DNA-REPLIKASJON: MEKANISMER, I PROKARYOTER OG EUKARYOTER - BIOLOGI - 2026

Den replikasjonen av DNA (deoksyribonukleinsyre) er å kopiere genomet, dvs. all den genetiske informasjon i DNA i en organisme for å produsere to identiske kopier. Genomet har den informasjonen som er nødvendig for å bygge en komplett organisme.

Før celledeling skjer DNA-replikasjon. Gjennom meiose produseres gameter for seksuell reproduksjon. Gjennom mitose forekommer celleerstatning (f.eks. Hud og blod) og utvikling (f.eks. Vev og organer).

Kilde: Jeg, Madprime

Når vi kjenner strukturen til DNA, kan vi forstå hvordan dets replikering oppstår. Strukturen av DNA består av en dobbel helix, sammensatt av to antiparallelle kjeder av suksessive nukleotider, hvis nitrogenholdige baser utfyller hverandre på en spesifikk måte.

Under replikering fungerer hver streng av DNA-dobbeltstrengen som en mal for biosyntesen av en ny streng. De to nylig syntetiserte kjedene har baser som er komplementære til basene i malkjeden: adenin (A) med timin (T), og cytosin (C) med guanin (G).

Ulike enzymer og proteiner er involvert i DNA-replikasjon. For eksempel å åpne DNA dobbelt helix, holde DNA åpent og tilsette deoksyribonukleosider-5′-trifosfat (dNTP) for å danne den nye strengen.

DNA-replikasjon er semikonservativ

Basert på strukturen til DNA foreslo Watson og Crick at DNA-replikasjon skjer semi-konservativt. Dette ble demonstrert av Meselson og Stahl ved å merke DNA fra Escherichia coli med den tunge isotopen av nitrogen, ¹⁵ N, etter fordelingsmønsteret i et kulturmedium med lett nitrogen, ¹⁴ N i flere generasjoner .

Meselson og Stahl fant ut at i den første generasjonen hadde de to datterens DNA-molekyler hvert molekyl merket med en kjede med den tunge isotopen av nitrogen og en annen med den lette isotopen. I motsetning til foreldre-DNA-molekylet, som hadde begge strengene merket med den tunge isotopen, ¹⁵ N.

I andre generasjon var 50% av DNA-molekylene som de fra den første generasjonen, og de andre 50% hadde bare lett nitrogen. Tolkningen av dette resultatet er at datterens doble helix har en foreldrekjede (som fungerer som en mal) og en ny kjede.

Den semi-konservative replikasjonsmekanismen innebærer separasjon av DNA-tråder og komplementær baseparring gjennom suksessiv nukleotid-parring, og produserer to datter-dobbelt helixer.

Replikering av batteri

Initiering av DNA-replikasjon i bakterier

Bakteriell DNA består av et sirkulært kromosom og har bare ett sted for replikasjon. Fra dette stedet skjer biosyntesen av de to datterkjedene toveisk, og danner to replikasjonsgaffler som beveger seg i motsatte retninger til opprinnelsen. Til slutt møtes hårnålene og fullfører replikasjonen.

Replikasjon begynner med binding av DnaA-proteiner til opprinnelsesstedet. Disse proteinene danner igjen et kompleks. Deretter går HU- og IHF-proteiner sammen, som sammen bøyer DNA-et, og forårsaker separasjon av de to DNA-strengene i et område rikt på timin og adenin.

Deretter binder DNaC-proteiner seg, noe som får DNA-helikaseene til å binde seg. De hjelper med å slappe av DNA og bryte hydrogenbindinger, dannet mellom basepar. Så de to kjedene er ytterligere separert, og danner to enkle kjeder.

Topoisomerase II, eller DNA-gyrase, beveger seg foran DNA-helikase, og reduserer positive supercoils. Enstrengede DNA-bindende (SSB) proteiner holder DNA-tråder fra hverandre. Dermed kan biosyntesen av datterkjeden begynne.

Biosyntese av datter-DNA-tråder i bakterier

Primase-enzymet er ansvarlig for å syntetisere korte RNA-kjeder som kalles primere, som er 10-15 nukleotider lange. DNA-polymerase begynner å tilsette 5'-trifosfatdeoksynukleosider (dNTP-er) til 3'-OH-enden av primersukkeret, hvoretter tråden fortsetter å vokse fra samme ende.

Fordi DNA-tråder er antiparallelle, syntetiseres en primer på lederstrengen og mange primere på lagstrengen. På grunn av dette er biosyntesen av den forsinkede kjeden diskontinuerlig. Selv om DNA-strengene er antiparallelle, beveger replikasjonsgaffelen seg kun i en retning.

