REPLIKACJA DNA: MECHANIZMY U PROKARIONTÓW I EUKARIONTÓW - BIOLOGIA - 2025

Replikacji DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) jest skopiowanie genomu, czyli wszystkie informacje genetyczne w DNA z organizmu, w celu wytworzenia dwóch identycznych kopii. Genom zawiera informacje niezbędne do zbudowania kompletnego organizmu.

Przed podziałem komórki następuje replikacja DNA. Poprzez mejozę produkowane są gamety do rozmnażania płciowego. Poprzez mitozę dochodzi do wymiany komórek (np. Skóry i krwi) oraz rozwoju (np. Tkanek i narządów).

Źródło: ja, Madprime

Znajomość struktury DNA pozwala nam zrozumieć, w jaki sposób zachodzi jego replikacja. Struktura DNA składa się z podwójnej helisy, złożonej z dwóch antyrównoległych łańcuchów kolejnych nukleotydów, których zasady azotowe w specyficzny sposób uzupełniają się.

Podczas replikacji każda nić podwójnej nici DNA działa jako matryca do biosyntezy nowej nici. Dwa nowo zsyntetyzowane łańcuchy mają zasady, które są komplementarne do zasad łańcucha matrycowego: adenina (A) z tyminą (T) i cytozyna (C) z guaniną (G).

W replikacji DNA biorą udział różne enzymy i białka. Na przykład otwarcie podwójnej helisy DNA, utrzymanie otwartego DNA i dodanie dezoksyrybonukleozydów-5′-trifosforanu (dNTP) w celu utworzenia nowej nici.

Replikacja DNA jest półkonserwatywna

Opierając się na strukturze DNA, Watson i Crick zaproponowali, że replikacja DNA zachodzi w sposób półkonserwatywny. Zostało to zademonstrowane przez Meselsona i Stahla poprzez znakowanie DNA Escherichia coli ciężkim izotopem azotu, ¹⁵ N, zgodnie ze schematem dystrybucji w pożywce hodowlanej z lekkim azotem ¹⁴ N przez kilka pokoleń .

Meselson i Stahl odkryli, że w pierwszej generacji dwie cząsteczki potomne DNA miały każdą z nich wyznakowaną łańcuchem z ciężkim izotopem azotu, a drugą z lekkim izotopem. W przeciwieństwie do macierzystej cząsteczki DNA, która miała obie nici wyznakowane ciężkim izotopem, ¹⁵ N.

W drugiej generacji 50% cząsteczek DNA było takich jak w pierwszej generacji, a pozostałe 50% zawierało tylko lekki azot. Interpretacja tego wyniku jest taka, że ​​potomna podwójna helisa ma łańcuch nadrzędny (który działa jako szablon) i nowy łańcuch.

Półkonserwatywny mechanizm replikacji obejmuje rozdzielenie nici DNA i komplementarne parowanie zasad poprzez kolejne parowanie nukleotydów, w wyniku czego powstają dwie potomne podwójne helisy.

Replikacja baterii

Inicjacja replikacji DNA u bakterii

Bakteryjne DNA składa się z okrągłego chromosomu i ma tylko jedno miejsce początku replikacji. Z tego miejsca biosynteza dwóch łańcuchów potomnych zachodzi dwukierunkowo, tworząc dwa widełki replikacyjne, które poruszają się w kierunkach przeciwnych do początku. W końcu spinki do włosów spotykają się, kończąc replikację.

Replikacja zaczyna się od wiązania białek DnaA z miejscem ich pochodzenia. Te białka z kolei tworzą kompleks. Następnie łączą się między innymi białka HU i IHF, które razem wyginają DNA, powodując rozdzielenie dwóch nici DNA w regionie bogatym w tyminę i adeninę.

Następnie wiążą się białka DNaC, co powoduje wiązanie się helikaz DNA. Pomagają rozwinąć DNA i rozerwać wiązania wodorowe utworzone między parami zasad. Tak więc dwa łańcuchy są dalej rozdzielane, tworząc dwa proste łańcuchy.

Topoizomeraza II, czyli gyraza DNA, porusza się przed helikazą DNA, zmniejszając dodatnie supercewki. Białka wiążące jednoniciowe DNA (SSB) oddzielają nici DNA. W ten sposób może rozpocząć się biosynteza łańcucha potomnego.

Biosynteza potomnych nici DNA u bakterii

Enzym prymaza jest odpowiedzialny za syntezę krótkich łańcuchów RNA zwanych starterami, które mają długość 10-15 nukleotydów. Polimeraza DNA zaczyna dodawać 5'-trifosforanowe deoksynukleozydy (dNTP) do końca 3′-OH cukru startera, po czym nić dalej rośnie z tego samego końca.

Ponieważ nici DNA są antyrównoległe, jeden starter jest syntetyzowany na nici liderowej i wiele starterów na nici opóźnionej. Z tego powodu biosynteza opóźnionego łańcucha jest nieciągła. Chociaż nici DNA są antyrównoległe, widełki replikacyjne poruszają się tylko w jednym kierunku.

