DNA-REPLIKAATIO: MEKANISMIT PROKARYOOTEISSA JA EUKARYOOTEISSA - BIOLOGIA - 2026

DNA: n replikoitumista (deoksiribonukleiinihappo) on kopioida genomiin, eli kaikki geneettinen tieto DNA organismin tuottamaan kaksi identtistä kappaletta. Genomilla on tarvittavat tiedot täydellisen organismin rakentamiseksi.

Ennen solunjakoa tapahtuu DNA: n replikaatio. Meioosin kautta sukusolut tuotetaan seksuaaliseen lisääntymiseen. Mitoosin kautta tapahtuu solujen korvaaminen (esim. Iho ja veri) ja kehitys (esim. Kudokset ja elimet).

Lähde: Minä, Madprime

DNA: n rakenteen tunteminen antaa meille mahdollisuuden ymmärtää, kuinka sen replikaatio tapahtuu. DNA: n rakenne koostuu kaksoiskierroksesta, joka koostuu kahdesta peräkkäisten nukleotidien vastapareista, joiden typpipitoiset emäkset täydentävät toisiaan tietyllä tavalla.

Replikoitumisen aikana jokainen DNA-kaksoisjuosteen juoste toimii templaattina uuden juosteen biosynteesille. Kahdessa vasta syntetisoidussa ketjussa on emäksiä, jotka ovat komplementaarisia templaattiketjun emäksille: adeniini (A) tymiinin (T) kanssa ja sytosiini (C) guaniinin (G) kanssa.

Erilaiset entsyymit ja proteiinit osallistuvat DNA: n replikaatioon. Esimerkiksi avaamalla DNA-kaksoiskierre, pitämällä DNA auki ja lisäämällä deoksiribonukleosideja-5'-trifosfaattia (dNTP) uuden juosteen muodostamiseksi.

DNA: n replikaatio on puolikonservatiivista

Perustuen DNA: n rakenteeseen, Watson ja Crick ehdottivat, että DNA: n replikaatio tapahtuu puolikonservatiivisesti. Meselson ja Stahl osoittivat tämän merkitsemällä Escherichia colin DNA: lla raskaalla typpi-isotoopilla, ¹⁵ N, seuraamalla useiden sukupolvien jakautumismallia viljelyväliaineessa, jossa oli kevyttä typpeä, ¹⁴ N.

Meselson ja Stahl havaitsivat, että ensimmäisessä sukupolvessa kahdessa tytär-DNA-molekyylissä oli molemmat molekyylit leimattu ketjulla typen raskaalla isotoopilla ja toisella kevyellä isotoopilla. Toisin kuin kanta-DNA-molekyyli, jolla oli molemmat juosteet leimattu raskaalla isotoopilla, ¹⁵ N.

Toisessa sukupolvessa 50% DNA-molekyyleistä oli samanlaisia ​​kuin ensimmäisen sukupolven, ja muissa 50%: ssa oli vain kevyttä typpeä. Tulos tulkitaan siten, että tytär kaksinkertaisella kierroksella on emoketju (joka toimii mallina) ja uusi ketju.

Puolikonservatiivinen replikaatiomekanismi sisältää DNA-juosteiden erottamisen ja komplementaarisen emäsparin muodostamisen peräkkäisten nukleotidiparien kautta tuottaen kaksi tytär kaksinkertaista heliksiä.

Akun kopiointi

DNA: n replikaation aloittaminen bakteereissa

Bakteerien DNA koostuu pyöreästä kromosomista ja sillä on vain yksi replikaation lähtökohta. Tästä kohdasta kahden tytärketjun biosynteesi tapahtuu kaksisuuntaisesti muodostaen kaksi replikaatiohaarukkaa, jotka liikkuvat vastakkaisiin suuntiin lähtöpisteeseen nähden. Lopulta hiusneulat tapaavat loppuun replikoinnin.

Replikaatio alkaa DnaA-proteiinien sitoutumisella lähtökohtaan. Nämä proteiinit puolestaan ​​muodostavat kompleksin. Sitten muun muassa HU- ja IHF-proteiinit yhdistyvät, jotka taipuvat yhdessä DNA: ta, aiheuttaen kahden DNA-juosteen erottumisen alueelta, joka on rikas tymiinin ja adeniinin kanssa.

