Replikacja DNA

Istota procesu:

Jest to proces umożliwiający przekazanie 

informacji genetycznej z komórek rodzicielskich 

kolejnym pokoleniom. 

Proces ten polega na syntezie dwóch, 

kompletnych, dwuniciowych helis z jednej 

wyjściowej, przy czym obydwie helisy mają 

sekwencję nukleotydową identyczną z helisą 

wyjściową. 

DNA działa jako matryca dla swojej własnej 

replikacji. Każdy łańcuch DNA dyktuje 

sekwencję nukleotydów łańcucha 

komplementarnego. 

Replikacja ma charakter 

semikonserwatywny. W 

czasie podziału każda z 

dwóch nici pełni funkcje 

matrycy. Nukleotydy są 

dołączane zgodnie z regułą 

komplementarności zasad. 

Powstaje hybryda złożona z 

jednej nici starej i jednej 

nowej. Każda komórka 

zawiera nić starą 

(macierzystą) i nową 

(potomną), powstałą w 

trakcie replikacji DNA 

zachodzącej w fazie S 

podziału komórkowego.

Substraty replikacji:

• matryca DNA
• trifosforany 

deoksyrybonukleoty
dów (dNTP)

• ATP/CTP/GTP- 

energia dla helikaz

Enzymy replikacji:

• Helikaza

- rozwijają nici DNA

• Topoizomeraza-

 stabilizują odcinki 

jednoniciowe

• DNA prymaza

 - syntetyzuje startery RNA

• Białka wiążące ssDNA-

 zapobiegają zwijaniu 

w podwójną nić

• DNA ligaza-

 łączy nowosyntetyzowane odcinki 

DNA

• DNA polimerazy
• Egzonukleaza-

 usuwa startery RNA z nici

Polimerazy replikacji:

• W przypadku E. coli poznano 3 polimerazy.

 

• Polimeraza I - zawiera jedną podjednostkę, 

wykazuje aktywność egzonukleazy zarówno w 

kierunku 3’-> 5’ jak i 5’->3’. Jej główną funkcją jest 

synteza nici opóźnionej oraz wypełnianie po 

starterach RNA

• Polimeraza II- również zawiera jedną 

podjednostkę, wykazuje aktywność egzonukleazy w 

kierunku 3’->5’, lecz nie w odwrotnym. Ma za 

zadanie sprawdzać i naprawiać powstające nici.

• Polimeraza III- składa się na nia ok.. 10 

podjednostek, aktywność egzonukleazy ujawnia 

jedynie w kierunku 3’->5’, syntetyzuje nić wiodącą.

Polimerazy Eucariota:

• U Eucaryota odkryto 5 polimeraz.

• Polimeraza α-

 4 podjednostki, nie ma aktywności 

egzonukleazy, synteza nici opóźnionej, wypełnianie po 

starterach RNA

• Polimeraza β-

 1 podjednostka, również nie wykazuje 

aktywności egzonukleazy, pełni funkcje naprawcze

• Polimeraza γ-

 2 podjednostki, aktywność 

egzonukleazy 3’->5’, synteza mitochondrialnego DNA

• Polimeraza δ-

 2 lub 3 podjednostki, aktyowność 

egzonukleazy 3’->5’, synteza nici wiodącej

• Polimeraza ε-

 1 podjednostka, aktywność 

egzonukleazy 3’->5’, pełni funkcje sprawdzające i 

naprawcze.

Miejsca działania 

enzymów:

Inicjacja replikacji:

• Inicjacja, czyli początek replikacji zachodzi 

w ściśle określonych miejscach na nici DNA. 
Miejsca te nazywają się "origin" (w skrócie 
ori). Zawierają one specyficzne sekwencje, 
służące im do:

• wiązania białek inicjatorowych,
• rozdzielenia nici i rozpoczęcia procesu 

replikacji,

• przyłączania białek wspomagających proces 

replikacji.

Miejsce inicjacji jest bardzo ważne, 

ponieważ tylko tu może odbywać się 

kontrola replikacji. Raz rozpoczęty proces 

musi przebiegać aż do zakończenia 

syntezy całego replikonu. 

U bakterii replikon obejmuje cały genofor, 

znaczy to, że pojedyncze miejsce inicjacji 

kontroluje replikację całego genomu. 

Organizmy eukariotyczne natomiast, maja 

wiele replikonów w każdym chromosomie.

Dzięki tej różnicy szybkość replikacji 

genomu eukariota wielokrotnie przewyższa 

szybkość replikacji genomu prokariota.

• Rozdzielające się w miejscu syntezy 

łańcuchy matrycowego DNA tworzą 

tzw. "widełki replikacyjne". O 

rozdzieleniu heliksu DNA decydują 

białka enzymatyczne zwane 

helikazami. Wykorzystują one 

energię hydrolizy ATP do zmiany 

kształtu swojej cząsteczki (podobnie 

jak białka mięśniowe), co umożliwia 

im wykonanie pracy mechanicznej. 

• Helikazy przesuwają się wzdłuż 

dwuniciowego DNA, rozdzielając nici i 

poszerzając widełki replikacyjne.

• Najważniejszymi enzymami 

odpowiedzialnymi za replikację DNA są 
polimerazy DNA. Nie mają one jednak 
zdolności do samodzielnego rozpoczęcia 
syntezy łańcuchów DNA, mogą jedynie je 
wydłużać. 

• Synteza DNA zaczyna sie od wbudowywania 

starterowych odcinków RNA, które 
zakończone są wolną grupą -OH, na końcu 3'. 

• Za wbudowywanie tych odcinków 

odpowiedzialne są wyspecjalizowane enzymy 
zwane prymazami.

