ДНК РЕПЛИКАЦИЯ: МЕХАНИЗМИ, В ПРОКАРИОТИ И ЕУКАРИОТИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На репликацията на ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) е за копиране генома, т.е. цялата генетична информация в ДНК на организма да произвежда два идентични копия. Геномът разполага с информацията, необходима за изграждането на цялостен организъм.

Преди деленето на клетките се извършва репликация на ДНК. Чрез мейозата се получават гамети за сексуална репродукция. Чрез митоза настъпва клетъчна подмяна (напр. Кожа и кръв) и развитие (напр. Тъкани и органи).

Източник: Аз, Madprime

Познаването на структурата на ДНК ни позволява да разберем как става репликацията му. Структурата на ДНК се състои от двойна спирала, съставена от две антипаралелни вериги от последователни нуклеотиди, чиито азотни основи се допълват по специфичен начин.

По време на репликацията, всеки низ от ДНК двойната верига действа като шаблон за биосинтеза на нова верига. Двете новосинтезирани вериги имат основи, които допълват основите на веригата на шаблона: аденин (А) с тимин (Т) и цитозин (С) с гуанин (G).

В репликацията на ДНК участват различни ензими и протеини. Например, отваряне на ДНК двойната спирала, поддържане на ДНК отворено и добавяне на дезоксирибонуклеозиди-5'-трифосфат (dNTP) за образуване на новата верига.

Репликацията на ДНК е полуконсервативна

Въз основа на структурата на ДНК, Уотсън и Крик предлагат репликацията на ДНК да се извършва полуконсервативно. Това е доказано от Мезелсън и Стал чрез етикетиране на ДНК на Escherichia coli с тежкия изотоп на азот, ¹⁵ N, следвайки схемата на разпределение в културална среда с лек азот, ¹⁴ N за няколко поколения.

Меселсън и Стал установили, че в първото поколение двете дъщерни ДНК молекули са имали всяка молекула, обозначена с верига с тежкия изотоп на азот и друга с лекия изотоп. За разлика от основната молекула на ДНК, която имаше и двете нишки, белязани с тежкия изотоп, ¹⁵ N.

При второто поколение 50% от молекулите на ДНК са били като тези от първото поколение, а останалите 50% са имали само лек азот. Тълкуването на този резултат е, че дъщерната двойна спирала има родителска верига (която функционира като шаблон) и нова верига.

Механизмът на полуконсервативна репликация включва отделяне на нишки на ДНК и комплементарно двойно свързване чрез последователно сдвояване на нуклеотиди, произвеждайки две дъщерни двойни спирали.

Репликация на батерията

Иницииране на репликация на ДНК в бактерии

Бактериалната ДНК се състои от кръгова хромозома и има само едно място на произход на репликация. От този сайт биосинтезата на двете дъщерни вериги протича двупосочно, образувайки две вилици за репликация, които се движат в противоположни посоки на първоизточника. В крайна сметка щифтовете се срещат, завършвайки репликацията.

Репликацията започва със свързването на DnaA протеини към мястото на възникване. Тези протеини от своя страна образуват комплекс. Тогава HU и IHF протеините, наред с други, се съединяват, които заедно огъват ДНК, причинявайки разделянето на двете нишки на ДНК в регион, богат на тимин и аденин.

След това се свързват DNaC протеините, които причиняват свързването на ДНК хеликазите. Те помагат да се развие ДНК и да разрушат водородните връзки, образувани между двойки основи. Така двете вериги се разделят допълнително, образувайки две прости вериги.

Топоизомераза II, или ДНК гираза, се движи пред ДНК хеликаза, като намалява положителните суперкили. Едноверижните ДНК-свързващи (SSB) протеини държат ДНК веригите разделени. Така може да започне биосинтезата на дъщерната верига.

Биосинтез на дъщерни нишки на ДНК в бактерии

Ензимът прима е отговорен за синтеза на къси РНК вериги, наречени праймери, които са дълги 10-15 нуклеотида. ДНК полимеразата започва да добавя 5'-трифосфат дезоксинуклеозиди (dNTPs) към 3'-OH края на праймера захар, след което нишката продължава да расте от същия край.

Тъй като ДНК веригите са антипаралелни, един праймер се синтезира върху водещата и много праймери на изоставащата верига. Поради това биосинтезата на забавената верига е прекъсната. Въпреки че нишките на ДНК са антипаралелни, вилицата за репликация се движи само в една посока.

