DNA -replikasjonsmekanismer, i prokaryoter og eukaryoter

De Replikering av DNA (Desoxyribonucleic acid) Det består av å kopiere genomet, det vil si all genetisk informasjon i DNA -DNAet til en organisme, for å produsere to identiske kopier. Genomet har den nødvendige informasjonen for å bygge en komplett organisme.

Før celledeling oppstår DNA -replikasjon. Gjennom meiose oppstår gameter for seksuell reproduksjon. Gjennom mitose skjer celleutskiftning (for eksempel hud og blod) og utvikling (for eksempel vev og organer).

Kunnskapen om DNA -strukturen lar oss forstå måten replikasjonen skjer. Strukturen til DNA består av en dobbel propell, sammensatt av to antipaallale kjeder av påfølgende nukleotider, hvis nitrogenbaser er komplementert spesifikt.

Under replikasjonen fungerer hver av kjedene i dobbelt DNA -kjeden som en form for biosyntesen av en ny kjede. De to nylig syntetiserte kjedene har baser som er komplementære til basene i muggkjeden: adenin (a) med timina (t), og cytosin (C) med guanin (g).

Flere enzymer og proteiner deltar i DNA -replikasjon. For eksempel å åpne den doble DNA-propellen, holde DNA åpen og tilsette deoksyribonukleosidos-5'-trifosfat (DNTP) for å danne den nye kjeden.

[TOC]

DNA -replikasjon er semi -konservativ

Basert på strukturen til DNA, foreslo Watson og Crick at DNA -replikasjon skjer på en semi -konservativ måte. Dette ble demonstrert av Meselson og Stahl ved å markere DNA av Escherichia coli Med den tunge isotopen av nitrogen, ^femtenN, følger i flere generasjoner distribusjonsmønsteret i et kulturmedium med lett nitrogen, ¹⁴N.

Messelson og Stahl fant ut at de to døtrene DNA -molekyler i første generasjon hadde, hvert molekyl merket med en kjede med det tunge nitrogenisotopet og en annen med lysisotopen. I motsetning til foreldrenes DNA -molekyl, som hadde de to kjedene merket med den tunge isotopen, ^femtenN.

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

Den halvkonservative replikasjonsmekanismen innebærer separasjon av DNA -kjeder og parring av komplementære baser ved hjelp av påfølgende nukleotider, og produserer to dobbeltdøtre døtre døtre.

Replikering i batterier

Start av DNA -replikasjon i bakterier

Bakterier DNA består av et sirkulært kromosom og har bare ett opprinnelsessted for replikasjonen. Fra dette nettstedet skjer biosyntesen av de to døtrene toveis, og danner to replikasjonsgaffler som beveger seg i retninger i motsetning til opprinnelsen. Til slutt er gaflene, og fullfører replikasjonen.

Replikasjon begynner med foreningen av DNAA -proteiner til opprinnelsesstedet. Disse proteinene danner igjen et kompleks. Da er HU- og IHF -proteiner bindet.

Deretter er DNAC -proteiner sammen med, som får helikasene til DNA -å bli med. Disse hjelper til med å slappe av DNA og bryte hydrogenbindinger, dannet i basepar. Så de to kjedene skiller seg enda mer, og danner to enkle kjeder.

Topoisomerase II, eller DNA Girasa, beveger seg foran DNA Helicy. Enkeltkjede DNA -binding (SSB) proteiner holder DNA -kjedene separate. Dermed kan biosyntesen av datterkjeden begynne.

Biosyntese av døtre DNA -kjeder i bakterier

Prima -enzym er ansvarlig for å syntetisere korte RNA -kjeder kalt primere, som har 10 til 15 nukleotider i lengde. DNA-polymerase begynner å tilsette 5'-trifosfat (DNTPs) til 3'-OH av grunningssukkeret, hvoretter kjeden fortsetter å vokse i samme ende.

Fordi DNA -kjeder er antiparallell, blir en grunning syntetisert i guidekjeden og mange primere i den forsinkede kjeden. På grunn av dette er biosyntesen av den forsinkede kjeden diskontinuerlig. Selv om DNA -kjeder er antiparallell, beveger replikasjonsgaffelen seg i en retning.

