РЕПЛИКАЦИЈА ДНК: МЕХАНИЗМИ У ПРОКАРИОТУ И ЕУКАРИОТУ - БИОЛОГИЈА - 2025

Репликација ДНК (дезоксирибонуклеинске киселине) је копирање геном, тј све генетске информације у ДНК организма да произведе два истоветна примерка. Геном има информације потребне за изградњу комплетног организма.

Пре поделе ћелије долази до репликације ДНК. Кроз мејозу настају гамете за сексуалну репродукцију. Кроз митозу долази до замене ћелија (нпр. Коже и крви) и развоја (нпр. Ткива и органа).

Извор: Ја, Мадприме

Познавање структуре ДНК омогућава нам да разумемо како се дешава његова репликација. Структура ДНК састоји се од двоструке спирале, састављене од два антипаралелна ланца сукцесивних нуклеотида, чије се душичне базе међусобно надопуњују на специфичан начин.

Током репликације, сваки ланац двоструког ланца ДНА делује као образац за биосинтезу новог ланца. Два ново синтетизована ланца имају базе које су комплементарне базама ланца шаблона: аденин (А) са тимином (Т) и цитозин (Ц) са гванином (Г).

Различити ензими и протеини укључени су у репликацију ДНК. На пример, отварање двоструке спирале ДНК, држање ДНК отворено и додавање деоксирибонуклеозид-5'-трифосфата (дНТП) да би се формирао нови ланац.

Репликација ДНК је полу-конзервативна

На основу структуре ДНК, Ватсон и Црицк су предложили да се репликација ДНК одвија полуконзервативно. То су показали Меселсон и Стахл обележавањем ДНК Есцхерицхиа цоли тешким изотопом азота, ¹⁵ Н, пратећи образац дистрибуције у медијуму за културу са лаким азотом, ¹⁴ Н током неколико генерација .

Меселсон и Стахл су открили да су, у првој генерацији, две кћерке молекуле ДНК имале сваки молекул обележен ланцем са тешким изотопом азота, а други лаким изотопом. За разлику од матичног молекула ДНК, који су обе ланце обележене тешким изотопом, ¹⁵ Н.

У другој генерацији, 50% молекула ДНК је било као код прве генерације, а осталих 50% је имало само лаки азот. Тумачење овог резултата је да кћерка двострука спирала има родитељски ланац (који функционише као шаблон) и нови ланац.

Механизам полуконзервативне репликације укључује одвајање ДНК ланаца и комплементарно базно упаривање кроз сукцесивно спајање нуклеотида, производећи две кћерке двоструке хеликоптере.

Репликација батерије

Покретање репликације ДНК у бактеријама

Бактеријска ДНК се састоји од кружног хромосома и има само једно место порекла репликације. Са ове локације, биосинтеза два ланца кћери одвија се двосмерно, формирајући две реплике вилице које се крећу у правцима супротним од извора. На крају се укоснице уклапају и довршавају репликацију.

Репликација почиње везањем ДнаА протеина на место настанка. Ови протеини заузврат чине комплекс. Тада се ХУ и ИХФ протеини, између осталог, удружују, који заједно савијају ДНК, изазивајући одвајање два ланца ДНК у регији богатој тимином и аденом.

Затим се везују протеини ДНаЦ, који узрокују везање ДНА хеликаза. Помажу у одмотавању ДНК и разбијању водоничних веза, формираних између парова база. Тако су два ланца додатно одвојена, формирајући два једноставна ланца.

Топоизомераза ИИ, или ДНК жираза, креће се испред ДНА хеликазе, смањујући позитивне суперколике. Једноланчани протеин-везујући протеини (ССБ) протеини раздвајају ланце ДНК. Дакле, биосинтеза ланца кћери може почети.

Биосинтеза кћери ДНК ланци у бактеријама

Ензим примаза је одговоран за синтезу кратких ланаца РНК названих примера, који су дуги од 10-15 нуклеотида. ДНК полимераза почиње да додаје 5'-трифосфат деоксиниклеуклеозиде (дНТП) на 3'-ОХ крај прајмера шећера, након чега прамен наставља да расте са истог краја.

Пошто су ланци ДНК антипарални, један прајмер се синтетише на водећем ланцу, а многи прајмери ​​на лагу. Због тога је биосинтеза одложеног ланца прекинута. Иако су ланци ДНК антипарални, виљушка за репликацију креће се у само једном правцу.

