დნმ-პოლიმერაზასა და რეპლიკაციის სხვა ფერმენტების როლი. წამყვანი და ჩამორჩენილი ჯაჭვები, ოკაზაკის ფრაგმენტები.

საკვანძო საკითხები:

  • დნმ-ის რეპლიკაცია ნახევრად კონსერვატიულია. ორმაგი სპირალის თითოეული ჯაჭვი ახალი, კომპლემენტარული ჯაჭვის ასაწყობ ნიმუშად გამოიყენება.
  • დნმ-ის ახალ ჯაჭვებს ფერმენტები, დნმ-პოლიმერაზები, წარმოქმნიან, რომელთაც ნიმუში და პრაიმერი (საწყისი თანმიმდევრობა) ესაჭიროებათ დნმ-ის 5'-დან 3' მიმართულებით სინთეზისთვის.
  • დნმ-ის რეპლიკაციის პროცესში ერთი ახალი ჯაჭვი (წამყვანი ჯაჭვი) უწყვეტად წარმოიქმნება, მეორე (ჩამორჩენილი ჯაჭვი) - პატარ-პატარა ნაწილებად იწყობა და მერე ერთიანდება.
  • დნმ-ის რეპლიკაციას სხვა ფერმენტებიც სჭირდება დნმ-პოლიმერაზას გარდა, მათ შორის დნმ-პრაიმაზა, დნმ-ჰელიკაზა, დნმ-ლიგაზა და ტოპოიზომერაზა.

შესავალი

დნმ-ის რეპლიკაცია, ანუ უჯრედის დნმ-ის გაორმაგება, ადვილი საქმე არ არის! თქვენს გენომში დაახლოებით 33 მილიარდი\text{მილიარდი} ფუძეთა წყვილია და ყველა მათგანი დიდი სიზუსტით უნდა გაორმაგდეს თქვენი ტრილიონობით უჯრედიდან თითოეულის გაყოფისას1^1.
დნმ-ის რეპლიკაციის ძირითადი მექანიზმი მსგავსია ყველა ორგანიზმში. ამ სტატიაში ბაქტერია E. coli-ში არსებულ მექანიზმებს განვიხილავთ, მაგრამ ისინი ადამიანებსა და სხვა ეუკარიოტებშიც მსგავსია.
მოდით, განვიხილოთ ცილები და ფერმენტები, რომლებიც რეპლიკაციას წარმართავენ და ვნახოთ, როგორ მუშაობენ ისინი ერთად დნმ-ის სწორად და სრულად გასაორმაგებლად.

ძირითადი არსი

დნმ-ის რეპლიკაცია ნახევრად კონსერვატიულია, რაც ნიშნავს, რომ ორმაგი სპირალის თითოეული ჯაჭვი ახალი, კომპლემენტარული ჯაჭვის ასაწყობ ნიმუშად გამოიყენება.
ამ პროცესის შედეგად ერთი, საწყისი მოლეკულიდან ორი "შვილეული" წარმოიქმნება და ორივე ახალ სპირალს ერთი ჯაჭვი ახალი ექნება, მეორე კი - ძველი.
ერთი მხრივ, დნმ-ის რეპლიკაცია სულ ესაა! მაგრამ ყველაზე საინტერესო ისაა, თუ როგორ მიმდინარეობს ეს პროცესი უჯრედში.
უჯრედებმა დნმ ძალიან სწრაფად უნდა გააორმაგონ და თანაც, მინიმალური შეცდომებით (სხვა შემთხვევაში იზრდება, მაგალითად, ავთვისებიანი სიმსივნის განვითარების რისკი). ამისთვის ისინი მრავალ ფერმენტსა და ცილას იყენებენ და მათი ერთად ფუნქციონირებით დნმ-ის რეპლიკაცია უპრობლემოდ და ზუსტად მიმდინარეობს.