DNA -polymerasen er ansvarlig for dannelsen av kovalente bindinger mellom tilstøtende nukleotider av de nylig syntetiserte kjedene, i 5'®3 'retning. I OG. coli, Det er fem polymerase -DNA: DNA -polymeraser I og III utfører DNA -replikasjon; og DNA -polymerasene II, IV og V er ansvarlige for å gjenskape og replikere skadet DNA.

Det meste av replikasjonen er laget av DNA -polymerase III, som er et holoenzym som har 10 forskjellige underenheter med flere funksjoner i replikasjonen av DNA. For eksempel er alfa -underenhet ansvarlig for å gjøre bindinger mellom nukleotider.

Et enzymkompleks er ansvarlig for replikering av DNA i bakterier

Helikasen til DNA og prima er sammen med å danne et kompleks kalt primosoma. Dette beveger seg langs DNAet, og virker på en koordinert måte for å skille de to foreldrekjedene, og syntetiserer primerne hvert eneste intervall på den forsinkede kjeden.

Primosom binder fysisk til DNA -polymerase III, og danner replisomet. To DNA -polymeraser III er ansvarlige for å gjenskape DNAet i guiden og forsinkede kjeder. Når det.

Tilsetningen av nukleotider til guidekjeden er kontinuerlig. Mens det er i forsinkelsen er det diskontinuerlig. Fragmenter av 150 nukleotider av lengden dannes, kalt Okazaki -fragmenter.

Exonukleaseaktiviteten 5 ' -> 3' av DNA -polymerasen I er ansvarlig for å eliminere primerne og fyllingen, tilsett nukleotider. Et enzymligase forsegler hullene mellom fragmentene. Replikering slutter når de to replikasjonene hoquillaer er i en fullføringssekvens.

Proteinet din binder deg til termineringssekvensen, og stopper bevegelsen av replikasjonsgaffelen. Topoisomerase II tillater separasjon av de to kromosomene.

Desoxiribonucleotides Tryphosphates brukes ved DNA -polymerase

Dexinucleoside Tryphosphate (DNTP) inneholder tre fosfatgrupper forent til Carbon 5 'av Deoxyribosa. DNTP -ene (DATP, DTTP, DGTP og DCTP) blir med i moldkjeden etter AT/GC -regelen.

DNA-polymerasen katalyserer følgende reaksjon: hydroksylgruppen (-OH) 3 'av nukleotidet til den voksende kjeden reagerer med alfafosfatet til den innkommende DNTP, og frigjør uorganisk pyrofosfat (PPI) (PPI). PPI -hydrolyse produserer energi for dannelse av den kovalente bindingen, eller fosfodiésterbinding, mellom nukleotider av den voksende kjeden.

Mekanismer som sikrer replikasjonstroskapen til DNA

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

1) Stabilitet i base APAR. Hydrogenbindingsenergien mellom AT/GC er større enn i feilaktige basepar.

2) DNA -polymerase aktiv stedstruktur. DNA -polymerase katalyserer fortrinnsvis nukleotider med riktige baser i motsatt kjede. En dårlig parring av baser forårsaker en forvrengning av den doble DNA -propellen, som forhindrer feil nukleotid fra å okkupere det aktive stedet for enzymet.

3) Lesetest. DNA -polymerase identifiserer inkorporerte feilaktige nukleotider og eliminerer dem fra datterkjeden. Eksonukleaseaktiviteten til polymerase -DNA bryter fosfodiésterbindingene mellom nukleotider i 3 'enden av den nye kjeden.

DNA -replikasjon i eukaryoter

I motsetning til replikasjonen i prokaryoter, hvis replikasjon begynner på et enkelt sted, begynner eukaryotisk replikasjon på flere opprinnelsessteder og replikasjonsgaffelen beveger seg toveis. Deretter blir alle replikasjonsgaffler slått sammen, og danner to søsterkromatider som er sammen med sentromere.

Eukaryotas har mange typer DNA -polymerase, hvis navn bruker greske bokstaver. DNA -polymerase α danne et kompleks med prima. Dette komplekse syntetiserer korte primere bestående av 10 RNA -nukleotider etterfulgt av 20 til 30 DNA -nukleotider.

Deretter DNA -polymerase ε enten Δ katalyserer forlengelsen av datterkjeden fra grunning. DNA -polymerase ε Det er involvert i syntesen av den ledende kjeden, mens DNA -polymerase Δ Syntetiser den forsinkede kjeden.

