DNA-REPLIKATION: MEKANISMER, I PROKARYOTER OCH EUKARYOTER - BIOLOGI - 2025

Den replikation av DNA (deoxiribonukleinsyra) är att kopiera genomet, dvs all den genetiska informationen i DNA i en organism för att producera två identiska kopior. Genomet har den information som krävs för att bygga en komplett organisme.

Innan celldelning sker DNA-replikation. Genom meiose produceras gameter för sexuell reproduktion. Genom mitos sker cellersättning (t.ex. hud och blod) och utveckling (t.ex. vävnader och organ).

Källa: Jag, Madprime

Genom att känna till DNA-strukturen kan vi förstå hur dess replikering inträffar. DNA-strukturen består av en dubbel spiral, sammansatt av två antiparallella kedjor av på varandra följande nukleotider, vars kvävebas kompletterar varandra på ett specifikt sätt.

Under replikering fungerar varje tråd i DNA-dubbelsträngen som en mall för biosyntesen av en ny tråd. De två nyligen syntetiserade kedjorna har baser som är komplementära till baskedjorna i mallkedjan: adenin (A) med tymin (T) och cytosin (C) med guanin (G).

Olika enzymer och proteiner är involverade i DNA-replikation. Till exempel, öppna DNA-dubbel spiralen, hålla DNA öppet och tillsätta deoxiribonukleosider-5'-trifosfat (dNTP) för att bilda den nya strängen.

DNA-replikation är semikonservativ

Baserat på DNA-strukturen föreslog Watson och Crick att DNA-replikering sker semi-konservativt. Detta demonstrerades av Meselson och Stahl genom att märka DNA från Escherichia coli med den tunga kväveisotopen, ¹⁵ N, som följde i flera generationer fördelningsmönstret i ett odlingsmedium med lätt kväve, ¹⁴ N.

Meselson och Stahl fann att i den första generationen hade de två dotter-DNA-molekylerna varje molekyl märkt med en kedja med den tunga isotopen av kväve och en annan med den lätta isotopen. Till skillnad från moder-DNA-molekylen, som hade båda strängar märkta med den tunga isotopen, ¹⁵ N.

I den andra generationen var 50% av DNA-molekylerna som de i den första generationen, och de andra 50% hade endast lätt kväve. Tolkningen av detta resultat är att dotterens dubbla helix har en föräldrakedja (som fungerar som en mall) och en ny kedja.

Den semikonservativa replikationsmekanismen inbegriper separering av DNA-strängar och komplementär basparring genom successiv nukleotidparring, vilket ger två dotterdubbla helices.

Replikering av batteri

Initiering av DNA-replikation i bakterier

Bakteriellt DNA består av en cirkulär kromosom och har endast ett replikationsställeplats. Från denna plats sker biosyntesen av de två dotterkedjorna i två riktningar och bildar två replikationsgafflar som rör sig i motsatta riktningar till ursprunget. I slutändan möts hårnålarna och kompletterar replikationen.

Replikation börjar med bindningen av DnaA-proteiner till ursprungsstället. Dessa proteiner bildar i sin tur ett komplex. Därefter sammanfogas HU- och IHF-proteinerna, som tillsammans böjer DNA: et, vilket orsakar separationen av de två DNA-strängarna i en region rik på tymin och adenin.

Därefter binder DNaC-proteiner, vilket får DNA-helikaser att binda. De hjälper till att varva ner DNA och bryta vätebindningar, bildade mellan baspar. Så de två kedjorna separeras ytterligare och bildar två enkla kedjor.

Topoisomeras II, eller DNA-gyras, rör sig framför DNA-helikas, minskar positiva supercoils. Ensträngade DNA-bindande (SSB) proteiner håller DNA-strängar isär. Således kan biosyntesen av dotterkedjan börja.

Biosyntes av dotter-DNA-strängar i bakterier

Primasenzymet ansvarar för att syntetisera korta RNA-kedjor som kallas primrar, vilka är 10-15 nukleotider långa. DNA-polymeras börjar tillsätta 5'-trifosfatdeoxynukleosider (dNTP) till 3'-OH-änden av primersockret, varefter strängen fortsätter att växa från samma ände.

Eftersom DNA-strängar är antiparallella, syntetiseras en primer på ledarsträngen och många primrar på lagsträngen. På grund av detta är biosyntesen av den försenade kedjan diskontinuerlig. Även om DNA-strängarna är antiparallella rör sig replikationsgaffeln i en enda riktning.

