イニシエーション 、伸び そして終了 DNA複製の3つの主要なステップです。それぞれの詳細を見てみましょう:
ステップ 1:開始
レプリケーションが開始されるポイントは、レプリケーションの起点 (oriC) として知られています。ヘリカーゼは、複製フォークの形成につながる鎖分離の手順をもたらします。
ステップ 2:伸長
酵素 DNA ポリメラーゼ III は、テンプレート鎖のヌクレオチドを読み取り、ヌクレオチドを 1 つずつ追加することによって、新しい鎖を作成します。テンプレートでアデニン (A) を読み取ると、チミン (T) のみが追加されます。
ステップ 3:終了
ポリメラーゼ III がラギング鎖にヌクレオチドを付加して岡崎フラグメントを作成するとき、フラグメント間にギャップが 1 つまたは 2 つ残ることがあります。これらのギャップは、リガーゼによって埋められます。また、二本鎖 DNA のニックを閉じます。
私たちは皆、それぞれの人間が単一の細胞として生命を開始し、それが分裂して 2 つの細胞を形成し、これら 2 つが 4 つの細胞を形成することを知っています!このプロセスは、私たちの小さな小さな体を形成するのに役立ち、それが大人に成長します!これがすべて起こっている間、私たちのDNAもこれらの細胞に分割されています.しかし、細胞は既存の DNA を 2 つの部分に分割しますか?それとも、2 番目のコピーを作成しますか?後者だと思ったら大正解！細胞は 2 番目のコピーを作成するため、2 つの娘細胞が形成されます。それぞれが完全な DNA セットを取得します。
DNA の構造
複製のプロセスに入る前に、DNA の構造を簡単に見てみましょう。
ご存知のように、DNA は細胞が計画的に発達し、繁殖するのを助ける遺伝子コードです。そのため、「生命の設計図」と呼ばれています。
DNA は、体内の細胞を定義する遺伝物質です。細胞が (減数分裂または有糸分裂のプロセスを通じて) 複製して娘細胞に分裂するには、細胞小器官と生体分子を最初にコピーしてから、すべての細胞に分配する必要があります。
その構造に戻ると、DNA は 4 つのヌクレオチドで構成されています。ヌクレオチドとは何か考えていますか？それらは、リン酸基、糖環、および窒素塩基でできている分子です!これらのヌクレオチドは、アデニン (A)、チミン (T)、グアニン (G)、およびシトシン (C) です。 あ とG T の間、プリンと呼ばれます とC ピリミジンと呼ばれます。これらの言葉は一口で十分かもしれませんが、少し練習すれば読めるようになります.
DNAは2本の鎖でできています。これらの鎖にはヌクレオチドが次々と並んでいて、それらのヌクレオチドはもう一方の鎖のヌクレオチドと結合してはしごのような構造を作ります!現在、ヌクレオチド間の結合は非常に特異的であり、結合は水素結合を介しています。 あ T にバインドします とC G に結合します。 これらのヌクレオチドは互いに結合し、塩基対と呼ばれます .では、ここまでです。お互いにペアを組むヌクレオチドでできている、一見終わりのないはしご。しかし、もう 1 つ変更点があります。そのはしごを持ってねじってください。それだけです。私たちの DNA は、特定のヌクレオチド結合を持つ単純な二重らせんのように見えます。簡単ですよね？
DNA 二重らせん (写真提供:Forluvoft / ウィキメディア コモンズ)
方向性
これらの鎖には、5' と 3' と呼ばれる 2 つの指定された末端があります (5 プライム エンドと 3 プライム エンドと読むことができます)。これらの数字は、端から端までの化学配向を示しています。数字の 5 と 3 は、それぞれ糖環の 5 番目と 3 番目の炭素原子を表します。 5' は末端であり、別のヌクレオチドに結合するリン酸基を結合します。複製中に新しいヌクレオチドがこの末端に追加されるため、3' 末端は重要です。
方向に関しては、左から右に読むときに一方のストランドが 5' から 3' の場合、もう一方のストランドは 3' から 5' になります。簡単に言えば、ストランドは反対方向に走っています。この向きは、反対側の鎖のヌクレオチド間の結合を容易にするために維持されます。
DNA 二重らせんの 4 つの塩基対フラグメントの化学構造。 (写真提供:Thomas Shafee / ウィキメディア・コモンズ)
複製のプロセス
DNA全体を複製するのは簡単なことではありません。ヒトゲノム (ゲノムとは、細胞内に存在する遺伝子の完全なセットを意味します) には、約 30 億の塩基対があります (ヌクレオチドのペアリング、覚えていますか?)。そのため、長いもののコピーを作成するには、多くの時間がかかります。しかし、そうではありません！私たちの細胞には、このプロセスを迅速にする一連の酵素とタンパク質があるからです!