Polimeraza DNA jest odpowiedzialna za tworzenie wiązań kowalencyjnych pomiędzy sąsiednimi nukleotydami nowo syntetyzowanych łańcuchów w kierunku 5'®3 '. W E. coli występuje pięć polimeraz DNA: polimerazy DNA I i III przeprowadzają replikację DNA; a polimerazy DNA II, IV i V są odpowiedzialne za naprawę i replikację uszkodzonego DNA.

Większość replikacji jest wykonywana przez polimerazę DNA III, która jest holoenzymem, który ma 10 różnych podjednostek pełniących różne funkcje w replikacji DNA. Na przykład podjednostka alfa jest odpowiedzialna za tworzenie połączeń między nukleotydami.

Za replikację DNA w bakteriach odpowiada kompleks enzymów

Helikaza DNA i prymaza łączą się, tworząc kompleks zwany primosomem. Porusza się ona wzdłuż DNA, działając w skoordynowany sposób, oddzielając dwie nici rodzicielskie, syntetyzując startery w każdym określonym przedziale na nici opóźnionej.

Prymosom fizycznie wiąże się z polimerazą DNA III i tworzy replisom. Dwie polimerazy DNA III są odpowiedzialne za replikację DNA łańcucha prowadzącego i opóźnionego. W odniesieniu do polimerazy DNA III, opóźniona nić tworzy zewnętrzną pętlę, która umożliwia dodanie nukleotydów do tej nici w tym samym kierunku, co nić liderowa.

Dodawanie nukleotydów do łańcucha liderowego jest ciągłe. Będąc w opóźnionym, jest nieciągły. Powstają fragmenty o długości 150 nukleotydów, zwane fragmentami Okazaki.

Aktywność egzonukleazy 5 '-> 3' polimerazy DNA I jest odpowiedzialna za eliminację starterów i wypełnienie, dodanie nukleotydów. Enzym ligaza zamyka szczeliny między fragmentami. Replikacja kończy się, gdy dwa zaczepy replikacji spotkają się w sekwencji zakończenia.

Białko Tus wiąże się z sekwencją terminacji, zatrzymując ruch widełek replikacyjnych. Topoizomeraza II umożliwia rozdzielenie dwóch chromosomów.

Trifosforany dezoksyrybonukleotydów są używane przez polimerazę DNA

Trifosforan deoksynukleozydu (dNTP) zawiera trzy grupy fosforanowe przyłączone do węgla 5 'dezoksyrybozy. DNTP (dATP, dTTP, dGTP i dCTP) wiążą się z łańcuchem szablonów zgodnie z regułą AT / GC.

Polimeraza DNA katalizuje następującą reakcję: Grupa hydroksylowa 3 '(–OH) rosnącego nukleotydu nici reaguje z alfa fosforanem wchodzącego dNTP, uwalniając nieorganiczny pirofosforan (PPi). Hydroliza PPi wytwarza energię do tworzenia wiązania kowalencyjnego lub wiązania fosfodiestrowego między nukleotydami rosnącego łańcucha.

Mechanizmy zapewniające wierność replikacji DNA

Podczas replikacji DNA polimeraza III DNA popełnia błąd o 100 milionów nukleotydów. Chociaż prawdopodobieństwo błędu jest bardzo niskie, istnieją mechanizmy zapewniające wierność replikacji DNA. Te mechanizmy to:

1) Stabilność parowania zasad. Energia wiązania wodorowego między AT / GC jest wyższa niż w przypadku nieprawidłowych par zasad.

2) Struktura centrum aktywnego polimerazy DNA. Polimeraza DNA korzystnie katalizuje połączenia nukleotydowe z prawidłowymi zasadami na przeciwnej nici. Złe parowanie zasad powoduje zniekształcenie podwójnej helisy DNA, co zapobiega zajęciu miejsca aktywnego enzymu przez niewłaściwy nukleotyd.

3) Test czytania. Polimeraza DNA identyfikuje wprowadzone błędne nukleotydy i usuwa je z nici potomnej. Aktywność egzonukleazy polimerazy DNA przerywa wiązania fosfodiestrowe między nukleotydami na końcu 3 'nowej nici.

Replikacja DNA u eukariontów

W przeciwieństwie do replikacji u prokariontów, gdzie replikacja zaczyna się w jednym miejscu, u eukariontów replikacja zaczyna się w wielu miejscach pochodzenia, a widełki replikacyjne poruszają się dwukierunkowo. Następnie wszystkie replikacyjne szpilki łączą się, tworząc dwie siostrzane chromatydy połączone w centromerze.

Eukarionty posiadają wiele typów polimerazy DNA, których nazwy zawierają greckie litery. Polimeraza DNA α tworzy kompleks z prymazą. Ten kompleks syntetyzuje krótkie startery składające się z 10 nukleotydów RNA, po których znajduje się 20 do 30 nukleotydów DNA.