Elongacja replikacji:

• Proces elongacji, podobnie jak proces 

inicjacji, wymaga udziału wielu białek 
enzymatycznych. Oprócz polimeraz DNA, 
głównych enzymów replikacji, potrzebnych 
jest wiele enzymów odpowiedzialnych za 
katalizowanie reakcji analogicznych do 
przeprowadzanych podczas inicjacji 
replikacji (rozplątywanie i stabilizacja nici, 
wbudowywanie starterów). Wszystkie te 
białka tworzą kompleks zwany replisomem.

• Polimerazy syntetyzujące 

potomne nici DNA nie tylko nie 

są zdolne do rozpoczęcia 

replikacji, lecz również 

przyłączanie przez nie 

nukleotydów może się 

odbywać wyłącznie do grup 

-OH (końca 3') starterów RNA. 

• Replikacja DNA przebiega tylko 

w jednym kierunku - od 5' do 3' 

końca. Odwrotna orientacja nici 

w obrębie podwójnego heliksu 

pozwala na ciągłą syntezę tylko 

jednej nici (tzw. nici wiodącej). 

• Druga musi być w postaci 

krótkich fragmentów, 

dołączonych do odcinków 

starterowych (jest to tzw. nić 

opóźniona). 

• Fragmenty te nazwano, na 

cześć odkrywcy, fragmentami 

Okazaki.

• Wytworzenie wiązania estrowego między 

resztą fosforanową a deoksyrybozą, 
katalizowane przez polimerazy, wymaga 
dostarczenia energii. Jak w większości syntez 
komórkowych, tak i tu energia pochodzi z 
wysokoenergetycznych wiązań między 
resztami kwasu fosforowego. Cząsteczka DNA 
jest zbudowana z monofosfonukleotydów. 

• Substratami do syntezy nowej nici w procesie 

replikacji są trifosfonukleotydy (ATP, CTP, 
GTP, TTP), więc dołączenie jednego 
nukleotydu wiąże się z rozerwaniem dwóch 
wiązań wysokoenergetycznych. 

Ligazy

Ich zadaniem jest łączenie fragmentów 
Okazaki (juz po wycięciu starterów przez 
polimerazę) w jedna długa nic. Ligazy 
bakteryjne wymagają NAD+ jako 
koenzymu i źródła energii, natomiast 
ligazy eukariotyczne wykorzystują do tego 
celu ATP. 

Terminacja replikacji:

• Terminacja jest końcowym etapem replikacji, 

w którym dochodzi do połączenia DNA w 

kompletne chromosomy i rozdzielenia ich 

pomiędzy komórki potomne. Mechanizmy 

terminacji u prokaroiota i eukariota znacznie 

różnią się od siebie. 

• U organizmów prokariotycznych, gdzie na 

kolistym genoforze znajduje się tylko jeden 

replikon, za końcowy etap replikacji 

odpowiadają 4 sekwencje nukleotydowe , 

wiążące się z białkiem terminacyjnym. Białko 

to będąc inhibitorem replikacji, hamuje cały 

proces. 

Terminacja u eucariota:

• Występowanie kilku replikonów w replikującym się 

chromosomie powoduje, że do zakończenia 

replikacji wystarczy fizyczne zetknięcie się dwóch 

podążających ku sobie w przeciwnych kierunkach 

widełek replikacyjnych. 

• Nie potrzeba tu specjalnych sekwencji 

terminalnych. 

• Odmiennie przedstawia się sytuacja z 

zakończeniem syntezy chromosomów. W 

przeciwieństwie do kolistych genoforów 

bakteryjnych, chromosomy eukariotyczne 

zbudowane są z liniowych cząsteczek DNA. 

• Gdyby replikacja u organizmów 

eukariotycznych kończyła sie analogicznie do 

prokariota to ostatni kilkunukleotydowy 

fragment pozostawałby „niedoreplikowany”.

• Na końcu każdego chromosomu istnieją 

jednak charakterystyczne sekwencje, które 

pozwalają na utrzymanie niezmiennej 

długości genomów. Sekwencje te zwane są 

telomerami. Telomery odpowiadają również za 

ochronę DNA przed łączeniem się z innymi 

chromosomami. 

Telomery:

  Są one kompleksami nukleoproteinowymi. 

Telomerowe DNA składa się z krótkich 

tandemowych powtórzeń, bogatych w GT. 
Telomery u człowieka mają długość ok. 25 kb 

(dla porównania u myszy 40-80kb) i 

zbudowane są z powtarzających się 

fragmentów heksanulkeotydowych 5'-

TTAGGG-3'. 
DNA budujące telomery jest na przeważającej 

długości dwuniciowe, a ich koniec 3' ma 

strukturę jednoniciową i jest bogaty w reszty 

guaninowe, które tworzą strukturę 

przestrzenną zwaną kwartetem G.

Replikacja telomerów 

zachodzi w sposób 

odmienny od reszty 

chromosomu. Odpowiada 

za nie specjalny enzym 

zwany telomeraza. Jest 

to enzym, który w swoim 

centrum aktywnym 

zawiera matrycę do 

syntezy telomerów - 

cząsteczkę RNA. 

Starterami w tym 

procesie są końcowe 

sekwencje telomeru 

pozostałego z 

poprzedniego cyklu 

replikacyjnego.

Naprawa uszkodzonego 

DNA

• Naprawa niesparowanych zasad – 

typu mismatch

• Naprawa przez wycięcie zasady
• Naprawa przez wycięcie nukleotydu
• Naprawa uszkodzenia dwuniciowego