ДНК полимераза одговорна је за стварање ковалентних веза између суседних нуклеотида ново синтетизованих ланаца, у смеру 5'33 '. У Е. цоли постоји пет ДНК полимераза: ДНК полимеразе И и ИИИ спроводе репликацију ДНК; и ДНК полимеразе ИИ, ИВ и В одговорне су за поправљање и умножавање оштећене ДНК.

Највећи део репликације врши ДНК полимераза ИИИ, што је холоензим који има 10 различитих подјединица са различитим функцијама у репликацији ДНК. На пример, алфа подјединица је одговорна за успостављање веза између нуклеотида.

Комплекс ензима одговоран је за репликацију ДНК у бактеријама

ДНА хеликаза и примаза се спајају у формирање комплекса који се зове примосом. Ово се креће дуж ДНК, делујући координирано на раздвајање два родитељска ланца, синтетишући прајмере сваки одређени интервал на одложеном ланцу.

Примосом се физички веже за ДНК полимеразу ИИИ и формира реплизом. Две ДНК полимеразе ИИИ одговорне су за умножавање ДНК водећих и одложених ланаца. У односу на ДНК полимеразу ИИИ, одложени ланац формира спољашњу петљу, што омогућава додавање нуклеотида овом ланцу у истом смеру као и водећи ланац.

Додавање нуклеотида у водећи ланац је континуирано. Док је у кашњењу то је прекидно. Формирају се фрагменти дужине 150 нуклеотида који се називају фрагменти Оказаки.

Активност 5 '-> 3' ДНК полимеразе И одговорна је за уклањање прајмера и пуњење, додавање нуклеотида. Ензим лигаза печата празнине између фрагмената. Репликација се завршава када се двије куке за репликацију састану у секвенци прекида.

Тус протеин се веже на секвенцу заустављања, заустављајући кретање виљушке репликације. Топоизомераза ИИ омогућава одвајање два хромозома.

Деоксирибонуклеотидни трифосфати користе ДНК полимеразом

Деоксиннуклеозид трифосфат (дНТП) садржи три фосфатне групе везане на 5 'угљеник деоксирибозе. ДНТПс (дАТП, дТТП, дГТП и дЦТП) вежу се на ланац предложака пратећи правило АТ / ГЦ.

ДНК полимераза катализира следећу реакцију: 3 'хидроксилна група (-ОХ) растућег нуклеотида у ланцу реагује са алфа фосфатом долазног дНТП, ослобађајући неоргански пирофосфат (ППи). Хидролиза ППи производи енергију за стварање ковалентне везе, или фосфодиестерске везе, између нуклеотида растућег ланца.

Механизми који обезбеђују верност репликације ДНК

Током репликације ДНК, полимераза ИИИ чини грешку у 100 милиона нуклеотида. Иако је вероватноћа грешке врло мала, постоје механизми који обезбеђују верност репликације ДНК. Ови механизми су:

1) Стабилност у основном упаривању. Енергија везивања водоника између АТ / ГЦ је већа него код погрешних базних парова.

2) Структура активног места ДНК полимеразе. ДНК полимераза преферирано катализује нуклеотидне спојеве са тачним базама на супротној струци. Лоше упаривање базе узрокује изобличење двоструке спирале ДНК, што спречава погрешан нуклеотид да заузме активно место ензима.

3) Тест читања. ДНК полимераза идентификује уграђене погрешне нуклеотиде и уклања их из кћерке ланца. Активност егзонуклазе ДНА полимеразе разбија фосфодиестерске везе између нуклеотида на 3 'крају новог ланца.

Репликација ДНК у еукариотама

За разлику од репликације у прокариотима, где репликација почиње на једном месту, репликација у еукариотима почиње на више места порекла и виљушка за репликацију се креће двосмерно. Након тога, сви се копче за репликацију спајају, формирајући два сестринска кроматида спојена у центромере.

Еукариоти поседују многе врсте ДНК полимеразе, чија имена користе грчка слова. ДНК полимераза α формира комплекс с примазом. Овај комплекс синтетише кратке прајмере који се састоје од 10 нуклеотида РНК и затим 20 до 30 нуклеотида ДНК.

Даље, ε или δ ДНК полимераза катализира продужење кћерке нити из прајмера. ДНК полимераза ε је укључена у синтезу водећег ланца, док ДНК полимераза синтетизира ретардирани ланац.