DNA-polymeras ansvarar för bildandet av kovalenta bindningar mellan angränsande nukleotider i de nyligen syntetiserade kedjorna, i 5'®3 ′-riktningen. I E. coli finns det fem DNA-polymeraser: DNA-polymeraser I och III utför DNA-replikation; och DNA-polymeraser II, IV och V ansvarar för att reparera och replikera skadat DNA.

Det mesta av replikationen utförs av DNA-polymeras III, som är ett holoenzym som har 10 olika underenheter med olika funktioner i DNA-replikation. Till exempel är alfa-subenheten ansvarig för att skapa kopplingar mellan nukleotider.

Ett komplex av enzymer ansvarar för replikering av DNA i bakterier

DNA-helikas och primas går samman och bildar ett komplex som kallas en primosom. Detta rör sig längs DNA: et, och verkar på ett koordinerat sätt för att separera de två föräldrasträngarna, och syntetiserar grundarna varje visst intervall på den försenade strängen.

Primosomen binder fysiskt till DNA-polymeras III och bildar replisen. Två DNA-polymeraser III är ansvariga för att replikera DNA från guide och fördröjda kedjor. Med avseende på DNA-polymeras III bildar den fördröjda strängen en utåtriktad slinga, som tillåter tillsättningen av nukleotider till denna sträng att inträffa i samma riktning som ledarsträngen.

Tillsatsen av nukleotider till ledarkedjan är kontinuerlig. Medan det är försenat är det diskontinuerligt. Fragment av 150 nukleotider i längd bildas, kallade Okazaki-fragment.

5'-> 3'-exonukleasaktiviteten för DNA-polymeras I är ansvarig för att eliminera primrar och fylla, tillsätta nukleotider. Ett ligasenzym tätar mellanrummen mellan fragmenten. Replikationen slutar när de två replikeringskrokarna möts i en avslutande sekvens.

Tus-proteinet binder till avslutningsföljden och stoppar förflyttningen av replikationsgaffeln. Topoisomeras II möjliggör separering av de två kromosomerna.

Deoxyribonukleotid-trifosfater används av DNA-polymeras

Deoxynukleosidtrifosfat (dNTP) innehåller tre fosfatgrupper bundna till 5 ′ kolet av deoxiribos. DNTP: er (dATP, dTTP, dGTP och dCTP) binder till mallkedjan efter AT / GC-regeln.

DNA-polymeras katalyserar följande reaktion: 3'-hydroxylgruppen (–OH) hos den växande strängnukleotiden reagerar med alfosfatet för det inkommande dNTP och frisätter oorganiskt pyrofosfat (PPi). Hydrolysen av PPi producerar energin för bildandet av den kovalenta bindningen, eller fosfodiesterbindningen, mellan nukleotider i den växande kedjan.

Mekanismer som säkerställer fideliteten hos DNA-replikering

Under DNA-replikering gör DNA-polymeras III ett misstag med 100 miljoner nukleotider. Även om sannolikheten för fel är mycket låg, finns det mekanismer som säkerställer trohet i DNA-replikering. Dessa mekanismer är:

1) Stabilitet vid basparning. Vätebindningsenergin mellan AT / GC är högre än i fel baspar.

2) Struktur av det aktiva stället för DNA-polymeras. DNA-polymeras katalyserar företrädesvis nukleotidkorsningar med korrekta baser på den motsatta strängen. Dålig basparning resulterar i en förvrängning av DNA-dubbel spiralen, vilket förhindrar att fel nukleotid upptar det aktiva stället för enzymet.

3) Lästest. DNA-polymeras identifierar inkorporerade felaktiga nukleotider och avlägsnar dem från dottersträngen. Exonukleasaktiviteten för DNA-polymeras bryter fosfodiesterbindningarna mellan nukleotider vid 3'-änden av den nya strängen.

DNA-replikering i eukaryoter

Till skillnad från replikering i prokaryoter, där replikering börjar på en enda plats, börjar replikering i eukaryoter på flera ursprungssidor och replikationsgaffeln rör sig i två riktningar. Därefter smälter alla replikationshårnålar och bildar två systerkromatider sammanfogade vid centromeren.

Eukaryoter har många typer av DNA-polymeras, vars namn använder grekiska bokstäver. DNA-polymeras a bildar ett komplex med primas. Detta komplex syntetiserar korta primrar som består av 10 nukleotider av RNA följt av 20 till 30 nukleotider av DNA.

