Водещи и изоставащи нишки при ДНК репликация

Да разгледаме по-задълбочено как ДНК се копира сама, как точно се реплицира и кои са реалните участници в процеса. Като обяснявам тези неща, ще споменавам често 3' и 5' краищата на ДНК молекулата. Ако ти е напълно непознато, ти препоръчвам да гледаш видеото за антипаралелната структура на ДНК. Ще направя бърз преговор на това, в случай че си го гледал/а, но е било отдавна. Това е увеличено изображение на молекулата на ДНК. Всъщност е увеличението от същото онова видео. И когато говорим за 5' и 3' краища, имаме предвид какво се случва с рибозите, които формират част от този фосфатно-захариден скелет. Имаме рибозата ето тук 5-въглероден захарид. И можем да преброим въглеродните атоми. Това е 1 прим въглерод, това - 2 прим, това е 3 прим, този 4 прим, а този 5 прим въглерод. Тази страна на стълбата, образно казано, върви към... нека сложа линия тук... Тя върви в посока 3' към 5' Този край е 3', а този е 5'. Върви от 3' към 5'. Забележи, този фосфат е свързан с 3'. После отиваме към 5', което се свързва с фосфат. Това е свързано с 3', следващото с 5', който е свързан с фосфат. Сега от другата страна – наричаме това антипаралелно. Паралелно е, но е ориентирано в обратната посока. Това е 3', това е 5', това 3', а това 5'. И точно това имаме предвид, като казваме антипаралелна структура. Тези два гръбнака, тези две нишки са паралелни една на друга, но са ориентирани в противоположни посоки. Това е 3'-краят, а това е 5'-краят. И това ще бъде много важно за разбирането на репликацията, защото ДНК-полимеразата – нещото, което добавя още и още нуклеотиди, за да създаде ДНК нишка, тя може да добавя нуклеотиди само от 3'-края. Ако отнесем това към схемата, ще можем да добавяме, ще можем да добавяме само в тази посока. Няма да можем да добавяме от тази страна натам. Един начин да мислиш за това е, че можеш да добавяш нуклеотиди само от 3'-края или че можеш да удължиш ДНК веригата само като вървиш от 5' към 3'. Ако добавяш само от края 3', тогава ще вървиш в посока от 5' към 3'. Не можеш да тръгнеш от 3' към 5'. С полимеразата не можеш да добавяш от страната на 5'. Какво имам предвид под полимераза? Нека разгледаме тази диаграма, която дава добър общ поглед на всички участници в процеса. Това е нашата ДНК нишка. Това е естествената ѝ нереплицирана форма. И, виждаш, тук са маркирани 3' и 5' краищата. Можеш да проследиш един от тези стълбове. Това 3', ако го проследиш до ето тук, от другата страна е съответстващият 5 прим край. Това и това са една и съща нишка. И това, ако проследиш нишката, ако стигнеш до края, това е една и съща нишка. Това е 3'-краят. 3'-краят, а другото е 5'-краят. Първото нещо... Говорили сме за това в предни видеа, където правим преглед на копирането на ДНК. Основната идея е, че двете нишки на нашата спирала, на двойната спирала, трябва да се разделят. И тогава можем да построим другата страна на стълбата, от всеки един от тези разделени краища. Можеш да си го представиш като цип. Разкопчаваш го и после слагаш нови зъбци от другия край. Но в действителност това е доста по-сложно от това да кажем: "Хайде да отворим ципа и да сложим нови зъбци." Участват един куп ензими и всякакви други неща. И дори на тази диаграма не показваме всички участници, но представяме основните. Поне онези, които се дискутират, когато хората говорят за репликация на ДНК. Първото нещо, което трябва да се случи ето тук – всичко тук е намотано стегнато. Нека запиша това. Стегнато намотано. И се оказва, че колкото повече го размотаваме от едната страна, толкова по-стегнато се завива от другата. Така че, за да разкопчаем ципа, имаме нужда от ензим, който да ни помогне да развием здраво навитата спирала. И този ензим е топоизомераза. Начинът, по който работи, е следният: временно разрушава части от веригите, така че да може да се развият, и след това