DNA-polymerase er ansvarlig for dannelsen av kovalente bindinger mellom tilstøtende nukleotider i de nylig syntetiserte kjeder, i 5'®3 ′-retningen. I E. coli er det fem DNA-polymeraser: DNA-polymeraser I og III utfører DNA-replikasjon; og DNA-polymeraser II, IV og V er ansvarlige for å reparere og replikere skadet DNA.

Det meste av replikasjonen utføres av DNA-polymerase III, som er et holoenzym som har 10 forskjellige underenheter med forskjellige funksjoner i DNA-replikasjon. For eksempel er alfa-underenheten ansvarlig for å lage koblinger mellom nukleotider.

Et kompleks av enzymer er ansvarlig for replikering av DNA i bakterier

DNA-helikase og primase går sammen for å danne et kompleks som kalles et primosom. Dette beveger seg langs DNAet, og virker på en koordinert måte for å skille de to foreldrestrengene, og syntetisere primerne hvert bestemt intervall på den forsinkede tråden.

Primosomet binder fysisk til DNA-polymerase III og danner replisomet. To DNA-polymeraser III er ansvarlige for å replikere DNA fra guide og forsinkede kjeder. Når det gjelder DNA-polymerase III, danner den forsinkede streng en ytre sløyfe, som gjør at tilsetningen av nukleotider til denne strengen kan forekomme i samme retning som lederstrengen.

Tilsetningen av nukleotider til lederkjeden er kontinuerlig. Mens i forsinket er det diskontinuerlig. Fragmenter 150 nukleotider i lengde dannes, kalt Okazaki-fragmenter.

5 ′ -> 3 ′ eksonukleaseaktiviteten til DNA-polymerase I er ansvarlig for å eliminere primerne og fylle, tilsette nukleotider. Et ligaseenzym tetter hullene mellom fragmentene. Replikering avsluttes når de to replikasjonskrokene møtes i en termineringssekvens.

Tus-proteinet binder seg til termineringssekvensen, og stopper bevegelsen til replikasjonsgaffelen. Topoisomerase II tillater separasjon av de to kromosomene.

Deoksyribonukleotid-trifosfater brukes av DNA-polymerase

Deoksynukleosidtrifosfat (dNTP) inneholder tre fosfatgrupper festet til 5 ′ karbonet av deoksyribose. DNTP-ene (dATP, dTTP, dGTP og dCTP) binder seg til malkjeden etter AT / GC-regelen.

DNA-polymerase katalyserer følgende reaksjon: 3-hydroksylgruppen (–OH) til det voksende strengnukleotid reagerer med alfosfatet til det innkommende dNTP, og frigjør uorganisk pyrofosfat (PPi). Hydrolysen av PPi produserer energien for dannelse av den kovalente bindingen, eller fosfodiesterbinding, mellom nukleotider i den voksende kjeden.

Mekanismer som sikrer fideliteten til DNA-replikasjon

Under DNA-replikasjon gjør DNA-polymerase III en feil ved 100 millioner nukleotider. Selv om sannsynligheten for feil er veldig liten, er det mekanismer som sikrer troskap i DNA-replikasjon. Disse mekanismene er:

1) Stabilitet i baseparring. Hydrogenbindingsenergien mellom AT / GC er høyere enn i gale basepar.

2) Struktur av det aktive setet for DNA-polymerase. DNA-polymerase katalyserer fortrinnsvis nukleotidforbindelser med riktige baser på den motsatte streng. En dårlig baseparring forårsaker en forvrengning av DNA-dobbeltspiral, som forhindrer at galt nukleotid opptar det aktive stedet for enzymet.

3) Lesetest. DNA-polymerase identifiserer inkorporerte feilaktige nukleotider og fjerner dem fra datterstrengen. Eksonukleaseaktiviteten til DNA-polymerase bryter fosfodiesterbindingene mellom nukleotider ved 3 'enden av den nye streng.

DNA-replikasjon i eukaryoter

I motsetning til replikering i prokaryoter, der replikering begynner på et enkelt sted, begynner replikering i eukaryoter på flere opprinnelsessteder og replikasjonsgaffelen beveger seg toveis. Deretter smeltes alle replikasjonshårnålene sammen og danner to søsterkromatider sammenføyd i sentromeren.

Eukaryoter har mange typer DNA-polymerase, hvis navn bruker greske bokstaver. DNA-polymerase a danner et kompleks med primase. Dette komplekset syntetiserer korte primere bestående av 10 nukleotider av RNA etterfulgt av 20 til 30 nukleotider av DNA.

