REPLIKÁCIA DNA: MECHANIZMY V PROKARYOTOCH A EUKARYOTOCH - BIOLÓGIE - 2025

Replikácie DNA (deoxyribonukleová kyselina) je skopírovať genóm, tj všetky genetickej informácie v DNA organizme produkovať dva identické kopíruje. Genom má informácie potrebné na vybudovanie kompletného organizmu.

Pred delením buniek dôjde k replikácii DNA. Prostredníctvom meiózy sa gamety vyrábajú na sexuálnu reprodukciu. Vďaka mitóze dochádza k výmene buniek (napr. Koža a krv) a vývoju (napr. Tkanív a orgánov).

Zdroj: Ja, Madprime

Poznanie štruktúry DNA nám umožňuje pochopiť, ako dochádza k jej replikácii. Štruktúra DNA pozostáva z dvojitej špirály, ktorá sa skladá z dvoch antiparalelných reťazcov po sebe nasledujúcich nukleotidov, ktorých dusíkaté bázy sa špecifickým spôsobom vzájomne dopĺňajú.

Počas replikácie pôsobí každé vlákno dvojreťazca DNA ako templát pre biosyntézu nového vlákna. Dva novo syntetizované reťazce majú bázy, ktoré sú komplementárne k bázam templátového reťazca: adenín (A) s tymínom (T) a cytozín (C) s guanínom (G).

Na replikácii DNA sa podieľajú rôzne enzýmy a proteíny. Napríklad otvorenie dvojitej špirály DNA, udržiavanie otvorenej DNA a pridanie deoxyribonukleozid-5'-trifosfátu (dNTP) za vzniku nového vlákna.

Replikácia DNA je čiastočne konzervatívna

Na základe štruktúry DNA navrhli Watson a Crick, že k replikácii DNA dochádza čiastočne konzervatívnym spôsobom. Dokázali to Meselson a Stahl značením DNA Escherichia coli ťažkým izotopom dusíka, ¹⁵ N, podľa distribučnej schémy v kultivačnom médiu s ľahkým dusíkom, ¹⁴ N po niekoľko generácií .

Meselson a Stahl zistili, že v prvej generácii mali dve dcérske molekuly DNA každú molekulu značenú reťazcom s ťažkým izotopom dusíka a druhú ľahkým izotopom. Na rozdiel od materskej molekuly DNA, ktorá mala oba vlákna značené ťažkým izotopom, ¹⁵ N.

V druhej generácii bolo 50% molekúl DNA ako molekuly prvej generácie a ďalších 50% malo iba ľahký dusík. Interpretácia tohto výsledku je taká, že dcérska dvojitá špirála má rodičovský reťazec (ktorý funguje ako šablóna) a nový reťazec.

Mechanizmus semikonzervatívnej replikácie zahŕňa separáciu reťazcov DNA a párovanie komplementárnych báz prostredníctvom postupného párovania nukleotidov za vzniku dvoch dcérskych dvojitých helixov.

Replikácia batérie

Začatie replikácie DNA v baktériách

Bakteriálna DNA pozostáva z kruhového chromozómu a má iba jedno miesto pôvodu replikácie. Z tohto miesta sa biosyntéza dvoch dcérskych reťazcov vyskytuje obojsmerne a vytvára dve replikačné vidlice, ktoré sa pohybujú v opačných smeroch ako je pôvod. Nakoniec sa vlásenky stretnú a dokončia replikáciu.

Replikácia začína väzbou proteínov DnaA na miesto pôvodu. Tieto proteíny zase tvoria komplex. Potom sa okrem iného spoja proteíny HU a IHF, ktoré spoločne ohýbajú DNA, čo spôsobuje oddelenie dvoch reťazcov DNA v oblasti bohatej na tymín a adenín.

Ďalej sa viažu proteíny DNaC, ktoré spôsobujú väzbu helikáz DNA. Pomáhajú uvoľniť DNA a prerušiť vodíkové väzby tvorené medzi pármi báz. Dva reťazce sa teda ďalej oddeľujú a vytvárajú dva jednoduché reťazce.

Topoizomeráza II alebo DNA gyráza sa pohybuje pred DNA helikázou a znižuje pozitívne supercoily. Jednovláknové proteíny viažuce DNA (SSB) udržujú vlákna DNA od seba. Môže teda začať biosyntéza dcérskeho reťazca.

Biosyntéza dcérskych reťazcov DNA v baktériách

Enzým primázy je zodpovedný za syntézu krátkych reťazcov RNA nazývaných priméry, ktoré sú dlhé 10 až 15 nukleotidov. DNA polymeráza začína pridávať 5'-trifosfát deoxynukleozidy (dNTP) na 3'-OH koniec primérového cukru, po čom vlákno pokračuje od toho istého konca.

Pretože DNA vlákna sú antiparalelné, jeden primér je syntetizovaný na vodiacom vlákne a mnoho primérov na lag vlákne. Z tohto dôvodu je biosyntéza oneskoreného reťazca nespojitá. Hoci vlákna DNA sú antiparalelné, replikačná vidlica sa pohybuje iba jedným smerom.

