DNA-REPLIKATION: MEKANISMER I PROKARYOTER OG EUKARYOTER - BIOLOGI - 2025

Den replikation af DNA (deoxyribonucleinsyre) er at kopiere genomet, dvs. alle den genetiske information i DNA'et af en organisme for at fremstille to identiske kopier. Genomet har de nødvendige oplysninger for at opbygge en komplet organisme.

Før celledeling forekommer DNA-replikation. Gennem meiose produceres gameter til seksuel reproduktion. Gennem mitose forekommer celleudskiftning (f.eks. Hud og blod) og udvikling (f.eks. Væv og organer).

Kilde: Jeg, Madprime

At kende strukturen af ​​DNA giver os mulighed for at forstå, hvordan dens replikation forekommer. Strukturen af ​​DNA består af en dobbelt helix sammensat af to antiparallelle kæder af successive nukleotider, hvis nitrogenholdige baser komplementerer hinanden på en bestemt måde.

Under replikation fungerer hver streng af DNA-dobbeltstrengen som en skabelon til biosyntesen af ​​en ny streng. De to nyligt syntetiserede kæder har baser, der er komplementære til baserne i skabelonkæden: adenin (A) med thymin (T) og cytosin (C) med guanin (G).

Forskellige enzymer og proteiner er involveret i DNA-replikation. For eksempel at åbne DNA-dobbelt helix, holde DNA'et åbent og tilføje deoxyribonucleosides-5′-triphosphat (dNTP) for at danne den nye streng.

DNA-replikation er semikonservativ

Baseret på strukturen af ​​DNA foreslog Watson og Crick, at DNA-replikation finder sted semikonservativt. Dette blev demonstreret af Meselson og Stahl ved at mærke DNA'et fra Escherichia coli med den tunge isotop af nitrogen, ¹⁵ N, efter fordelingsmønsteret i et kulturmedium med let kvælstof, ¹⁴ N i flere generationer.

Meselson og Stahl fandt, at de to datter-DNA-molekyler i den første generation havde hvert molekyle mærket med en kæde med den tunge isotop af nitrogen og en anden med den lette isotop. I modsætning til det overordnede DNA-molekyle, der havde begge strenge mærket med den tunge isotop, ¹⁵ N.

I anden generation var 50% af DNA-molekylerne som dem i den første generation, og de andre 50% havde kun let kvælstof. Fortolkningen af ​​dette resultat er, at datterens dobbelte helix har en forældrekæde (som fungerer som en skabelon) og en ny kæde.

Den semi-konservative replikationsmekanisme involverer adskillelse af DNA-strenge og komplementær baseparring gennem successiv nukleotidparring, hvilket producerer to datter-dobbelthelixer.

Batteri replikering

Initiering af DNA-replikation i bakterier

Bakterielt DNA består af et cirkulært kromosom og har kun ét sted for replikationsoprinnelse. Fra dette sted forekommer biosyntesen af ​​de to datterkæder tovejs, og danner to replikationsgafler, der bevæger sig i retninger modsat oprindelsen. I sidste ende mødes hårnålerne og afslutter replikationen.

Replikation begynder med bindingen af ​​DnaA-proteiner til oprindelsesstedet. Disse proteiner danner igen et kompleks. Derefter går HU- og IHF-proteiner sammen, som sammen folder DNA'et, hvilket forårsager adskillelse af de to DNA-strenge i et område, der er rig på thymin og adenin.

Dernæst binder DNaC-proteiner, hvilket får DNA-helikaser til at binde. De hjælper med at slappe af DNA og bryde brintbindinger dannet mellem basepar. Så de to kæder er adskilt yderligere og danner to enkle kæder.

Topoisomerase II, eller DNA-gyrase, bevæger sig foran DNA-helikase, hvilket reducerer positive supercoils. Enkeltstrengede DNA-bindende (SSB) proteiner holder DNA-strenge fra hinanden. Således kan biosyntesen af ​​datterkæden begynde.

Biosyntese af datter-DNA-strenge i bakterier

Primase-enzymet er ansvarlig for at syntetisere korte RNA-kæder kaldet primere, som er 10-15 nukleotider lange. DNA-polymerase begynder at tilføje 5'-triphosphatdeoxynukleosider (dNTP'er) til 3'-OH-enden af ​​primersukkeret, hvorefter strengen fortsætter med at vokse fra den samme ende.

Da DNA-strenge er antiparallelle, syntetiseres en primer på lederstrengen og mange primere på lagstrengen. På grund af dette er biosyntesen af ​​den forsinkede kæde diskontinuerlig. Selvom DNA-strengene er antiparallelle, bevæger replikationsgaflen kun i en retning.