отново да се съберат. Но основната идея е, че я размотава. След това ензимът хеликаза... Хеликазата реално не изглежда като това малко триъгълниче, което прорязва неща. В действителност тя е много по-изумителна, ако можеш реално да видиш молекулната структура на хеликазата. Но това, което върши тя, е да разруши тези водородни връзки между нашите азотни бази. В този случай имаме аденин тук, тук е тимин. И тя ще разруши тази водородна връзка между тези две бази. Първо го размотаваш, после хеликазата... Топоизомеразата я размотава, а след това хеликазата разделя двете нишки. След това разглеждаме тези две нишки по различен начин, защото можеш да добавяш нуклеотиди само вървейки в посока от 5' към 3'. Тази нишка отдолу ето тук, която ще наречем водеща верига... Спомни си, че това е 5'-краят ето тук. така че тя може да добавя, като се движи в тази посока. В тази посока ето тук. Това е от 5' към 3'. И тук ти трябва нещо, което да стартира процеса. Трябва ти РНК праймер. Участникът, който слага РНК праймер, е ДНК-праймазата. Ще говорим повече за тези участници тук горе при изоставащата верига. Но те добавят РНК. Нека го оцветя, за да видиш. РНК праймерът ще бъде добавен тук. И като има праймер, ДНК-полимеразата може да започне да добавя нуклеотиди от 3'-края. На водещата верига ѝ е толкова лесно, заради тази ДНК-полимераза ето тук. Тази полимераза. Отново повтарям – ензимите не са такива перфектни правоъгълници като на тази диаграма. Те са много по-удивителни от това. Виждаш полимеразата тук горе, виждаш я и ето тук. Тази полимераза може просто – представи си, че се движи по този "отворен цип" и просто добавя нуклеотиди от 3'-края. Това изглежда доста праволинейно. Може би се питаш: "Нямаше ли да е по-лесно да можем да добавяме нуклеотиди и откъм 5'-края?" Понеже тогава можем да кажем, това върви от 3' към 5' – тогава може би полимеразата или друга полимераза ще може просто да добавя нуклеотиди и в тази посока и всичко ще е лесно. Оказва се, че случаят не е такъв. Не можеш да добавяш нуклеотиди от 5'-края. Нека го изясня. Това е 3' ето тук. Говоря за тази нишка. Тази верига ето тук. Нека го оцветя в различен цвят. Ето тази верига тук. Това е 3'-краят, а това – 5'-краят. Така че не можеш просто да добавиш нуклеотиди тук. Тогава как природата решава този проблем? Това става с добавянето на праймери. Докато това разкопчаване се случва, се добавят праймери. Тази диаграма показва праймера като един нуклеотид. Но типичният праймер е съставен от няколко нуклеотида. Около 10 нуклеотида. Значи ще добави около 10 РНК нуклеотида ето тук. Това прави ДНК-праймазата. ДНК-праймазата върви по изоставащата верига - тази страна. Горната нишка. Тя добавя РНК праймер. Който не е само един нуклеотид. Обикновено са няколко. И като имаш РНК праймер, полимеразата може да добавя на нишката с посока от 5' към 3', може да добавя от 3'-края. Тогава може да почне да добавя ДНК по този начин Можеш да си представиш този процес: праймазата добавя някакво количество праймер ето тук, и започваш да строиш в посоката от 5' към 3'. Започваш да строиш така и после пропускаш малко и започваш отново. Накрая имаш тези фрагменти ДНК. Те се наричат фрагменти на Оказаки. Фрагменти на Оказаки. Това, което се случва тук на изоставащата верига, можеш да си го представиш... Всъщност защо се нарича изоставаща верига? Ами налага се да добавяш по не най-оптималния начин като създаваш тези фрагменти на Оказаки, докато следваш разтварянето на веригата. Затова тази страна изостава, забавя се процесът. Но тогава всички тези нишки могат да се съединят чрез ДНК-лигазата. Тя не само ще ги съедини, но и РНК ще бъде заменено с ДНК. И когато целият процес приключи, ще имаш копирана веригата на ДНК. Създадена ето тук. Когато всичко приключи, ще имаш две двойни нишки – една тук горе при изоставащата верига и една долу при водещата верига.