Làm thế nào các tế bào sao chép chuỗi xoắn kép bằng polymerase, mồi, nhánh, hiệu đính và sửa chữa
DNA sao chép
DNA sao chép là quá trình tế bào sao chép thông tin di truyền trước khi phân chia tế bào, sử dụng từng chuỗi xoắn kép làm khuôn mẫu để xây dựng chuỗi bổ sung mới với độ chính xác cao.
Bản sao DNA làm gì
Trước khi tế bào phân chia, nó phải sao chép DNA của nó để mỗi tế bào con nhận được một bộ hướng dẫn di truyền đầy đủ. DNA sao chép là quá trình tạo ra bản sao đó. Nó cần thiết cho sự tăng trưởng, sửa chữa mô, sinh sản và di truyền. Ở người, mỗi tế bào phân chia phải sao chép hàng tỷ cặp bazơ DNA, trong khi vi khuẩn và vi rút sao chép các bộ gen nhỏ hơn bằng cách sử dụng các bộ máy có liên quan nhưng đôi khi khác nhau.
Tại sao chuỗi xoắn kép lại quan trọng
DNA có hai sợi được quấn thành chuỗi xoắn kép. Các bazơ kết hợp theo những cách có thể dự đoán được: adenine kết hợp với thymine, và cytosine kết hợp với guanine. Do quy tắc ghép cặp cơ sở này, mỗi chuỗi ban đầu có thể đóng vai trò là khuôn mẫu để xây dựng lại chuỗi đối tác bị thiếu. Sự sao chép được gọi là bán bảo toàn vì mỗi phân tử DNA hoàn thiện chứa một mạch ban đầu và một mạch mới được tạo ra.
Nơi bắt đầu sao chép
Quá trình sao chép bắt đầu ở các chuỗi DNA cụ thể được gọi là nguồn gốc của quá trình sao chép. Protein nhận ra những nguồn gốc này, mở chuỗi xoắn kép và tạo ra các bong bóng sao chép. Ở mỗi đầu của bong bóng là một nhánh sao chép, vùng hình chữ Y nơi DNA đang được mở và sao chép. Vi khuẩn thường có một nguồn gốc chính trên nhiễm sắc thể tròn, trong khi các tế bào nhân chuẩn như tế bào thực vật và động vật sử dụng nhiều nguồn gốc trên các nhiễm sắc thể tuyến tính dài.
Bộ máy sao chép
Một số enzyme hoạt động cùng nhau. Helicase làm bung chuỗi xoắn kép. Các protein liên kết chuỗi đơn giữ cho các chuỗi riêng biệt không bị dính lại với nhau. Topoisomerase làm giảm căng thẳng xoắn trước ngã ba. Primase tạo ra các đoạn mồi RNA ngắn vì DNA polymerase không thể tự bắt đầu một chuỗi mới. DNA polymerase mở rộng từ lớp sơn lót bằng cách thêm các nucleotide. DNA ligase bịt kín các khoảng trống để sugar-phosphate backbone trở nên liên tục.
Các sợi dẫn đầu và tụt hậu
DNA polymerase chỉ có thể thêm nucleotide vào đầu 3-prime của sợi đang phát triển, vì vậy DNA mới được tạo ra theo hướng 5-prime đến 3-prime. Bởi vì hai chuỗi mẫu chạy theo hướng ngược nhau nên một chuỗi mới được sao chép liên tục về phía ngã ba; đây là sợi dẫn đầu. Cái còn lại được sao chép khỏi nhánh trong đoạn ngắn Okazaki fragments; đây là sợi dây trễ. Sau đó, các đoạn mồi được loại bỏ, thay thế bằng DNA và các đoạn được nối lại bằng ligase.
Hiệu đính và sửa chữa
Việc sao chép là chính xác vì DNA polymerase chọn các bazơ theo cặp mẫu và nhiều polymerase được hiệu đính khi chúng hoạt động. Nếu một cơ sở sai được thêm vào, việc hiệu đính có thể loại bỏ nó trước khi tiếp tục tổng hợp. Hệ thống sửa chữa bổ sung có thể khắc phục những điểm không khớp hoặc hư hỏng sau khi sao chép. Những hệ thống này không hoàn hảo nên một số thay đổi sẽ trở thành đột biến. Đột biến có thể là trung tính, có hại hoặc đôi khi có ích cho quá trình tiến hóa, nhưng trong tế bào cơ thể, chúng cũng có thể góp phần gây ung thư.
Telomere và căng thẳng sao chép
Nhiễm sắc thể nhân chuẩn là tuyến tính, điều này gây ra vấn đề ở các đầu vì sự sao chép thông thường không thể sao chép hoàn toàn phần cuối của chuỗi trễ. Telomere là các chuỗi DNA lặp đi lặp lại để bảo vệ các đầu nhiễm sắc thể và telomerase có thể mở rộng chúng trong một số tế bào. Căng thẳng sao chép xảy ra khi quá trình sao chép bị chậm hoặc bị đình trệ do hư hỏng DNA, trình tự khó, nguồn cung cấp nucleotide thấp hoặc va chạm với các quá trình khác của tế bào. Các tế bào phải quản lý sự căng thẳng này để duy trì sự ổn định của bộ gen.
Tại sao nó quan trọng
DNA sao chép rất quan trọng vì sự sống phụ thuộc vào việc sao chép thông tin di truyền đủ chính xác để bảo tồn danh tính nhưng cũng đủ linh hoạt để tiến hóa trong khoảng thời gian dài. Hiểu rõ sự sao chép giúp giải thích sự di truyền, sự phát triển, lão hóa, ung thư, mục tiêu kháng sinh, nhiễm virus, bệnh di truyền, công nghệ sinh học và trình tự DNA. Khi quá trình sao chép hoạt động, các tế bào sẽ truyền hướng dẫn. Khi nó thất bại, hậu quả có thể từ biến đổi vô hại đến bệnh nghiêm trọng.