それぞれの酵素とタンパク質には、独自の特定の機能があります。プロセスを段階的に見ていきましょう。
開始
- ヘリケース – 複製が開始されるポイントは、複製の起点として知られています。ヘリカーゼは、複製フォークの形成につながる鎖分離の手順をもたらします。塩基対間の水素結合を切断して鎖を分離します。 ATP 加水分解から得られたエネルギーを使用して機能を実行します。
- SSB タンパク質 – 次のステップは、Single-Stranded DNA Binding Protein が一本鎖 DNA に結合することです。その仕事は、ストランドが再び結合するのを止めることです.
- DNA プライマー – ストランドが分離されて準備が整ったら、レプリケーションを開始できます。このためには、Origin で結合するためのプライマーが必要です。プライマーは、長さが約 10 ヌクレオチドの短い RNA 配列です。プライマーゼはプライマーを合成します。
伸び
- DNA ポリメラーゼ III – この酵素は、テンプレート鎖のヌクレオチドを読み取り、ヌクレオチドを 1 つずつ追加することによって、新しい鎖を作成します。テンプレートのアデニン (A) を読み取ると、チミン (T) のみが追加されます。 5' から 3' の方向にのみ新しい鎖を合成できます。また、新しいストランドの校正と修復にも役立ちます。ここで、ポリメラーゼがストランドに沿って働き続け、ランダムに浮遊しないのはなぜだと思うかもしれません。これは、スライディング クランプと呼ばれるリング状のタンパク質がポリメラーゼを所定の位置に保持するためです。
複製フォークが前進し、ポリメラーゼ III が新しい鎖の合成を開始すると、小さな問題が発生します。覚えていると思いますが、2 つのストランドは反対方向に走っていると言いました。これは、両方の鎖が 5' から 3' 方向に合成されている場合、一方が複製フォークの方向に移動し、もう一方が反対方向に移動することを意味します.
複製フォークと同じ方向に合成される鎖は、「リーディング」鎖として知られています。この鎖のテンプレートは 3' から 5' の方向に走っています。ポリメラーゼは 1 回だけアタッチする必要があり、レプリケーション フォークが前進する間、その作業を続行できます。ただし、「ラギング」鎖として知られている逆方向に合成される鎖の場合、ポリメラーゼは DNA の 1 つのフラグメントを合成する必要があります。次に、複製フォークが前進すると、利用可能な新しい DNA に再結合し、次のフラグメントを作成する必要があります。これらのフラグメントは、岡崎フラグメントとして知られています (それらを発見した科学者岡崎礼二にちなんで名付けられました)。
終了
- DNA ポリメラーゼ I – ご存じのとおり、Origin に RNA プライマーを追加して、ポリメラーゼがプロセスを開始できるようにしました。ストランドが作成されたので、プライマーを除去する必要があります。これが、ポリメラーゼ I の出番です。プライマーを除去してギャップを埋めるには、RNase H の助けが必要です。
- DNA リガーゼ – ポリメラーゼ III がラギング鎖にヌクレオチドを付加して岡崎フラグメントを作成する場合、フラグメント間にギャップが 1 つまたは 2 つ残ることがあります。これらのギャップは、リガーゼによって埋められます。また、二本鎖 DNA のニックを閉じます。
DNA複製。 (写真提供:LadyofHats Mariana Ruiz / Wikimedia Commons)
すべてのプライマーが除去され、リガーゼが残りのすべてのギャップを埋めると、複製プロセスは最終的に完了します。このプロセスにより、2 つの同一の遺伝子セットが得られ、それが 2 つの娘細胞に受け継がれます。すべての細胞は、わずか 1 時間で全プロセスを完了します!
このように時間がかかる理由は、オリジンが複数あるためです。細胞はいくつかのポイントからプロセスを開始し、その後、断片が結合されてゲノム全体が作成されます!
すべての新しい細胞が適切な数の染色体を受け取るように、核内に存在する DNA が複製されることが重要です。全体として、このプロセスは生きている生物の細胞の修復と成長および生殖にとって重要です。