Därefter katalyserar e- eller 5-DNA-polymeras förlängning av dottersträngen från primern. DNA-polymeras e är involverat i syntesen av ledarkedjan, medan DNA-polymeras 5 syntetiserar den retarderade kedjan.

DNA-polymeras 5 förlänger Okazaki-fragmentet till vänster tills det når RNA-primern till höger, vilket ger en kort klaff av primern. Till skillnad från prokaryoter, där ett DNA-polymeras tar bort primern, i eukaryoter tar ett Flap-endonukleasenzym RNA-primern bort.

Därefter tätar ett DNA-ligas de intilliggande DNA-fragmenten. Färdigställande av replikering sker med dissociation av proteiner från replikationsgaffeln.

Den replikation av DNA i eukaryota cellcykeln och

Replikation i eukaryoter sker i S-fasen av cellcykeln. De replikerade DNA-molekylerna utsöndras i två dotterceller under mitos. G1- och G2-faserna separerar S-fasen och mitosen. Progression genom varje fas av cellcykeln regleras starkt av kinaser, fosfataser och proteaser.

I G1-fasen i cellcykeln binds ursprungigenkänningskomplexet (OCR) till ursprungsstället. Detta inducerar bindningen av MCM-helikaser och andra proteiner, såsom Cdc6 och Cdt1, för att bilda ett pre-replikationskomplex (preRC). MCM-helikaset binder till ledningskedjan.

I S-fasen blir preRC en aktiv replikationsplats. OCR-, Cdc6- och Cdt1-proteinerna frisätts och MCM-helikaset rör sig i riktningen 3 ′ till 5 ′. När replikering är klar kommer den att startas om i nästa cellcykel.

Replikation av ändarna på kromosomer i eukaryoter

Ändarna på kromosomer är kända som telomerer, som består av upprepade tandemsekvenser, och ett 3'-område som sticker ut, 12 till 16 nukleotider i längd.

DNA-polymeras kan inte replikera 3'-änden av DNA-strängar. Detta beror på det faktum att DNA-polymeras endast kan syntetisera DNA i 5'-3'-riktningen, och endast kan förlänga befintliga strängar, utan att kunna syntetisera en primer i detta område. Följaktligen förkortas telomererna med varje replikationsrunda.

Enzymtelomeras förhindrar förkortning av telomerer. Telomeras är ett enzym som har protein- och RNA-subenheter (TERC). Den senare binder till de upprepande DNA-sekvenserna och tillåter telomeras att binda till 3'-änden av telomeren.

En RNA-sekvens bakom korsningsstället fungerar som en mall för syntesen av en sex nukleotidsekvens (polymerisation) i slutet av DNA-strängen. Telomerförlängning katalyseras av underenheter av telomeras, benämnt telomeras omvänt transkriptas (TERT).

Efter polymerisation sker translokation, bestående av förflyttningen av telomeras till en ny ände av DNA-kedjan, och sammanfogar ytterligare sex nukleotider fram till slutet.

Funktionerna hos andra DNA-polymeraser i eukaryoter

DNA-polymeras ß spelar en viktig roll för att ta bort felaktiga baser från DNA, men det är inte involverat i DNA-replikering.

Många upptäckta DNA-polymeraser tillhör gruppen av "translesionsreplikerande" polymeraser. Dessa polymeraser är ansvariga för att syntetisera komplementära strängar i en region med skadat DNA.

Det finns flera typer av "translesionsreplikerande" polymeraser. Exempelvis kan DNA-polymeras η replikera på tymindimerer, som produceras av UV-ljus.

DNA-replikation i archaebacteria

Arka-bakteriell DNA-replikation liknar den i eukaryoter. Detta beror på följande: 1) proteinerna som deltar i replikering är mer lik de hos eukaryoter än de av prokaryoter; och 2) även om det endast finns ett replikationsställe, såsom i prokaryoter, är dess sekvens liknar ursprungsstället för eukaryoter.

Likheten i replikering mellan Archea och eukaryoterna stöder idén att båda grupperna är fylogenetiskt mer relaterade till varandra än antingen till prokaryoter.

referenser

1. Brooker, RJ 2018. Genetikanalys och principer. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetik - från gener till genom. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Grundläggande aspekter av DNA-replikering. InTech Open access, Kroatien.
4. Lewis, R., 2015. Mänskliga genetikbegrepp och tillämpningar. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetik - en konceptuell metod. WH Freeman, New York.