ДНК полимеразата е отговорна за образуването на ковалентни връзки между съседни нуклеотиди на новосинтезираните вериги, в посока 5'33 '. В E. coli има пет ДНК полимерази: ДНК полимеразите I и III извършват репликация на ДНК; и ДНК полимерази II, IV и V са отговорни за поправянето и репликацията на увредена ДНК.

По-голямата част от репликацията се осъществява от ДНК полимераза III, която е холоензим, който има 10 различни субединици с различни функции при ДНК репликация. Например, алфа субединицата е отговорна за осъществяването на връзки между нуклеотидите.

Комплексът от ензими е отговорен за репликацията на ДНК в бактериите

ДНК хеликаза и примада се съединяват, за да образуват комплекс, наречен примозома. Това се движи по ДНК, действайки по координиран начин за разделяне на двете родителски нишки, синтезирайки праймерите на всеки определен интервал върху забавената верига.

Примозомата физически се свързва с ДНК полимераза III и образува реплизомата. Две ДНК полимерази III са отговорни за репликацията на ДНК на водещите и забавени вериги. По отношение на ДНК полимераза III, забавената верига образува външна верига, което позволява добавянето на нуклеотиди към тази верига да протича в същата посока като лидерната верига.

Добавянето на нуклеотиди към лидерната верига е непрекъснато. Докато в забавено е прекъснато. Образуват се фрагменти с дължина 150 нуклеотида, наречени фрагменти на Оказаки.

5 '-> 3' екзонуклеазната активност на ДНК полимераза I е отговорна за елиминирането на праймерите и пълненето, добавяйки нуклеотиди. Ензимът лигаза запечатва празнините между фрагментите. Репликацията завършва, когато двете куки за репликация се срещнат в последователност за прекратяване.

Протеинът Tus се свързва към последователността на прекратяване, като спира движението на вилицата за репликация. Топоизомераза II позволява разделянето на двете хромозоми.

Деоксирибонуклеотид трифосфати се използват от ДНК полимераза

Деоксинуклеозид трифосфат (dNTP) съдържа три фосфатни групи, свързани с 5 'въглерод на дезоксирибоза. DNTPs (dATP, dTTP, dGTP и dCTP) се свързват към веригата за шаблони, следвайки правилото AT / GC.

ДНК полимераза катализира следната реакция: 3 'хидроксилната група (-OH) на растящия нуклеотид на веригата взаимодейства с алфа фосфата на входящия dNTP, отделяйки неорганичен пирофосфат (PPi). Хидролизата на PPi произвежда енергията за образуването на ковалентна връзка или фосфодиестерна връзка между нуклеотидите на нарастващата верига.

Механизми, които осигуряват верността на репликацията на ДНК

По време на репликацията на ДНК ДНК полимераза III прави грешка от 100 милиона нуклеотиди. Въпреки че вероятността за грешка е много ниска, съществуват механизми, които осигуряват вярност в репликацията на ДНК. Тези механизми са:

1) Стабилност в основното сдвояване. Енергията на водородното свързване между AT / GC е по-висока, отколкото при грешни базови двойки.

2) Структура на активното място на ДНК полимераза. ДНК полимеразата за предпочитане катализира нуклеотидни връзки с правилни основи на противоположната верига. Лошото сдвояване на базата предизвиква изкривяване на ДНК двойната спирала, което не позволява на грешния нуклеотид да заеме активното място на ензима.

3) Тест за четене. ДНК полимеразата идентифицира включените погрешни нуклеотиди и ги премахва от дъщерната верига. Екзонуклеазната активност на ДНК полимераза нарушава фосфодиестерните връзки между нуклеотидите в 3 'края на новата верига.

ДНК репликация в еукариоти

За разлика от репликацията в прокариотите, където репликацията започва в един сайт, репликацията в еукариотите започва в множество места на произход и вилицата за репликация се движи двупосочно. Впоследствие всички репликационни фиби се сливат, образувайки две сестрински хроматиди, свързани в центромера.

Еукариотите притежават много видове ДНК полимераза, чиито имена използват гръцки букви. ДНК полимеразата α образува комплекс с примада. Този комплекс синтезира къси праймери, състоящи се от 10 нуклеотиди на РНК, последвани от 20 до 30 нуклеотиди на ДНК.