DNA-polymerase er ansvarlig for dannelsen af ​​kovalente bindinger mellem tilstødende nukleotider i de nyligt syntetiserede kæder i 5'®3 ′-retningen. I E. coli er der fem DNA-polymeraser: DNA-polymeraser I og III udfører DNA-replikation; og DNA-polymeraser II, IV og V er ansvarlige for at reparere og replikere beskadiget DNA.

Det meste af replikationen udføres af DNA-polymerase III, som er et holoenzym, der har 10 forskellige underenheder med forskellige funktioner i DNA-replikation. For eksempel er alfa-underenheden ansvarlig for at oprette forbindelser mellem nukleotider.

Et kompleks af enzymer er ansvarlig for replikation af DNA i bakterier

DNA-helikase og primase går sammen og danner et kompleks kaldet et primosom. Dette bevæger sig langs DNA'et og fungerer på en koordineret måde for at adskille de to forældrestrenge og syntetisere primerne hvert vist interval på den forsinkede streng.

Primosomet binder fysisk til DNA-polymerase III og danner replisen. To DNA-polymeraser III er ansvarlige for at replikere DNA'et fra guide og forsinkede kæder. Med hensyn til DNA-polymerase III danner den forsinkede streng en udadgående løkke, der tillader, at tilsætning af nukleotider til denne streng forekommer i samme retning som lederstrengen.

Tilsætningen af ​​nukleotider til lederkæden er kontinuerlig. Mens den er forsinket, er den diskontinuerlig. Fragmenter 150 nukleotider i længde dannes, kaldet Okazaki-fragmenter.

5 ′ -> 3 ′-exonuclease-aktiviteten af ​​DNA-polymerase I er ansvarlig for at eliminere primerne og fylde, tilføje nukleotider. Et ligaseenzym forsegler hullerne mellem fragmenter. Replikering slutter, når de to replikationskroge mødes i en termineringssekvens.

Tus-proteinet binder til termineringssekvensen og stopper bevægelsen af ​​replikationsgafflen. Topoisomerase II tillader adskillelse af de to kromosomer.

Deoxyribonucleotid-triphosphater anvendes af DNA-polymerase

Deoxynucleosid-triphosphat (dNTP) indeholder tre phosphatgrupper bundet til 5 ′-carbonet i deoxyribose. DNTP'er (dATP, dTTP, dGTP og dCTP) binder til skabelonkæden efter AT / GC-reglen.

DNA-polymerase katalyserer den følgende reaktion: Hydroxylgruppen (–OH) på det voksende strengnukleotid på 3 react reagerer med alfa-fosfat af det indkommende dNTP og frigiver uorganisk pyrophosphat (PPi). Hydrolysen af ​​PPi producerer energien til dannelse af den kovalente binding eller phosphodiesterbinding mellem nukleotider i den voksende kæde.

Mekanismer, der sikrer troskab ved DNA-replikation

Under DNA-replikation begår DNA-polymerase III en fejl ved 100 millioner nukleotider. Selvom sandsynligheden for fejl er meget lav, er der mekanismer, der sikrer troskab i DNA-replikation. Disse mekanismer er:

1) Stabilitet i baseparring. Hydrogenbindingsenergien mellem AT / GC er højere end i forkerte basepar.

2) Struktur af det aktive sted for DNA-polymerase. DNA-polymerase katalyserer fortrinsvis nukleotidforbindelser med korrekte baser på den modsatte streng. En dårlig baseparring forårsager en forvrængning af DNA-dobbelt helix, som forhindrer, at det forkerte nukleotid optager det aktive sted på enzymet.

3) Læsetest. DNA-polymerase identificerer inkorporerede forkerte nukleotider og fjerner dem fra datterstrengen. Exonuclease-aktiviteten af ​​DNA-polymerase bryder phosphodiesterbindingerne mellem nukleotider ved 3'-enden af ​​den nye streng.

DNA-replikation i eukaryoter

I modsætning til replikation i prokaryoter, hvor replikation begynder på et enkelt sted, begynder replikering i eukaryoter på flere oprindelsessteder, og replikationsgafflen bevæger sig i to retning. Efterfølgende smelter alle replikationshårspænder sammen og danner to søsterchromatider sammenføjet ved centromeren.

Eukaryoter har mange typer DNA-polymerase, hvis navne bruger græske bogstaver. DNA-polymerase a danner et kompleks med primase. Dette kompleks syntetiserer korte primere bestående af 10 nukleotider af RNA efterfulgt af 20 til 30 nukleotider af DNA.

