raskine vezu tog nukleotida sa lancem. Ta njena egzonukleazna aktivnost omogućava ispravljanje grešaka, koje tokom replikacije nastanu što doprinosi tome da je replikacija izuzetno tačan proces.

Ligaze deluju suprotno nukleazama – one delove novog lanca povezuju u celinu obrazujući između tih delova fosfodiestarske veze.

Primaza međusobno povezuje nukleotide RNK u kratke lance da bi time omogućila dejstvo DNK polimeraze.

Dvolančana zavojnica DNK je vrlo stabilna struktura, tako da su ćeliji neophodni mehanizmi koji će omogućiti razdvajanje lanaca i formiranje replikativne viljuške. U ovim mehanizmima učestvuju helikaze i još neki proteini.

Mehanizam replikacije

Endonukleaza zaseca samo jedan lanac DNK čime počinje njeno rasplitanje. Helikaze raskidaju vodonične veze između lanaca čime se lanci razdvajaju i obrazuju se replikativne viljuške. Pošto se replikacija odvija bidirekciono, na svakom mestu gde ona počinje obrazuju se dve replikativne viljuške koje se kreću u suprotnim smerovima. Svaka replikaciona viljuška je asimetrična jer su lanci antiparalelni, a istovremeno se naspram oba sintetišu novi lanci u 5’ ka 3’ smeru. Lanac DNK koji se sintetiše u smeru kretanja replikativne viljuške naziva se vodeći lanac, a onaj koji se sintetiše u suprotnom smeru je lanac koji zaostaje. Vodeći lanac se sintetiše kao celovit dok se ovaj drugi sintetiše u vidu delova koji se nazivaju Okazakijevi fragmenti. Sintezu oba lanca obavlja DNK polimeraza tek pošto se veže za roditeljski lanac koji služi kao matrica. Ovaj enzim ne može da se veže za ogoljeni lanac-matricu već zahteva postojanje začetnika (prajmera; engl. primer). Začetnik je kratki lanac RNK i njegovu sintezu katalizuje enzim primaza. Kada se kratki lanac RNK komplementarno spari (hibridizuje) sa početkom lanca matrice to omogućuje vezivanje DNK polimeraze i počinje sinteza novog lanca. Za sintezu lanca koji zaostaje potrebno je da se sintetiše veći broj začetnika. Okazakijeve fragmente, po završetku sinteze, međusobno povezuje enzim ligaza.

Vodeći lanac

Lanci DNK su antiparalelni. Na lancu čiji je smer 3`-5` se sintetiše lanac u 5`-3` smeru i ovaj lanac se sintetiše kontinuirano, te se i naziva 'vodeći lanać.

Literatura

• Stanković Živojin, Stevo Najman, Molekularna osnova nasleđivanja, Niš, 1995.
• Dumanović, J, Marinković, D, Denić, M: Genetički rečnik, Beograd, 1985.
• Kosanović, M, Diklić, V: Odabrana poglavlja iz humane genetike, Beograd, 1986.
• Lazarević, M: Ogledi iz medicinske genetike, Beograd, 1986.
• Marinković, D, Tucić, N, Kekić, V: Genetika, Naučna knjiga, Beograd
• Matić, Gordana: Osnovi molekularne biologije, Zavet, Beograd, 1997.
• Prentis S: Biotehnologija, Školska knjiga, Zagreb, 1991.
• Ridli, M: Genom - autobiografija vrste u 23 poglavlja, Plato, Beograd, 2001.
• Tatić, S, Kostić, G, Tatić, B: Humani genom, ZUNS, Beograd, 2002.
• Tucić, N, Matić, Gordana: O genima i ljudima, Centar za primenjenu psihologiju, Beograd, 2002.
• Švob, T. i sradnici: Osnovi opće i humane genetike, Školska knjiga, Zagreb, 1990.
• Šerban, Nada: ćelija - strukture i oblici, ZUNS, Beograd, 2001