DNA polymeráza je zodpovedná za tvorbu kovalentných väzieb medzi susednými nukleotidmi novo syntetizovaných reťazcov v smere 5'®3 '. V E. coli existuje päť DNA polymeráz: DNA polymerázy I a III uskutočňujú replikáciu DNA; a DNA polymerázy II, IV a V sú zodpovedné za opravu a replikáciu poškodenej DNA.

Väčšinu replikácie vykonáva DNA polymeráza III, čo je holoenzým, ktorý má 10 rôznych podjednotiek s rôznymi funkciami replikácie DNA. Napríklad alfa podjednotka je zodpovedná za vytváranie väzieb medzi nukleotidmi.

Komplex enzýmov je zodpovedný za replikáciu DNA v baktériách

DNA helikáza a primáza sa spájajú a tvoria komplex nazývaný primozóm. To sa pohybuje pozdĺž DNA, koordinovaným spôsobom, ktorý oddeľuje dva rodičovské reťazce a syntetizuje priméry v každom určitom intervale na oneskorenom reťazci.

Primozóm sa fyzicky viaže na DNA polymerázu III a tvorí replikóm. Dve DNA polymerázy III sú zodpovedné za replikáciu DNA vodiacich a oneskorených reťazcov. Pokiaľ ide o DNA polymerázu III, oneskorené vlákno tvorí vonkajšiu slučku, ktorá umožňuje pridanie nukleotidov k tomuto vláknu v rovnakom smere ako vedúce vlákno.

Pridávanie nukleotidov do vedúceho reťazca je nepretržité. Zatiaľ čo je oneskorený, je prerušovaný. Vytvoria sa fragmenty s dĺžkou 150 nukleotidov, ktoré sa nazývajú fragmenty Okazaki.

Exonukleázová aktivita 5 '-> 3' DNA polymerázy I je zodpovedná za elimináciu primérov a plnenie, pridanie nukleotidov. Ligázový enzým utesňuje medzery medzi fragmentmi. Replikácia sa končí, keď sa dva háčiky replikácie stretnú v terminačnej sekvencii.

Proteín Tus sa viaže na terminačnú sekvenciu a zastavuje pohyb replikačnej vidlice. Topoizomeráza II umožňuje separáciu dvoch chromozómov.

Deoxyribonukleotidtrifosfáty sa používajú v DNA polymeráze

Deoxynukleozid trifosfát (dNTP) obsahuje tri fosfátové skupiny naviazané na 5 'uhlík deoxyribózy. DNTP (dATP, dTTP, dGTP a dCTP) sa viažu na reťazec šablóny podľa pravidla AT / GC.

DNA polymeráza katalyzuje nasledujúcu reakciu: 3'hydroxylová skupina (–OH) rastúceho vlákna nukleotidu reaguje s alfa fosfátom prichádzajúceho dNTP a uvoľňuje anorganický pyrofosfát (PPi). Hydrolýza PPi vytvára energiu na tvorbu kovalentnej väzby alebo fosfodiesterovej väzby medzi nukleotidmi rastúceho reťazca.

Mechanizmy, ktoré zabezpečujú vernosť replikácie DNA

Počas replikácie DNA robí DNA polymeráza III chybu 100 miliónov nukleotidov. Aj keď je pravdepodobnosť chyby veľmi nízka, existujú mechanizmy, ktoré zabezpečujú vernosť v replikácii DNA. Týmito mechanizmami sú:

1) Stabilita pri párovaní báz. Energia viažuca vodík medzi AT / GC je vyššia ako v nesprávnych pároch báz.

2) Štruktúra aktívneho miesta DNA polymerázy. DNA polymeráza prednostne katalyzuje nukleotidové spojenia so správnymi bázami na opačnom vlákne. Zlé párovanie báz spôsobuje skreslenie dvojitej špirály DNA, ktorá bráni nesprávnemu nukleotidu obsadiť aktívne miesto enzýmu.

3) Test na čítanie. DNA polymeráza identifikuje inkorporované chybné nukleotidy a odstraňuje ich z dcérskeho vlákna. Exonukleázová aktivita DNA polymerázy prerušuje fosfodiesterové väzby medzi nukleotidmi na 3 'konci nového vlákna.

Replikácia DNA v eukaryotoch

Na rozdiel od replikácie v prokaryotoch, kde replikácia začína na jednom mieste, replikácia v eukaryotoch začína na viacerých miestach pôvodu a replikačná vidlica sa pohybuje obojsmerne. Následne sa všetky vlásenky replikácie fúzujú a tvoria dva sesterské chromatidy spojené na centromere.

Eukaryoty majú mnoho typov DNA polymerázy, ktorých názvy používajú grécke písmená. DNA polymeráza a tvorí komplex s primázou. Tento komplex syntetizuje krátke priméry pozostávajúce z 10 nukleotidov RNA, po ktorých nasleduje 20 až 30 nukleotidov DNA.