Seuraavaksi DNaC-proteiinit sitoutuvat, mikä aiheuttaa DNA-helikasien sitoutumisen. Ne auttavat DNA: n purkautumista ja rikkovat emäsparien väliin muodostettuja vety sidoksia. Joten kaksi ketjua erotetaan edelleen, muodostaen kaksi yksinkertaista ketjua.

Topoisomeraasi II tai DNA-gyraasi liikkuu DNA-helikaasin edessä vähentäen positiivisia superkeloja. Yksisäikeiset DNA: ta sitovat (SSB) proteiinit pitävät DNA-juosteet erillään. Siten tytärketjun biosynteesi voi alkaa.

Tytär-DNA-juosteiden biosynteesi bakteereissa

Primaasientsyymi vastaa lyhyiden RNA-ketjujen syntetisoimisesta, joita kutsutaan alukkeiksi, jotka ovat 10-15 nukleotidia pitkiä. DNA-polymeraasi alkaa lisätä 5'-trifosfaattideoksinukleosideja (dNTPs) alukkeensokerin 3'-OH-päähän, jonka jälkeen juoste kasvaa edelleen samasta päästä.

Koska DNA-juosteet ovat vastakkaisia, syntetisoidaan yksi aluke johtosekvenssille ja monia alukkeita viivästyneelle juosteelle. Tämän vuoksi viivästyneen ketjun biosynteesi on epäjatkuvaa. Vaikka DNA-juosteet ovat vastakkaisia, replikaatiohaarukka liikkuu vain yhteen suuntaan.

DNA-polymeraasi on vastuussa kovalenttisten sidosten muodostumisesta vasta syntetisoitujen ketjujen vierekkäisten nukleotidien välillä 5'®3'-suunnassa. E. colissa on viisi DNA-polymeraasia: DNA-polymeraasit I ja III suorittavat DNA-replikaation; ja DNA-polymeraasit II, IV ja V vastaavat vaurioituneen DNA: n korjaamisesta ja replikaatiosta.

Suurin osa replikaatiosta suoritetaan DNA-polymeraasilla III, joka on holoentsyymi, jolla on 10 eri alayksikköä, joilla on erilaisia ​​toimintoja DNA-replikaatiossa. Esimerkiksi alfa-alayksikkö vastaa linkkien muodostamisesta nukleotidien välille.

Entsyymikompleksi on vastuussa DNA: n replikaatiosta bakteereissa

DNA-helikaasi ja primaasi yhdistyvät muodostaen kompleksin, jota kutsutaan primosomiksi. Tämä liikkuu DNA: ta pitkin, toimimalla koordinoidusti erottamalla kaksi emoketjua, syntetisoimalla alukkeet jokaisen tietyn ajanjakson ajan viivästetyllä juosteella.

Primosomi sitoutuu fyysisesti DNA-polymeraasiin III ja muodostaa replisomin. Kaksi DNA-polymeraasia III ovat vastuussa ohjauksen ja viivästyneiden ketjujen DNA: n replikaatiosta. DNA-polymeraasi III: n suhteen viivästynyt juoste muodostaa ulospäin suuntautuvan silmukan, joka sallii nukleotidien lisäämisen tähän juosteeseen tapahtua samaan suuntaan kuin johtajaketju.

Nukleotidien lisääminen johtajaketjuun on jatkuvaa. Viivästyksessä se on epäjatkuvaa. Fragmentit muodostuu 150 nukleotidin pituisia, nimeltään Okazaki-fragmentit.

DNA-polymeraasi I: n 5 '-> 3' eksonukleaasiaktiivisuus on vastuussa alukkeiden eliminoinnista ja täyttöstä, lisäämällä nukleotideja. Ligaasientsyymi sulkee fragmenttien väliset aukot. Replikointi loppuu, kun kaksi replikointikoukkua kohtaavat päätejärjestyksessä.

Tus-proteiini sitoutuu lopetussekvenssiin, pysäyttäen replikaatiohaarukan liikkeen. Topoisomeraasi II mahdollistaa kahden kromosomin erottumisen.

