REPLIKACIJA DNA: MEHANIZMI, U PROKARIOTA I EUKARIOTA - BIOLOGIJA - 2026

Replikacije DNA (deoksiribonukleinska kiselina) je kopirati genom, tj sve genetske informacije u DNA organizma da proizvodi dva identična primjerka u. Genom ima informacije potrebne za izgradnju kompletnog organizma.

Prije diobe stanica dolazi do replikacije DNA. Kroz mejozu nastaju gamete za seksualnu reprodukciju. Kroz mitozu dolazi do zamjene stanica (npr. Kože i krvi) i razvoja (npr. Tkiva i organa).

Izvor: Ja, Madprime

Poznavanje strukture DNK omogućava nam razumijevanje načina na koji se odvija njezina replikacija. Struktura DNA sastoji se od dvostruke spirale, sastavljene od dva antiparalna lanca uzastopnih nukleotida, čije se dušične baze međusobno nadopunjuju na specifičan način.

Tijekom replikacije, svaki lanac dvostrukog lanca DNA djeluje kao predložak za biosintezu novog lanca. Dva novo sintetizirana lanca imaju baze koje su komplementarne bazama lanca šablona: adenin (A) s timinom (T) i citozin (C) s gvaninom (G).

U replikaciju DNA uključeni su razni enzimi i proteini. Na primjer, otvaranje dvostruke spirale DNA, održavanje DNK otvoreno i dodavanje deoksiribonukleozid-5'-trifosfata (dNTP) kako bi se stvorio novi lanac.

Replikacija DNA je polukonzervativna

Na temelju strukture DNK, Watson i Crick predložili su da se replikacija DNA odvija polukonzervativno. To su pokazali Meselson i Stahl označavanjem DNA Escherichia coli teškim izotopom dušika, ¹⁵ N, slijedeći obrazac distribucije u kulturi s lakim dušikom, ¹⁴ N kroz nekoliko generacija.

Meselson i Stahl otkrili su da su u prvoj generaciji dvije kćeri DNA molekule molekulu obilježile lancem s teškim izotopom dušika, a drugu lakim izotopom. Za razliku od matične molekule DNA, koja je oba lanca obilježena teškim izotopom, ¹⁵ N.

U drugoj generaciji 50% molekula DNA bilo je poput one prve generacije, a ostalih 50% imalo je samo lagani dušik. Tumačenje ovog rezultata je da kćerna dvostruka spirala ima nadređeni lanac (koji funkcionira kao predložak) i novi lanac.

Mehanizam polukonzervativne replikacije uključuje odvajanje lanaca DNK i komplementarno spajanje baza kroz uzastopno spajanje nukleotida, proizvodeći dvije kćerke dvostruke helikoptere.

Replikacija baterije

Pokretanje replikacije DNA u bakterijama

Bakterijska DNA sastoji se od kružnog kromosoma i ima samo jedno mjesto nastanka replikacije. S ovog mjesta, biosinteza dvaju kćerskih lanaca odvija se dvosmjerno, tvoreći dvije replikacijske vilice koje se kreću u suprotnim smjerovima od izvora. Na kraju se ukosnice uklapaju, dovršavajući replikaciju.

Replikacija započinje vezanjem proteina DnaA na mjesto nastanka. Ti proteini zauzvrat tvore kompleks. Tada se HU i IHF proteini, između ostalog, udružuju, što zajedno savija DNK, uzrokujući razdvajanje dvaju lanaca DNA u regiji bogatoj timinom i adeninom.

Zatim se vezuju proteini DNaC, koji uzrokuju vezanje DNA helikaza. Pomažu u odmotavanju DNK i razbijanju vodikovih veza, formiranih između parova baza. Tako su dva lanca dodatno odvojena, tvoreći dva jednostavna lanca.

Topoizomeraza II, ili DNK žiraza, kreće se ispred DNA helikaze, smanjujući pozitivne superkokele. Jednolančani protein-vezujući proteini (SSB) proteine ​​razdvajaju lance DNA. Tako može započeti biosinteza kćeričkog lanca.

Biosinteza kćeri DNA lanci u bakterijama

Enzim primaza odgovoran je za sintezu kratkih lanaca RNA nazvanih primera koji su dugački 10-15 nukleotida. DNK polimeraza počinje dodavati 5'-trifosfat deoksinnukleozide (dNTP) na kraju 3'-OH šećera, nakon čega lanac nastavlja rasti s istog kraja.

Budući da su pramenovi DNA antiparalni, jedan se osnovni sloj sintetizira na vodećem lancu, a mnogi primeni na lagu. Zbog toga je biosinteza odgođenog lanca prekinuta. Iako su lanci DNK antiparalni, vilice za umnožavanje kreću se u samo jednom smjeru.