Dernæst katalyserer ε eller δ DNA-polymerase forlængelse af datterstrengen fra primeren. DNA-polymerase e er involveret i syntesen af ​​førerkæden, medens DNA-polymerase 5 syntetiserer den forsinkede kæde.

DNA-polymerase 5 forlænger Okazaki-fragmentet til venstre, indtil det når RNA-primeren til højre, hvilket frembringer en kort klap af primeren. I modsætning til prokaryoter, hvor en DNA-polymerase fjerner primeren, fjerner RNA-primeren i eukaryoter en Flap-endonuklease-enzym.

Dernæst forsegler en DNA-ligase de tilstødende DNA-fragmenter. Fuldførelse af replikation sker med dissociation af proteiner fra replikationsgaflen.

Den replikation af DNA i eukaryote cellecyklus og

Replikation i eukaryoter forekommer i S-fasen af ​​cellecyklussen. De replikerede DNA-molekyler secerneres i to datterceller under mitose. G1- og G2-faser adskiller S-fasen og mitosen. Progression gennem hver fase af cellecyklussen reguleres stærkt af kinaser, phosphataser og proteaser.

I G1-fasen i cellecyklussen binder oprindelsesgenkendelseskomplekset (OCR) til oprindelsesstedet. Dette inducerer binding af MCM-helikaser og andre proteiner, såsom Cdc6 og Cdt1, til dannelse af et præ-replikationskompleks (preRC). MCM-heliksen binder sig til føringskæden.

I S-fase bliver preRC et aktivt replikationssite. OCR-, Cdc6- og Cdt1-proteinerne frigives, og MCM-heliksen bevæger sig i retningen 3 ′ til 5 ′. Når replikationen er afsluttet, genstartes den i den næste cellecyklus.

Replikation af enderne af kromosomer i eukaryoter

Enderne af kromosomer er kendt som telomerer, der består af gentagne tandemsekvenser og et 3 ′-område, der stikker ud, 12 til 16 nukleotider i længden.

DNA-polymerase er ikke i stand til at replikere 3'-enden af ​​DNA-strenge. Dette skyldes det faktum, at DNA-polymerase kun kan syntetisere DNA i 5'-3'-retningen, og kun kan forlænge forudgående eksisterende strenge uden at være i stand til at syntetisere en primer i dette område. Følgelig forkortes telomerer med hver replikationsrunde.

Enzymtelomerasen forhindrer forkortelse af telomerer. Telomerase er et enzym, der har protein- og RNA-underenheder (TERC). Sidstnævnte binder sig til de gentagne sekvenser af DNA og tillader telomerase at binde til 3'-enden af ​​telomeren.

En RNA-sekvens bag forbindelsesstedet fungerer som en skabelon til syntese af en seks nukleotidsekvens (polymerisation) i slutningen af ​​DNA-strengen. Telomerforlængelse katalyseres af underenheder af telomerase, kaldet telomerase reverse transcriptase (TERT).

Efter polymerisation finder translokation sted, der består af bevægelse af telomerase til en ny ende af DNA-kæden, hvorved yderligere seks nukleotider forbindes indtil slutningen.

Funktionerne af andre DNA-polymeraser i eukaryoter

DNA-polymerase β spiller en vigtig rolle i fjernelse af forkerte baser fra DNA, men det er ikke involveret i DNA-replikation.

Mange opdagede DNA-polymeraser hører til gruppen af ​​"translesionsreplicerende" polymeraser. Disse polymeraser er ansvarlige for syntese af komplementære strenge i en region med beskadiget DNA.

Der er adskillige typer af "translesionsreplicerende" polymeraser. For eksempel kan DNA-polymerase η replikere på thymindimerer, der er produceret af UV-lys.

DNA-replikation i archaebacteria

Archaebakteriel DNA-replikation ligner den i eukaryoter. Dette skyldes følgende: 1) proteinerne, der deltager i replikation, ligner mere proteinerne fra eukaryoter end de af prokaryoter; og 2) selvom der kun er et replikationssite, såsom i prokaryoter, er dets sekvens svarende til oprindelsesstedet for eukaryoter.

Ligheden i replikation mellem Archea og eukaryoterne understøtter tanken om, at begge grupper er fylogenetisk mere relaterede til hinanden end enten til prokaryoter.

Referencer

1. Brooker, RJ 2018. Genetik analyse og principper. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetik - fra gener til genomer. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Grundlæggende aspekter af DNA-replikation. InTech Open adgang, Kroatien.
4. Lewis, R., 2015. Human genetics koncepter og anvendelser. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetik - en konceptuel tilgang. WH Freeman, New York.