На следващо място, ε или δ ДНК полимераза катализира удължаването на дъщерната нишка от праймера. ДНК полимеразата ε участва в синтеза на лидерската верига, докато ДНК полимеразата δ синтезира изостаналата верига.

ДНК полимераза δ удължава фрагмента на Okazaki вляво, докато стигне до праймера на РНК вдясно, произвеждайки кратък клап на праймера. За разлика от прокариотите, където ДНК полимераза премахва праймера, при еукариот ендонуклеазен ензим Flap премахва РНК праймера.

След това ДНК лигаза запечатва съседните фрагменти на ДНК. Завършването на репликацията става с дисоциацията на протеините от репликационната вилка.

На репликацията на ДНК в еукариотен клетъчен цикъл и

Репликацията в еукариот става в S фазата на клетъчния цикъл. Реплицираните ДНК молекули се секретират в две дъщерни клетки по време на митоза. Фазите G1 и G2 разделят S фазата и митозата. Прогресията през всяка фаза на клетъчния цикъл е силно регулирана от кинази, фосфатази и протеази.

Във фазата G1 на клетъчния цикъл комплексът за разпознаване на произход (OCR) се свързва към мястото на възникване. Това индуцира свързването на МСМ хеликази и други протеини, като Cdc6 и Cdt1, за да образува предрепликационен комплекс (preRC). MCM хеликазата се свързва към водещата верига.

В S фазата preRC става активно място за репликация. Освобождават се OCR, Cdc6 и Cdt1 протеините и MCM хеликазата се движи в посока 3 'до 5'. След като репликацията приключи, тя ще бъде рестартирана в следващия клетъчен цикъл.

Репликация на краищата на хромозомите в еукариотите

Краищата на хромозомите са известни като теломери, които се състоят от повтарящи се тандемни последователности и 3 'участък, който стърчи, с дължина от 12 до 16 нуклеотида.

ДНК полимеразата не е в състояние да възпроизведе 3 'края на веригата от ДНК. Това се дължи на факта, че ДНК полимеразата може да синтезира ДНК само в 5'-3 'посока и може само да удължи съществуващите нишки, без да може да синтезира праймер в този регион. Следователно теломерите се скъсяват с всеки кръг на репликация.

Ензимната теломераза предотвратява скъсяването на теломерите. Теломеразата е ензим, който притежава протеинови и РНК субединици (TERC). Последната се свързва с повтарящите се последователности на ДНК и позволява теломеразата да се свърже към 3 'края на теломера.

РНК последователността зад мястото на кръстовище функционира като шаблон за синтеза на шест нуклеотидна последователност (полимеризация) в края на веригата на ДНК. Теломерното удължение се катализира от теломеразна субединици, наречена теломеразна обратна транскриптаза (TERT).

След полимеризацията се извършва транслокация, състояща се от движението на теломеразата към нов край на ДНК веригата, свързваща още шест нуклеотида до края.

Функциите на други ДНК полимерази в еукариотите

ДНК полимеразата β играе важна роля за премахване на неправилни основи от ДНК, но тя не участва в репликацията на ДНК.

Много открити ДНК полимерази принадлежат към групата на "полисеразно-репликиращите" полимерази. Тези полимерази са отговорни за синтеза на комплементарни нишки в регион на увредена ДНК.

Съществуват няколко вида полимерази, „възпроизвеждащи транлезия“. Например, ДНК полимеразата η може да се възпроизведе на димери на тимин, които се получават от UV светлина.

ДНК репликация в архебактериите

Архебактериалната репликация на ДНК е подобна на тази при еукариотите. Това се дължи на следното: 1) протеините, които участват в репликацията, са по-сходни с тези на еукариотите, отколкото на прокариотите; и 2) въпреки че има само едно място за репликация, като например в прокариотите, неговата последователност е подобна на мястото на произход на еукариотите.

Приликата в репликацията между Archea и еукариотите подкрепя идеята, че двете групи са филогенетично по-свързани помежду си, отколкото с прокариотите.

Препратки

1. Brooker, RJ 2018. Генетичен анализ и принципи. McGraw-Hill, Ню Йорк.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Генетика - от гени до геноми. McGraw-Hill, Ню Йорк.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Основни аспекти на репликацията на ДНК. InTech Open access, Хърватия.
4. Lewis, R., 2015. Концепции и приложения на човешката генетика. McGraw-Hill, Ню Йорк.
5. Пиърс, BA. 2005. Генетика - концептуален подход. WH Freeman, Ню Йорк.