Синтез ДНК

Синтез ДНК происходит как часть репликации ДНК. ДНК является носителем генетической информации и контролирует все жизненные процессы. У человека, как и у всех других живых существ, он находится в ядре клетки. ДНК двухцепочечная, похожа на витую веревочную лестницу, называемую спиралью. Эта двойная спираль состоит из двух молекул ДНК. Каждая из двух комплементарных одиночных цепей состоит из основной цепи из молекул сахара (дезоксирибозы) и фосфатных остатков, с которыми связаны четыре органических азотистых основания - гуанин, аденин, цитозин и тимин. Две нити связаны друг с другом водородными связями между противоположными, так называемыми дополнительными основаниями. Согласно принципу комплементарного спаривания оснований, возможны только связи между гуанином и цитозином, с одной стороны, и аденином и тимином, с другой.

Что такое синтез ДНК?

Для репликации ДНК необходим процесс синтеза ДНК. Он описывает структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (сокращенно ДНК или ДНК). Ключевым ферментом здесь является ДНК-полимераза. Это единственный способ деления клеток.

Для репликации скрученная двойная цепь ДНК сначала развязывается ферментами, так называемыми геликазами и топоизомеразами, а две одиночные цепи отделяются друг от друга. Эта подготовка к фактической репликации называется инициацией. Теперь синтезируется фрагмент РНК, который нужен ДНК-полимеразе в качестве отправной точки для ее ферментативной активности.

Во время следующего удлинения (удлинения цепи) каждая отдельная цепь может использоваться ДНК-полимеразой в качестве матрицы для синтеза комплементарной дублирующей ДНК. Поскольку одно из оснований может связываться только с одним другим основанием, можно использовать одну цепь для реконструкции другой связанной цепи. Назначение дополнительных оснований - задача ДНК-полимеразы.

Затем сахарно-фосфатный остов новой цепи ДНК связывается лигазой. Это создает две новые двойные нити ДНК, каждая из которых содержит нить из старой спирали ДНК. Поэтому новую двойную спираль называют полуконсервативной.

Обе нити двойной спирали имеют полярность, указывающую на ориентацию молекул. Направление двух молекул ДНК в спирали противоположно. Поскольку ДНК-полимераза работает только в одном направлении, только цепь, которая находится в соответствующей ориентации, может быть построена непрерывно. Другая нить синтезируется по частям. Затем полученные сегменты ДНК, также известные как фрагменты Окадзаки, соединяются лигазой.Прекращение синтеза ДНК с помощью различных кофакторов известно как терминация.

Функция и задача

Поскольку у большинства клеток ограниченная продолжительность жизни, новые клетки должны постоянно образовываться в организме путем деления клеток, чтобы заменить умирающие. Например, красные кровяные тельца в организме человека имеют средний срок жизни 120 дней, тогда как некоторые кишечные клетки должны быть заменены новыми клетками через один или два дня. Это требует деления митотических клеток, при котором из материнской клетки создаются две новые идентичные дочерние клетки. Обе клетки нуждаются в полном наборе генов, а это означает, что, в отличие от других компонентов клетки, его нельзя просто разделить. Чтобы генетическая информация не терялась во время деления, ДНК необходимо удвоить («реплицировать») перед делением.

Клеточные деления также происходят во время созревания мужских и женских половых клеток (яйцеклеток и сперматозоидов). В происходящих мейотических делениях ДНК не удваивается, потому что желательно сокращение вдвое. Когда яйцеклетка и сперматозоид сливаются, снова достигается полное количество хромосом, состояние упаковки ДНК.

ДНК необходима для функционирования человеческого тела и всех других организмов, поскольку она является основой для синтеза белков. Комбинация трех последовательных оснований означает одну аминокислоту, поэтому ее называют триплетным кодом. Каждый триплет оснований «транслируется» в аминокислоту через информационную РНК (мРНК); эти аминокислоты затем связываются с белками в плазме клеток. МРНК отличается от ДНК только одним атомом в сахарном остатке основной цепи и несколькими основаниями. МРНК в основном служит носителем информации для переноса информации, хранящейся в ДНК, из ядра клетки в плазму клетки.

Болезни и недуги

Организм, не способный к синтезу ДНК, был бы нежизнеспособен, поскольку новые клетки должны образовываться путем деления клеток во время эмбрионального развития. Ошибки в синтезе ДНК, то есть отдельные неправильно встроенные основания, не соблюдающие принцип комплементарного спаривания оснований, встречаются относительно часто. Благодаря этому в человеческих клетках есть системы восстановления. Они основаны на ферментах, которые контролируют двойную цепь ДНК и исправляют неправильно вставленные основания с помощью различных механизмов.

Для этого, например, область вокруг неправильного основания может быть вырезана и восстановлена ​​в соответствии с объясненным принципом синтеза. Однако, если системы репарации ДНК клетки неисправны или перегружены, могут накапливаться несоответствия оснований, известные как мутации. Эти мутации дестабилизируют геном и, таким образом, увеличивают вероятность новых ошибок в процессе синтеза ДНК. Накопление таких мутаций может привести к раку. Мутация дает некоторым генам эффект, способствующий развитию рака (усиление функции), тогда как другие гены теряют свой защитный эффект (потеря функции).

В некоторых клетках, однако, даже желательна повышенная частота ошибок, чтобы сделать их более адаптируемыми, например, в определенных клетках иммунной системы человека.