დნმ პოლიმერაზა

დნმ-ის რეპლიკაციის ერთ-ერთი მთავარი მოლეკულა დნმ-პოლიმერაზაა. ეს ფერმენტი დნმ-ის სინთეზზეა პასუხისმგებელი: დნმ-ის მზარდ ჯაჭვს იგი სათითაოდ უმატებს ნუკლეოტიდებს, მხოლოდ იმათ, რომლებიც ნიმუში, ანუ მატრიცა, ჯაჭვის კომპლემენტარულნი არიან.
დნმ-პოლიმერაზების მთავარი თავისებურებებია:
  • მათ ყოველთვის სჭირდებათ მატრიცა
  • მათ ახალი ნუკლეოტიდების დამატება დნმ-ის ჯაჭვის მხოლოდ 3' ბოლოზე შეუძლიათ.
  • მათ არ შეუძლიათ დნმ-ის ჯაჭვის ნულიდან აწყობა, არამედ სჭირდებათ უკვე არსებული მონაკვეთი, ნუკლეოტიდების მოკლე თანმიმდევრობა, პრაიმერი, რომელსაც დააგრძელებენ.
  • ისინი ნამუშევრის რედაქტირებასაც აკეთებენ და "არასწორი", ჯაჭვზე შემთხვევით დამატებული ნუკლეოტიდების დიდ ნაწილს აშორებენ.
ნუკლეოტიდების დამატებას ესაჭიროება ენერგია, რომელიც ნუკლეოტიდებშივეა ჩარეული სამი ფოსფატური ჯგუფის ბმებში (როგორც ენერგიის გადამტან მოლეკულა ატფ-ში). ფოსფატებს შორის ბმის გაწყვეტისას გამოყოფილი ენერგია გამოიყენება ახალი ნუკლეოტიდის დასაკავშირებლად მზარდ ჯაჭვზე.
პროკარიოტებში, მაგალითად E. coli-ში, დნმ-პოლიმერაზა ორნაირია: დნმ-პოლ II (დნმ-ის რეპლიკაციაში ძირითადი ფერმენტი) და დნმ-პოლ I, რომელსაც ასევე უმნიშვნელოვანესი ფუნქცია აქვს და ამას ქვემოთ განვიხილავთ.

დნმ-ის რეპლიკაციის დაწყება

საიდან იციან დნმ-პოლიმერაზებმა და რეპლიკაციის სხვა ფაქტორებმა, სად უნდა დაიწყონ? რეპლიკაცია ყოველთვის დნმ-ის სპეციფიკურ უბნებში, რეპლიკაციის საწყის წერტილებში, იწყება, რომელთა თანმიმდევრობასაც ფერმენტები ამოიცნობს.
E. coli-ის, ბაქტერიების უმრავლესობის მსგავსად, რეპლიკაცის ერთი საწყისი წერტილი აქვს ქრომოსომაზე. ეს უბანი დაახლოებით 245245 ფუძეთა წყვილისგან შედგება და ძირითადად ა/თ ნუკლეოტიდებია შიგ (ისინი უფრო ნაკლები წყალბადური ბმებითაა დაკავშირებული ერთმანეთთან, ვიდრე გ/ც წყვილები), რის გამოც უფრო ადვილია დნმ-ის ამ უბანში სპირალის გახლეჩა.
სპეციალური ცილები საწყის უბანს ამოიცნობენ, უკავშირდებიან მას და ხსნიან სპირალს. დნმ-ის ჯაჭვების განცალკევებასთან ერთად ორი, Y-ის ფორმის სტრუქტურა, რეპლიკაციური ჩანგალი, წარმოიქმნება. ეს ყველაფერი მთლიანობაში რეპლიკაციურ ბუშტს ქმნის. რეპლიკაციური ჩანგლები საპირისპირო მიმართულებით გადაადგილდება დნმ-ის გაორმაგების პროცესში.
და თავად რეპლიკაცია როგორ მიმდინარეობს ჩანგლებში? ჰელიკაზა რეპლიკაციის პირველი ფერმენტია, რომელიც მოქმედებას იწყებს.3^3 მას ევალება რეპლიკაციური ჩანგლების წინ გადაადგილდება დნმ-ის სპირალის ელვა-შესაკრავივით გახსნით (აზოტოვან ფუძეთა წყვილებს შორის წყალბადური ბმების გაწყვეტის გზით).
არსებობს სპეციალური, ერთმაგ ჯაჭვთან დამაკავშირებელი ცილები, რომლებიც განცალკევებულ ჯაჭვებს ებმის რეპლიკაციის ჩანგალში და ხელს უშლის მათ ისევ ორმაგ სპირალად დახვევაში.