Deretter katalyserer ε eller δ DNA-polymerase forlengelse av datterstrengen fra primeren. DNA-polymerase e er involvert i syntesen av lederkjeden, mens DNA-polymerase 5 syntetiserer den forsinkede kjeden.

DNA-polymerase 5 forlenger Okazaki-fragmentet på venstre side til det når RNA-primeren til høyre, og frembringer en kort klaff av primeren. I motsetning til prokaryoter, der en DNA-polymerase fjerner primeren, fjerner RNA-primeren i eukaryoter.

Deretter forsegler en DNA-ligase de tilstøtende DNA-fragmentene. Fullføring av replikasjon skjer med dissosiering av proteiner fra replikasjonsgaffelen.

Den replikasjon av DNA i eukaryote cellesyklus og

Replikasjon i eukaryoter skjer i S-fasen av cellesyklusen. De repliserte DNA-molekylene skilles ut i to datterceller under mitose. G1- og G2-fasene skiller S-fasen og mitosen. Progresjon gjennom hver fase av cellesyklusen er sterkt regulert av kinaser, fosfataser og proteaser.

I G1-fasen av cellesyklusen binder opprinnelsesgjenkjenningskomplekset (OCR) seg til opprinnelsesstedet. Dette induserer binding av MCM-helikaser og andre proteiner, slik som Cdc6 og Cdt1, for å danne et pre-replikasjonskompleks (preRC). MCM-heliksen binder seg til føringskjeden.

I S-fase blir preRC et aktivt replikasjonssted. OCR-, Cdc6- og Cdt1-proteinene frigjøres, og MCM-heliksen beveger seg i retningen 3 ′ til 5 ′. Når replikasjonen er ferdig, vil den bli startet på nytt i neste cellesyklus.

Replikering av endene av kromosomer i eukaryoter

Endene av kromosomer er kjent som telomerer, som består av gjentatte tandemsekvenser, og et 3 ′-område som stikker ut, 12 til 16 nukleotider i lengde.

DNA-polymerase er ikke i stand til å gjenskape 3'-enden av DNA-strengene. Dette skyldes det faktum at DNA-polymerase bare kan syntetisere DNA i 5'-3'-retningen, og bare kan forlenge eksisterende eksisterende tråder uten å være i stand til å syntetisere en grunning i dette området. Følgelig forkortes telomerene med hver replikasjonsrunde.

Enzymet telomerase forhindrer forkortelse av telomerer. Telomerase er et enzym som har protein- og RNA-underenheter (TERC). Sistnevnte binder seg til de repeterende sekvensene av DNA, og lar telomerase binde seg til 3'-enden av telomeren.

En RNA-sekvens bak knutepunktet fungerer som en mal for syntesen av en seks nukleotidsekvens (polymerisasjon) ved enden av DNA-strengen. Telomerforlengelse katalyseres av underenheter av telomerase, kalt telomerase revers transkriptase (TERT).

Etter polymerisering skjer translokasjon, bestående av bevegelse av telomerase til en ny ende av DNA-kjeden, og blir sammen med ytterligere seks nukleotider til slutten.

Funksjonene til andre DNA-polymeraser i eukaryoter

DNA-polymerase β spiller en viktig rolle i å fjerne ukorrekte baser fra DNA, men det er ikke involvert i DNA-replikasjon.

Mange oppdagede DNA-polymeraser tilhører gruppen "translesjonsrepliserende" polymeraser. Disse polymeraseene er ansvarlige for å syntetisere komplementære tråder i et område med skadet DNA.

Det er flere typer "translesjonsreplikerende" polymeraser. For eksempel kan DNA-polymerase η replikere på tymindimerer, som er produsert av UV-lys.

DNA-replikasjon i archaebacteria

Archaebacterial DNA-replikasjon er lik den i eukaryoter. Dette skyldes følgende: 1) proteinene som deltar i replikasjon er mer lik proteiner fra eukaryoter enn de fra prokaryoter; og 2) selv om det bare er et replikasjonssted, så som i prokaryoter, er dets sekvens lik stedet for opphavet til eukaryoter.

Likheten i replikasjon mellom Archea og eukaryoter støtter ideen om at begge gruppene er fylogenetisk mer relatert til hverandre enn enten til prokaryoter.

referanser

1. Brooker, RJ 2018. Genetisk analyse og prinsipper. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetikk - fra gener til genom. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Grunnleggende aspekter ved DNA-replikasjon. InTech Open tilgang, Kroatia.
4. Lewis, R., 2015. Konsepter og anvendelser av humangenetikk. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetikk - en konseptuell tilnærming. WH Freeman, New York.