DNA-polymeraasi käyttää deoksiribonukleotiditrifosfaatteja

Deoksinukleosiditrifosfaatti (dNTP) sisältää kolme fosfaattiryhmää, jotka ovat kiinnittyneet deoksiribroosin 5'-hiileen. DNTP: t (dATP, dTTP, dGTP ja dCTP) sitoutuvat templaattiketjuun noudattaen AT / GC-sääntöä.

DNA-polymeraasi katalysoi seuraavaa reaktiota: Kasvavan juosteen nukleotidin 3'-hydroksyyliryhmä (–OH) reagoi tulevan dNTP: n alfafosfaatin kanssa vapauttaen epäorgaanista pyrofosfaattia (PPi). PPi: n hydrolyysi tuottaa energiaa kovalenttisen sidoksen tai fosfodiesterisidoksen muodostumiseksi kasvavan ketjun nukleotidien välillä.

Mekanismit, jotka varmistavat DNA-replikaation uskollisuuden

DNA-replikaation aikana DNA-polymeraasi III tekee virheen 100 miljoonalla nukleotidillä. Vaikka virheen todennäköisyys on hyvin pieni, on olemassa mekanismeja, jotka varmistavat uskottavuuden DNA: n replikaatiossa. Nämä mekanismit ovat:

1) Vakaus pohjaparissa. Vety- sidosenergia AT / GC: n välillä on korkeampi kuin väärässä emäsparissa.

2) DNA-polymeraasin aktiivisen paikan rakenne. DNA-polymeraasi katalysoi ensisijaisesti nukleotidiliitoksia oikeilla emäksillä vastakkaisella juosteella. Huono emäspariutuminen johtaa DNA-kaksoiskierukan vääristymiseen, estäen väärää nukleotidia miehittämästä entsyymin aktiivista kohtaa.

3) Lukemistesti. DNA-polymeraasi tunnistaa sisällytetyt virheelliset nukleotidit ja poistaa ne tytär juosteesta. DNA-polymeraasin eksonukleaasiaktiivisuus rikkoo fosfodiesterisidoksia nukleotidien välillä uuden juosteen 3'-päässä.

DNA: n replikaatio eukaryooteissa

Toisin kuin replikaatio prokaryooteissa, joissa replikaatio alkaa yhdestä kohdasta, replikaatio eukaryooteissa alkaa useista lähtökohdista ja replikaatiohaarukka liikkuu kaksisuuntaisesti. Myöhemmin kaikki replikaation hiusneulat sulautuvat muodostaen kaksi sisarkromatidiä, jotka liittyivät sentromeeriin.

Eukaryooteilla on monen tyyppisiä DNA-polymeraaseja, joiden nimissä käytetään kreikkalaisia ​​kirjaimia. DNA-polymeraasi a muodostaa kompleksin primaasin kanssa. Tämä kompleksi syntetisoi lyhyitä alukkeita, jotka koostuvat 10 RNA: n nukleotidistä, jota seuraa 20-30 nukleotidia DNA: ta.

Seuraavaksi e- tai 5-DNA-polymeraasi katalysoi tytär juosteen pidennystä alukkeesta. DNA-polymeraasi ε osallistuu johtajaketjun synteesiin, kun taas DNA-polymeraasi δ syntetisoi hidastettua ketjua.

DNA-polymeraasi δ pidentää Okazaki-fragmenttia vasemmalla, kunnes se saavuttaa RNA-alukkeen oikealla, tuottaen lyhyen läpän alukkeesta. Toisin kuin prokaryootit, joissa DNA-polymeraasi poistaa alukkeen, eukaryooteissa Flap-endonukleaasientsyymi poistaa RNA-alukkeen.

Seuraavaksi DNA-ligaasi sulkee vierekkäiset DNA-fragmentit. Replikaation loppuun saattaminen tapahtuu proteiinien dissosioitumisella replikaatiohaarukasta.

DNA: n replikoitumista eukaryoottisissa solusyklin ja

Replikaatio eukaryooteissa tapahtuu solusyklin S-vaiheessa. Replikoidut DNA-molekyylit erittyvät kahteen tytärsoluun mitoosin aikana. G1- ja G2-vaiheet erottavat S-vaiheen ja mitoosin. Kinaasit, fosfataasit ja proteaasit säätelevät etenemistä solusyklin kunkin vaiheen läpi.