DNA polimeraza odgovorna je za nastajanje kovalentnih veza između susjednih nukleotida novo sintetiziranih lanaca, u smjeru 5'33 '. U E. coli postoji pet DNK polimeraza: DNA polimeraze I i III provode replikaciju DNK; i DNA polimeraze II, IV i V odgovorni su za popravak i umnožavanje oštećene DNK.

Najveći dio replikacije provodi DNA polimeraza III, što je holoenzim koji ima 10 različitih podjedinica s različitim funkcijama u replikaciji DNA. Na primjer, alfa podjedinica je odgovorna za uspostavljanje veza između nukleotida.

Kompleks enzima odgovoran je za replikaciju DNK u bakterijama

DNA helikaza i primaza se spajaju i tvore kompleks koji se zove primosom. To se kreće duž DNK, djelujući koordinirano na razdvajanje dva roditeljska lanca, sintetizirajući početnike svaki određeni interval na odloženom lancu.

Primosom se fizički veže za DNK polimerazu III i tvori replisom. Dvije DNK polimeraze III odgovorne su za umnožavanje DNK vodećih i odloženih lanaca. Što se tiče DNK polimeraze III, odloženi niz tvori vanjsku petlju, što omogućava dodavanje nukleotida ovom lancu u istom smjeru kao i vodeći.

Dodavanje nukleotida u vodeći lanac je kontinuirano. Dok je u kašnjenju to je prekidno. Formiraju se fragmenti duljine 150 nukleotida, koji se nazivaju fragmenti Okazaki.

Aktivnost 5 '-> 3' DNK polimeraze I odgovorna je za uklanjanje prajmera i punjenje, dodavanje nukleotida. Enzim ligaza pečata između praznina. Replikacija završava kada se dvije kuke za replikaciju sastaju u zaključnom slijedu.

Tus protein se veže na sekvencu zaustavljanja zaustavljajući pomicanje vilice za replikaciju. Topoizomeraza II omogućava odvajanje dva kromosoma.

Deoksiribonukleotidni trifosfati koriste se DNA polimerazom

Deoksinnukleozid trifosfat (dNTP) sadrži tri fosfatne skupine vezane na 5 'ugljika deoksiriboze. DNTPs (dATP, dTTP, dGTP i dCTP) vežu se na lanac predložaka slijedeći AT / GC pravilo.

DNA polimeraza katalizira sljedeću reakciju: 3 'hidroksilna skupina (-OH) rastućeg nukleotida u lancu reagira s alfa fosfatom dolaznog dNTP, oslobađajući anorganski pirofosfat (PPi). Hidroliza PPi proizvodi energiju za stvaranje kovalentne veze, ili fosfodiesterske veze, između nukleotida rastućeg lanca.

Mehanizmi koji osiguravaju vjernost replikacije DNK

Tijekom replikacije DNK, polimeraza III čini grešku u 100 milijuna nukleotida. Iako je vjerojatnost pogreške vrlo mala, postoje mehanizmi koji osiguravaju vjernost replikacije DNK. Ti mehanizmi su:

1) Stabilnost u osnovnom uparivanju. Energija vodikove veze između AT / GC je veća nego kod pogrešnih baznih parova.

2) Struktura aktivnog mjesta DNA polimeraze. DNA polimerazom povoljno katalizira nukleotidne spojeve s pravilnim bazama na suprotnoj struci. Loše spajanje baze uzrokuje izobličenje dvostruke spirale DNA, što sprečava pogrešan nukleotid da zauzme aktivno mjesto enzima.

3) Test čitanja. DNK polimeraza identificira ugrađene pogrešne nukleotide i uklanja ih iz kćeri. Aktivnost egzonuklaze DNA polimeraze razbija fosfodiesterske veze između nukleotida na 3 'kraju novog lanca.

Replikacija DNA u eukariota

Za razliku od replikacije u prokariotima, gdje replikacija započinje na jednom mjestu, replikacija u eukariota započinje na više mjesta nastanka i viljuška za replikaciju kreće se dvosmjerno. Nakon toga, svi se kopče za replikaciju spajaju, tvoreći dva sestrinska kromatida spojena u centromere.

Eukarioti posjeduju mnoge vrste DNK polimeraze u čijim se imenima koriste grčka slova. DNA polimeraza α tvori kompleks s primazom. Ovaj kompleks sintetizira kratke primere koji se sastoje od 10 nukleotida RNA, a zatim 20 do 30 nukleotida DNA.