ДНК полимераза 8 продужава Оказаки фрагмент са леве стране све док не дође до прајмера РНА с десне стране, стварајући кратак прегиб прајмера. За разлику од прокариота, где ДНК полимераза уклања прајмер, код еукариота ензим Флап ендонуклеаза уклања прајмер РНА.

Затим ДНК лигаза запечаћује суседне фрагменте ДНК. Завршетак репликације настаје дисоцијацијом протеина из репликационе вилице.

Репликација ДНК у еукариотске ћелијског циклуса и

Репликација у еукариотама дешава се у С фази ћелијског циклуса. Реплицирани молекули ДНК се излучују у две ћелије кћери током митозе. Фазе Г1 и Г2 раздвајају С фазу и митозу. Прогресија кроз сваку фазу ћелијског циклуса високо је регулисана киназама, фосфатазама и протеазама.

У Г1 фази ћелијског циклуса, комплекс за препознавање порекла (ОЦР) веже се на место порекла. Ово индукује везивање МЦМ хеликаза и других протеина, као што су Цдц6 и Цдт1, да формирају пре-репликациони комплекс (преРЦ). МЦМ хеликаза се веже за водећи ланац.

У С фази, преРЦ постаје активно место репликације. Ослобађају се протеини ОЦР, Цдц6 и Цдт1, а МЦМ хеликаза се креће у правцу од 3 до 5. Након што је репликација завршена, она ће се поново покренути у следећем ћелијском циклусу.

Репликација крајева хромозома у еукариотама

Крајеви хромозома познати су као теломери, који се састоје од поновљених тандемских секвенци и 3 'региона који стрши, у дужини од 12 до 16 нуклеотида.

ДНК полимераза није у стању да реплицира 3 'крај ДНК ланца. То је због чињенице да ДНК полимераза може синтетизовати ДНК само у 5'-3 'правцу и може само продужити постојеће нити, а да не може да синтетише прајмер у овој регији. Сходно томе, теломери се скраћују са сваким кругом репликације.

Ензим теломераза спречава скраћивање теломера. Теломераза је ензим који поседује протеинске и РНА подјединице (ТЕРЦ). Потоњи се веже за понављајуће секвенце ДНК и омогућава теломерази да се веже за 3 'крај теломера.

РНК секвенца иза места спајања функционише као образац за синтезу секвенце шест нуклеотида (полимеризација) на крају ланца ДНК. Продужење теломера катализује подјединица теломеразе, названа реверзна транскриптаза теломеразе (ТЕРТ).

Након полимеризације долази до транслокације, која се састоји од померања теломеразе до новог краја ланца ДНК, спајања још шест нуклеотида до краја.

Функције осталих ДНК полимераза у еукариотама

ДНК полимераза β игра важну улогу у уклањању погрешних база из ДНК, али није укључена у репликацију ДНК.

Много откривених ДНК полимераза припада групи полимераза које се умножавају. Ове полимеразе одговорне су за синтезу комплементарних ланаца у пределу оштећене ДНК.

Постоји неколико врста полимераза „умножавање транслесије“. На пример, ДНК полимераза η може да се реплицира на диминским тимерима који настају УВ светлошћу.

Репликација ДНК у архебактеријама

Репликација архебактеријске ДНК слична је оној у еукариота. То је последица следећег: 1) протеини који учествују у репликацији слични су протеинима еукариота него прокариоти; и 2) иако постоји само једно место репликације, као што је код прокариота, његов редослед је сличан месту порекла еукариота.

Сличност у репликацији између Архее и еукариота поткрепљује идеју да су обе групе филогенетски више повезане једна са другом него било са прокариотима.

Референце

1. Броокер, РЈ 2018. Генетска анализа и принципи. МцГрав-Хилл, Њујорк.
2. Хартвелл, ЛХ, Голдберг, МЛ, Фисцхер, ЈА, Хоод, Л. 2018. Генетика - од гена до генома. МцГрав-Хилл, Њујорк.
3. Кушић-Тишма, Ј. 2011. Темељни аспекти репликације ДНК. ИнТецх Отворени приступ, Хрватска.
4. Левис, Р., 2015. Концепти и апликације људске генетике. МцГрав-Хилл, Њујорк.
5. Пиерце, БА 2005. Генетика - концептуални приступ. ВХ Фрееман, Нев Иорк.