DNA -polymerase Δ Forleng det venstre Okazaki -fragmentet til den når høyre RNA -primer, og produserer en kort løft av grunning ("kort klaff"). I motsetning til prokaryoter, der et polymerase -DNA eliminerer primeren, eliminerer i eukaryotene en endonuklease -klaffenzym eliminerer RNA -primeren.

Deretter forsegler en DNA -ligase DNA -fragmentene som ligger ved siden av. Fullføringen av replikering skjer med dissosiasjon av replikasjonsgaffelproteiner.

De DNA -replikasjon i eukaryoter og cellesyklus

Replikasjon i eukaryoter skjer i s -fasen av cellesyklusen. Replikerte DNA -molekyler er segregerte i to datterceller under mitose. Faser G1 og G2 skiller S -fasen og mitose. Progresjonen gjennom hver fase av cellesyklusen er sterkt regulert av kinaser, fosfataser og proteaser.

I G1 -fasen av cellesyklusen blir opprinnelsesgjenkjenningskomplekset (OCR) til opprinnelsesstedet. Dette induserer foreningen av MCM Helicas og andre proteiner, for eksempel CDC6 og CDT1, for å danne et pre-Replication Complex (PRC). Las Helicase MCM blir med i guidekjeden.

I fase S blir PRERC et aktivt replikasjonssted. OCR, CDC6 og CDT1 -proteiner frigjøres, og MCM -helikasen beveger seg i retning 3 'til 5'. Når replikasjonen er slutt, vil dette bli startet på nytt i neste cellesyklus.

Replikering av endene av kromosomer i eukaryoter

Endene av kromosomene er kjent som telomerer, som består av gjentatte sekvenser i tandem, og av en 3 'region som utmerker seg, fra 12 til 16 nukleotider av lengden.

DNA -polymerase klarer ikke å gjenskape 3 'enden av DNA -kjeder. Dette er fordi DNA-polymerase bare kan syntetisere DNA i 5'-3 'adressen, og bare kan forlenge eksisterende kjeder, uten å kunne syntetisere en grunning i denne regionen. Følgelig forkortes telomerer i hver replikasjonsrunde.

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

En sekvens av RNA bak unionen lokalisert som en form for syntese av en sekvens på seks nukleotider (polymerisasjon) på slutten av DNA -kjeden. Forlengelsen av telomeren katalyseres av underenheter av telomerase, kalt omvendt telomerase -transkriptase (TERT).

Etter polymerisasjon skjer translokalisering sted, bestående av bevegelse av telomerase til en ny ende av DNA -kjeden, og sammenføyning av seks andre nukleotider til slutten.

Funksjonene til andre DNA -polymeraser i eukaryotene

DNA -polymerase β Det har en viktig rolle i eliminering av uriktige baser av DNA, men det er ikke involvert i DNA -replikasjon.

Mange oppdaget polymerase-DNA tilhører den "translesjon-replikerende" polymerasegruppen. Disse polymerasene er ansvarlige for å syntetisere komplementære kjeder i et skadet DNA -region.

Det er flere typer polymeraser "translesjon-replikerende". For eksempel DNA -polymerase η Du kan gjenskape om Timina Dímeros, som er produsert av UV -lys.

DNA -replikasjon i arkeobakterier

Replikasjonen av Archeobacteria DNA ligner den som er gitt i eukaryoter. Dette skyldes følgende: 1) proteiner som deltar i replikasjon er mer som de av eukaryoter enn for prokaryoter; og 2) Selv om det bare er ett replikasjonssted som i prokaryoter, er sekvensen lik stedet for eukaryotisk opprinnelse.

Likheten i replikasjonen mellom buene og eukaryotene støtter ideen om at begge gruppene er fylogenetisk mer relatert til hverandre enn noen av dem med prokaryotene.

Referanser

1. Brooker, r. J. 2018. Genetikkanalyse og prinsipper. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, l. H., Goldberg, m. L., Fischer, J. TIL., HOOD, l. 2018. Genetikk - fra genomgener. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Grunnleggende aspekter ved DNA -replikasjon. Intech Open Access, Kroatia.
4. Lewis, r., 2015. Menneskelige genetiske konsepter og applikasjoner. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, f. TIL. 2005. Genetikk - En konseptuell tilnærming. W. H. Freeman, New York.