Ďalej ε alebo ô DNA polymeráza katalyzuje predĺženie dcérskeho vlákna z priméru. DNA polymeráza e sa podieľa na syntéze vedúceho reťazca, zatiaľ čo DNA polymeráza 5 syntetizuje retardovaný reťazec.

DNA polymeráza 5 predlžuje Okazaki fragment vľavo, až kým nedosiahne RNA primér na pravej strane, čím sa vytvorí krátka klapka priméru. Na rozdiel od prokaryot, kde DNA polymeráza odstraňuje primer, v eukaryotoch Flap endonukleázový enzým odstraňuje RNA primer.

Ďalej ligáza DNA utesňuje susedné fragmenty DNA. Dokončenie replikácie nastáva disociáciou proteínov z replikačnej vidlice.

Replikácie DNA v eukaryotických bunkového cyklu a

Replikácia v eukaryotoch nastáva vo fáze S bunkového cyklu. Replikované molekuly DNA sa vylučujú do dvoch dcérskych buniek počas mitózy. Fázy G1 a G2 oddeľujú fázu S a mitózu. Progresia cez každú fázu bunkového cyklu je vysoko regulovaná kinázami, fosfatázami a proteázami.

Vo fáze G1 bunkového cyklu sa komplex rozpoznávania pôvodu (OCR) viaže na miesto pôvodu. Toto indukuje väzbu MCM helikáz a ďalších proteínov, ako napríklad Cdc6 a Cdt1, za vzniku komplexu pred replikáciou (preRC). Helikáza MCM sa viaže na vodiaci reťazec.

Vo fáze S sa preRC stáva aktívnym miestom replikácie. Uvoľňujú sa OCR, Cdc6 a Cdt1 proteíny a MCM helikáza sa pohybuje v smere 3 'až 5'. Po dokončení replikácie sa reštartuje v nasledujúcom bunkovom cykle.

Replikácia koncov chromozómov v eukaryotoch

Konce chromozómov sú známe ako teloméry, ktoré pozostávajú z opakovaných tandemových sekvencií a 3 'oblasti, ktorá vyčnieva z 12 až 16 nukleotidov na dĺžku.

DNA polymeráza nie je schopná replikovať 3 'koniec DNA vlákien. Je to spôsobené skutočnosťou, že DNA polymeráza môže syntetizovať DNA iba v smere 5'-3 'a môže predlžovať iba existujúce vlákna bez toho, aby bola schopná syntetizovať primer v tejto oblasti. V dôsledku toho sa teloméry skracujú s každým cyklom replikácie.

Enzým telomeráza zabraňuje skracovaniu telomer. Telomeráza je enzým, ktorý má proteínové a RNA podjednotky (TERC). Ten sa viaže na opakujúce sa sekvencie DNA a umožňuje telomeráze viazať sa na 3 'koniec teloméry.

Sekvencia RNA za miestom spojenia funguje ako templát pre syntézu šiestich nukleotidových sekvencií (polymerizácia) na konci reťazca DNA. Predĺženie teloméry je katalyzované podjednotkami telomerázy nazývanej reverzná transkriptáza telomerázy (TERT).

Po polymerizácii dôjde k translokácii, ktorá spočíva v pohybe telomerázy na nový koniec reťazca DNA a pripojení ďalších šiestich nukleotidov až do konca.

Funkcie iných DNA polymeráz v eukaryotoch

DNA polymeráza ß hrá dôležitú úlohu pri odstraňovaní nesprávnych báz z DNA, ale nepodieľa sa na replikácii DNA.

Mnoho objavených DNA polymeráz patrí do skupiny polymeráz "replikujúcich translesiu". Tieto polymerázy sú zodpovedné za syntézu komplementárnych vlákien v oblasti poškodenej DNA.

Existuje niekoľko typov "translácie replikujúcich" polymeráz. Napríklad DNA polymeráza η sa môže replikovať na tymínových diméroch, ktoré sú produkované UV svetlom.

Replikácia DNA v archaebaktériách

Archaebakteriálna replikácia DNA je podobná replikácii v eukaryotoch. Dôvodom je nasledujúce: 1) proteíny, ktoré sa zúčastňujú replikácie, sú podobnejšie ako proteíny eukaryot ako proteíny prokaryot; a 2) hoci existuje iba jedno miesto replikácie, ako napríklad v prokaryotoch, jeho sekvencia je podobná miestu pôvodu eukaryot.

Podobnosť v replikácii medzi Archea a eukaryotmi podporuje myšlienku, že obe skupiny sú fylogeneticky viac vzájomne prepojené ako prokaryoty.

Referencie

1. Brooker, RJ 2018. Genetická analýza a princípy. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetika - od génov k genómom. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Základné aspekty replikácie DNA. InTech Otvorený prístup, Chorvátsko.
4. Lewis, R., 2015. Koncepty a aplikácie ľudskej genetiky. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetika - koncepčný prístup. WH Freeman, New York.