Następnie polimeraza DNA ε lub δ katalizuje wydłużenie nici potomnej ze startera. Polimeraza DNA ε bierze udział w syntezie łańcucha liderowego, podczas gdy polimeraza DNA δ syntetyzuje opóźniony łańcuch.

Polimeraza DNA δ wydłuża fragment Okazaki po lewej stronie, aż dotrze do startera RNA po prawej stronie, wytwarzając krótki płat startera. W przeciwieństwie do prokariotów, w których polimeraza DNA usuwa starter, u eukariontów enzym endonukleaza Flap usuwa starter RNA.

Następnie ligaza DNA uszczelnia sąsiednie fragmenty DNA. Zakończenie replikacji następuje wraz z dysocjacją białek z widełek replikacyjnych.

Replikacja DNA w komórkach eukariotycznych i cyklu

Replikacja u eukariotów zachodzi w fazie S cyklu komórkowego. Zreplikowane cząsteczki DNA są wydzielane do dwóch komórek potomnych podczas mitozy. Fazy ​​G1 i G2 oddzielają fazę S i mitozę. Postęp w każdej fazie cyklu komórkowego jest silnie regulowany przez kinazy, fosfatazy i proteazy.

W fazie G1 cyklu komórkowego kompleks rozpoznawania miejsca pochodzenia (OCR) wiąże się z miejscem pochodzenia. To indukuje wiązanie helikaz MCM i innych białek, takich jak Cdc6 i Cdt1, w celu utworzenia kompleksu pre-replikacyjnego (preRC). Helikaza MCM wiąże się z łańcuchem prowadzącym.

W fazie S preRC staje się aktywnym miejscem replikacji. Białka OCR, Cdc6 i Cdt1 są uwalniane, a helikaza MCM porusza się w kierunku od 3 'do 5'. Po zakończeniu replikacji zostanie ona wznowiona w następnym cyklu komórkowym.

Replikacja końców chromosomów u eukariotów

Końce chromosomów są znane jako telomery, które składają się z powtarzających się sekwencji tandemowych i wystającego regionu 3 'o długości od 12 do 16 nukleotydów.

Polimeraza DNA nie jest w stanie replikować końca 3 'nici DNA. Wynika to z faktu, że polimeraza DNA może syntetyzować DNA tylko w kierunku 5'-3 'i może tylko wydłużać wcześniej istniejące nici, bez możliwości syntezy startera w tym regionie. W konsekwencji telomery skracają się z każdą rundą replikacji.

Enzym telomeraza zapobiega skracaniu telomerów. Telomeraza jest enzymem zawierającym podjednostki białka i RNA (TERC). Ten ostatni wiąże się z powtarzającymi się sekwencjami DNA i umożliwia telomerazie związanie się z końcem 3 'telomeru.

Sekwencja RNA za miejscem połączenia funkcjonuje jako matryca do syntezy sekwencji sześciu nukleotydów (polimeryzacji) na końcu nici DNA. Wydłużanie telomerów jest katalizowane przez podjednostki telomerazy, zwane odwrotną transkryptazą telomerazy (TERT).

Po polimeryzacji następuje translokacja, polegająca na przemieszczaniu telomerazy do nowego końca łańcucha DNA, łącząc do końca kolejne sześć nukleotydów.

Funkcje innych polimeraz DNA u eukariotów

Polimeraza DNA β odgrywa ważną rolę w usuwaniu nieprawidłowych zasad z DNA, ale nie bierze udziału w replikacji DNA.

Wiele odkrytych polimeraz DNA należy do grupy polimeraz „replikujących w wyniku translezji”. Te polimerazy są odpowiedzialne za syntezę komplementarnych nici w regionie uszkodzonego DNA.

Istnieje kilka typów polimeraz „replikujących w wyniku translesionu”. Na przykład polimeraza DNA η może replikować się na dimerach tyminy, które są wytwarzane przez światło UV.

Replikacja DNA u archebakterii

Replikacja DNA archebakterii jest podobna do replikacji u eukariontów. Wynika to z następujących powodów: 1) białka uczestniczące w replikacji są bardziej podobne do białek eukariontów niż prokariotów; i 2) chociaż istnieje tylko jedno miejsce replikacji, takie jak u prokariontów, jego sekwencja jest podobna do miejsca pochodzenia eukariontów.

Podobieństwo w replikacji między Archea i eukariotami potwierdza pogląd, że obie grupy są filogenetycznie bardziej ze sobą spokrewnione niż z prokariotami.

Bibliografia

1. Brooker, RJ 2018. Analiza i zasady genetyki. McGraw-Hill, Nowy Jork.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetyka - od genów do genomów. McGraw-Hill, Nowy Jork.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Podstawowe aspekty replikacji DNA. InTech Open access, Chorwacja.
4. Lewis, R., 2015. Koncepcje i zastosowania genetyki człowieka. McGraw-Hill, Nowy Jork.
5. Pierce, BA 2005. Genetyka - podejście konceptualne. WH Freeman, Nowy Jork.