პრაიმერები და პრიმაზა

დნმ-პოლიმერაზები ნუკლეოტიდებს მხოლოდ არსებული ჯაჭვის 3' ბოლოზე ამატებენ. (ისინი 3' ბოლოზე არსებულ თავისუფალ -OH ჯგუფს "კაუჭად" იყენებენ და სწორედ მას უკავშირებენ ახალ ნუკლეოტიდს პოლიმერიზაციის რეაქციაში). მაშ, როგორ ამატებს დნმ-პოლიმერაზა პირველ ნუკლეოტიდს ჯაჭვზე რეპლიკაციის ჩანგალში?
მარტო იგი ამას ვერ იზამს! პრობლემის გადაჭრა კიდევ ერთი ფერმენტის, პრაიმაზას, დახმარებით ხერხდება. იგი რნმ-პრაიმერს წარმოქმნის, ნიმუში ჯაჭვის კომპლემენტარულ პატარა მონაკვეთს, რომლის ბოლოშიც 3' "კაუჭია" დნმ-პოლიმერაზასთვის. ტიპური პრაიმერი 5-10 ნუკლეოტიდის სიგრძისაა. (to prime - მომზადება, საწყის მდგომარეობაში მოყვანა, ამ შემთხვევაში დნმ-ის სინთეზის).
ამ რნმ-პრაიმერს შემდეგ დნმ-პოლიმერაზა აგრძელებს, ანუ, ბოლოზე ახალ-ახალ ნუკლეოტიდებს უმატებს და მატრიცა ჯაჭვის კომპლემენტარულ დნმ-ის მოლეკულას წარმოქმნის.

მოწინავე და ჩამორჩენილი ჯაჭვები

E. coli-ში დნმ-ის რეპლიკაციას ძირითადად დნმ-პოლიმერაზა III ასრულებს. რეპლიკაციის ჩანგალზე ამ ფერმენტის ორი მოლეკულა მუშაობს და თითოეული თითო ახალ ჯაჭვს აწყობს.
დნმ პოლიმერაზებს დნმ-ის სინთეზი მარტო 5'-დან 3' მიმართულებით შეუძლიათ, რაც სირთულეს ქმნის რეპლიკაციის დროს. დნმ-ის ორმაგი სპირალი ყოველთვის ანტიპარალელურია, ანუ ერთი ჯაჭვი 5'-3' მიმართულებისაა, მეორე კი 3'-5'. ამის გამო, ორი ახალი ჯაჭვიც ერთმანეთის ანტიპარალელურია და ისინი სხვადასხვანაირად უნდა წარმოიქმნას.
რეპლიკაციის ჩანგლისკენ 5'-3' მიმართულებით განლაგებული ახალი ჯაჭვის წარმოქმნა ადვილია. იგი უწყვეტად სინთეზდება, რადგან დნმ-პოლიმერაზა იმავე მიმართულებით გადაადგილდება, საითაც რეპლიკაციის ჩანგალი. უწყვეტად სინთეზირებულ ახალ ჯაჭვს წამყვანი ჯაჭვი ეწოდება.
მეორე ახალი ჯაჭვი, რომელსაც რეპლიკაციის ჩანგლიდან 5'-3' მიმართულება აქვს, უფრო რთული ასაწყობია. იგი ნაწილ-ნაწილ სინთეზდება, რადგან ჩანგალი წინ გადაადგილდება და დნმ-პოლიმერაზას (რომელიც ჩანგლის საპირისპიროდ მიემართება) უწევს, მოშორდეს ჯაჭვს და თავიდან დაუკავშირდეს ახლად გახსნილ დნმ-ს. ამ მეორე, ნაწილ-ნაწილ აწყობილ ჯაჭვს ჩამორჩენილი ეწოდება.
დნმ-პოლიმერაზას მიერ ნაწილ-ნაწილ წარმოქმნილ უბნებს ოკაზაკის ფრაგმენტები ეწოდება, იმ იაპონელი მეცნიერის საპატივსაცემოდ, ვინც ისინი აღმოაჩინა. წამყვანი ჯაჭვის სინთეზს სულ ერთი პრაიმერი სჭირდება დასაწყისში, ჩამორჩენილ ჯაჭვს კი - ახალი პრაიმერი ოკაზაკის თითოეული ფრაგმენტისთვის.