Dalje, ε ili δ DNA polimeraza katalizira produljenje kćerke niti iz prajmera. DNA polimeraza ε uključena je u sintezu vodećeg lanca, dok DNK polimeraza sintetizira retardirani lanac.

DNA polimeraza 8 produžuje Okazaki fragment s lijeve strane sve dok ne dođe do prajmera RNA s desne strane, stvarajući kratak pregib prajmera. Za razliku od prokariota, gdje DNA polimeraza uklanja temeljni premaz, u eukariotama enzim Flap endonukleaza uklanja temeljni premaz RNA.

Zatim DNA ligaza zapečaćuje susjedne fragmente DNK. Dovršavanje replikacije događa se disocijacijom proteina iz replikacijske vilice.

Replikaciju DNA u eukariotskim staničnog ciklusa i

Razmnožavanje u eukariotima događa se u S fazi staničnog ciklusa. Replicirane molekule DNA izlučuju se u dvije kćeri za vrijeme mitoze. Faze G1 i G2 razdvajaju S fazu i mitozu. Progresija kroz svaku fazu staničnog ciklusa visoko je regulirana kinazama, fosfatazama i proteazama.

U fazi G1 staničnog ciklusa, kompleks za prepoznavanje podrijetla (OCR) veže se na mjesto nastanka. To inducira vezanje MCM helikaza i drugih proteina, poput Cdc6 i Cdtl, da formiraju kompleks prereplikacije (preRC). MCM helikaza se veže na vodeći lanac.

U S fazi preRC postaje aktivno mjesto replikacije. Oslobađaju se proteini OCR, Cdc6 i Cdt1, a MCM helikaza se kreće u smjeru 3 ′ do 5 ′. Nakon što je replikacija gotova, ona će se ponovo pokrenuti u sljedećem ćelijskom ciklusu.

Replikacija krajeva kromosoma u eukariotama

Krajevi kromosoma poznati su kao telomeri, koji se sastoje od ponovljenih tandemskih sekvenci i 3 'regije koje strše, u duljini od 12 do 16 nukleotida.

DNK polimeraza ne može replicirati 3 'konce DNA lanca. To je zbog činjenice da DNK polimeraza može sintetizirati DNK samo u 5'-3 'smjeru i može samo produžiti postojeće niti bez mogućnosti sintetiziranja prajmera u ovoj regiji. Posljedično, telomeri se skraćuju sa svakim krugom replikacije.

Enzim telomeraza sprečava skraćivanje telomera. Telomeraza je enzim koji posjeduje proteinske i RNA podjedinice (TERC). Potonji se veže na ponavljajuće sekvence DNA i omogućava da se telomeraza veže za 3 'kraj telomera.

RNA sekvenca iza mjesta spajanja funkcionira kao predložak za sintezu šest nukleotidnih sekvenci (polimerizacija) na kraju lanca DNA. Izdvajanje telomera katalizira podjedinica telomeraze, nazvane reverznom transkriptazom telomeraze (TERT).

Nakon polimerizacije dolazi do translokacije koja se sastoji od pomicanja telomeraze do novog kraja lanca DNA, spajanja još šest nukleotida do kraja.

Funkcije ostalih DNK polimeraza u eukariotama

DNA polimeraza β igra važnu ulogu u uklanjanju pogrešnih baza iz DNA, ali nije uključena u replikaciju DNK.

Mnogo otkrivenih DNK polimeraza pripada skupini polimeraza koje se umnožavaju. Ove polimeraze odgovorne su za sintezu komplementarnih lanaca u području oštećene DNA.

Postoji nekoliko vrsta polimeraza "umnožavanja translesije". Na primjer, DNK polimeraza η može se umnožavati na diminskim timerima koji nastaju UV svjetlom.

Replikacija DNA u arhebakterijama

Reprodukcija arhebakterijske DNA slična je onoj u eukariota. To je zbog sljedećeg: 1) proteini koji sudjeluju u replikaciji sličniji su proteinima eukariota nego prokarioti; i 2) iako postoji samo jedno mjesto replikacije, kao što je slučaj kod prokariota, njegov je slijed sličan mjestu podrijetla eukariota.

Sličnost u replikaciji između Archee i eukariota podupire ideju da su obje skupine filogenetski više povezane jedna s drugom nego bilo s prokariotima.

Reference

1. Brooker, RJ 2018. Genetička analiza i principi. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetika - od gena do genoma. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Temeljni aspekti replikacije DNK. InTech Open access, Hrvatska.
4. Lewis, R., 2015. Koncepti i primjene ljudske genetike. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetika - konceptualni pristup. WH Freeman, New York.