Solusyklin G1-vaiheessa alkuperäntunnistuskompleksi (OCR) sitoutuu lähtökohtaan. Tämä indusoi MCM-helikaasien ja muiden proteiinien, kuten Cdc6: n ja Cdt1: n, sitoutumisen pre-replikaatiokompleksin (preRC) muodostamiseksi. MCM-helikaasi sitoutuu ohjausketjuun.

S-vaiheessa preRC: stä tulee aktiivinen replikaatiokohta. OCR, Cdc6 ja Cdt1 -proteiinit vapautuvat, ja MCM-helikaasi liikkuu suunnassa 3 ′ - 5 ′. Kun replikointi on valmis, se käynnistetään uudelleen seuraavassa solusyklissä.

Kromosomien päiden replikaatio eukaryooteissa

Kromosomien päät tunnetaan telomeereinä, jotka koostuvat toistuvista tandem-sekvensseistä ja ulkonevasta 3'-alueesta, pituus 12-16 nukleotidia.

DNA-polymeraasi ei pysty replikoimaan DNA-juosteiden 3'-päätä. Tämä johtuu siitä, että DNA-polymeraasi voi syntetisoida DNA: ta vain 5'-3'-suunnassa ja voi vain pidentää olemassa olevia juosteita, ilman että se pystyisi syntetisoimaan aluketta tällä alueella. Näin ollen telomeerit lyhenevät jokaisella replikaatiokierroksella.

Telomeraasi-entsyymi estää telomeerien lyhentymisen. Telomeraasi on entsyymi, jolla on proteiini- ja RNA-alayksiköitä (TERC). Jälkimmäinen sitoutuu toistuviin DNA-sekvensseihin ja sallii telomeraasin sitoutua telomeerin 3'-päähän.

Liitoskohdan takana oleva RNA-sekvenssi toimii templaattina kuuden nukleotidisekvenssin synteesille (polymerointi) DNA-juosteen päässä. Telomeerin venymistä katalysoivat telomeraasin alayksiköt, nimeltään telomeraasin käänteistranskriptaasi (TERT).

Polymeroinnin jälkeen tapahtuu translokaatio, joka koostuu telomeraasin liikkeestä DNA-ketjun uuteen päähän, joka yhdistää vielä kuusi nukleotidia loppuun saakka.

Muiden DNA-polymeraasien toiminnot eukaryooteissa

DNA-polymeraasilla β on tärkeä rooli väärien emästen poistamisessa DNA: sta, mutta se ei osallistu DNA: n replikaatioon.

Monet löydetyt DNA-polymeraasit kuuluvat "translesiota replikoivien" polymeraasien ryhmään. Nämä polymeraasit ovat vastuussa komplementaaristen juosteiden syntetisoimisesta vaurioituneen DNA: n alueella.

On olemassa erityyppisiä "translesiota replikoivia" polymeraaseja. Esimerkiksi DNA-polymeraasi η voi replikoitua tymiinidimeereissä, joita tuottaa UV-valo.

DNA-replikaatio arkebakteerissa

Arkebakteerien DNA-replikaatio on samanlainen kuin eukaryooteissa. Tämä johtuu seuraavista: 1) replikaatioon osallistuvat proteiinit ovat samankaltaisia ​​kuin eukaryootit kuin prokaryootit; ja 2) vaikka on vain yksi replikaatiokohta, kuten prokaryooteissa, sen sekvenssi on samanlainen kuin eukaryoottien lähtökohta.

Arkean ja eukaryoottien välisen replikaation samankaltaisuus tukee ajatusta, että molemmat ryhmät ovat fylogeneettisesti enemmän toisiinsa nähden kuin joko prokaryooteihin.

Viitteet

1. Brooker, RJ 2018. Genetiikan analyysi ja periaatteet. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetiikka - geeneistä genomiin. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. DNA: n replikaation perusteet. InTech Open access, Kroatia.
4. Lewis, R., 2015. Ihmisen genetiikan käsitteet ja sovellukset. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetiikka - käsitteellinen lähestymistapa. WH Freeman, New York.