დამხმარე და დამლაგებელი გუნდი

ზემოთხსენებულ მთავარ მოლეკულებთან ერთად, დნმ-ის რეპლიკაციის უპრობლემოდ წარმართვას სხვა ცილები და ფერმენტებიც ესაჭიროება. ერთ-ერთი ცილაა მცოცავი მომჭერი, რომელიც დნმ-პოლიმერაზა III-ის მოლეკულებს აფიქსირებს რეპლიკაციის პროცესში. იგი რგოლის ფორმის ცილაა და უზრუნველყოფს, რომ ჩამორჩენილი ჯაჭვის დნმ-პოლიმერაზა ოკაზაკის ახალი ფრაგმენტის სინთეზის დაწყებისას ბირთვში არ გატივტივდეს და რეპლიკაციის ჩანგალს არ მოშორდეს.
ტოპოიზომერაზა ასევე მნიშვნელოვან როლს ასრულებს დნმ-ის რეპლიკაციაში. იგი უზრუნველყოფს, რომ დნმ-ის გახსნისას რეპლიკაციის ჩანგალის მიღმა მდებარე ორმაგი სპირალი ზემდატად არ ჩაიხვეს. იგი სპირალს დროებით ჩაჭრის, სანამ ძლიერ დაგრეხილი ორმაგი ჯაჭვი ცოტა არ გასწორდება და შემდეგ ისევ აწებებს შეუქცევადი დაზიანების თავიდან ასაცილებლად.
დაბოლოს, თუ გვინდა, რომ დნმ-ს ახალ ჯაჭვში რნმ-მონაკვეთები და ნაპრალები არ იყოს, ცოტა დალაგებაც საჭიროა. დნმ-პოლიმერაზა I რნმ-პრაიმერებს ამოჭრის და ჩაანაცვლებს, ამის შემდეგ დარჩენილ ნაპრალებს კი დნმ-ლიგაზა აწებებს.

დნმ-ის რეპლიკაციის შეჯამება E. coli-ში

მოდით, ცოტა შორიდან, მთლიანობაში შევხედოთ, როგორ მუშაობენ ფერმენტები და ცილები ერთად ახალი დნმ-ის წარმოსაქმნელად.
  • ჰელიკაზა დნმ-ის ორმაგ სპირალს ხსნის რეპლიკაციის ჩანგალთან.
  • ერთმაგ ჯაჭვთან დამკავშირებელი ცილები დნმ-ის ჯაჭვებს უკავშირდებიან ჩანგალთან და ხელს უშლიან მათ ისევ ორმაგ სპირალად დახვევას.
  • ტოპოიზომერაზა რეპლიკაციის ჩანგალს წინ უძღვის, რათა თავიდან აიცილოს დნმ-ის სუპერსპირალიზაცია (ზედმეტად ჩახვევა).
  • პრაიმაზა დნმ-ის ჯაჭვის კომპლემენტარულ რნმ-ის პრაიმერებს წარმოქმნის.
  • დნმ-პოლიმერაზა III აგრძელებს პრაიმერებს და მათ 3' ბოლოზე ახალ ნუკლეოტიდებს ამატებს დნმ-ის ახალი მოლეკულის წარმოსაქმნელად.
  • რნმ-პრაიმერებს დნმ-პოლიმერაზა I აშორებს და მათ დნმ-ის მონაკვეთებით ანაცვლებს.
  • დნმ-ის ფრაგმენტებს შორის ნაპრალებს დნმ-ლიგაზა აწებებს.

დნმ-ს რეპლიკაცია ეუკარიოტებში

დნმ-ის რეპლიკაციის საფუძვლები მსგავსია ბაქტერიებსა და ეუკარიოტებში, მაგალითად ადამიანებში, მაგრამ არის განსხვავებებიც:
  • ეუკარიოტებს ხშირად მრავალი ხაზოვანი ქრომოსომა აქვთ და თითოეულ მათგანს მრავალი რეპლიკაციის საწყისი წერტილი. ადამიანებში რეპლიკაციის საწყისი წერტილების რაოდენობა 100,100,000000-ს შეიძლება, აღწევდეს5^5!
  • E. coli-ის ფერმენტების უმრავლესობას ეუკარიოტებშიც აქვს შესაბამისი მოლეკულა, მაგრამ E. coli-ის ერთ ფერმენტს ეუკარიოტებში მრავალი ფერმენტი შეიძლება, შეესაბამებოდეს. მაგალითად, ადამიანებში დნმ-პოლიმერაზები 5-ნაირია და თითოეულს მნიშვნელოვანი ფუნქცია აქვს რეპლიკაციაში5^5.
  • ეუკარიოტული ქრომოსომების უმრავლესობა ხაზოვანია. ჩამორჩენილი ჯაჭვის სინთეზის თავისებურებების გამო ხაზოვანი ქრომოსომების ბოლოებიდან, (ტელომერებიდან), თითოეულ რეპლიკაციაში იკარგება დნმ-ის ნაწილი.
იტვირთება