РЕПЛИКАЦИЯ ДНК: МЕХАНИЗМЫ У ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ - БИОЛОГИЯ - 2024

Репликации ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), чтобы скопировать геном, т.е. всю генетическую информацию в ДНК организма для получения двух идентичных копий с. В геноме есть информация, необходимая для построения полноценного организма.

Перед делением клетки происходит репликация ДНК. Через мейоз производятся гаметы для полового размножения. Через митоз происходит замещение клеток (например, кожи и крови) и развитие (например, тканей и органов).

Источник: I, Madprime

Знание структуры ДНК позволяет нам понять, как происходит ее репликация. Структура ДНК состоит из двойной спирали, состоящей из двух антипараллельных цепочек последовательных нуклеотидов, азотистые основания которых определенным образом дополняют друг друга.

Во время репликации каждая цепь двойной цепи ДНК действует как матрица для биосинтеза новой цепи. Две вновь синтезированные цепи имеют основания, которые комплементарны основаниям матричной цепи: аденин (A) с тимином (T) и цитозин (C) с гуанином (G).

В репликации ДНК участвуют различные ферменты и белки. Например, раскрытие двойной спирали ДНК, сохранение ДНК открытой и добавление дезоксирибонуклеозид-5'-трифосфата (dNTP) для образования новой цепи.

Репликация ДНК полуконсервативная

Основываясь на структуре ДНК, Уотсон и Крик предположили, что репликация ДНК происходит полуконсервативно. Это было продемонстрировано Мезельсоном и Шталем путем мечения ДНК Escherichia coli тяжелым изотопом азота, ¹⁵ N, следуя в течение нескольких поколений картине распределения в культуральной среде с легким азотом, ¹⁴ N.

Мезельсон и Шталь обнаружили, что в первом поколении две дочерние молекулы ДНК имели каждую молекулу, помеченную цепочкой с тяжелым изотопом азота, а другая с легким изотопом. В отличие от исходной молекулы ДНК, обе цепи которой были мечены тяжелым изотопом, ¹⁵ N.

Во втором поколении 50% молекул ДНК были похожи на молекулы первого поколения, а остальные 50% содержали только легкий азот. Интерпретация этого результата состоит в том, что дочерняя двойная спираль имеет родительскую цепь (которая функционирует как шаблон) и новую цепь.

Полуконсервативный механизм репликации включает разделение цепей ДНК и комплементарное спаривание оснований посредством последовательного спаривания нуклеотидов с образованием двух дочерних двойных спиралей.

Репликация батареи

Инициирование репликации ДНК у бактерий

Бактериальная ДНК состоит из кольцевой хромосомы и имеет только один сайт происхождения репликации. Из этого сайта биосинтез двух дочерних цепей происходит двунаправленно, образуя две репликационные вилки, которые движутся в направлениях, противоположных исходной. В конце концов, шпильки встречаются, завершая репликацию.

Репликация начинается со связывания белков DnaA с местом происхождения. Эти белки, в свою очередь, образуют комплекс. Затем белки HU и IHF, среди прочих, соединяются вместе, которые вместе складывают ДНК, вызывая разделение двух цепей ДНК в области, богатой тимином и аденином.

Затем связываются белки DNaC, которые вызывают связывание ДНК-геликаз. Они помогают раскручивать ДНК и разрывать водородные связи, образованные между парами оснований. Таким образом, две цепи разделяются дальше, образуя две простые цепи.

Топоизомераза II, или ДНК-гираза, движется впереди ДНК-геликазы, уменьшая количество положительных суперспиралей. Белки, связывающие одноцепочечную ДНК (SSB), разделяют цепи ДНК. Таким образом, можно начинать биосинтез дочерней цепи.

Биосинтез дочерних цепей ДНК у бактерий

Фермент праймаза отвечает за синтез коротких цепей РНК, называемых праймерами, длиной от 10 до 15 нуклеотидов. ДНК-полимераза начинает добавлять 5'-трифосфат дезоксинуклеозиды (dNTP) к 3'-ОН концу праймерного сахара, после чего цепь продолжает расти с того же конца.

Поскольку цепи ДНК антипараллельны, один праймер синтезируется на лидерной цепи, а множество праймеров - на лаг-цепи. Из-за этого биосинтез отсроченной цепи прерывается. Хотя нити ДНК антипараллельны, вилка репликации движется только в одном направлении.

ДНК-полимераза отвечает за образование ковалентных связей между соседними нуклеотидами вновь синтезированных цепей в направлении 5'®3 '. В E. coli существует пять ДНК-полимераз: ДНК-полимеразы I и III осуществляют репликацию ДНК; ДНК-полимеразы II, IV и V ответственны за восстановление и репликацию поврежденной ДНК.

Большая часть репликации осуществляется ДНК-полимеразой III, которая представляет собой холофермент, имеющий 10 различных субъединиц с различными функциями в репликации ДНК. Например, альфа-субъединица отвечает за связывание нуклеотидов.

Комплекс ферментов отвечает за репликацию ДНК у бактерий.

ДНК-геликаза и примаза соединяются, образуя комплекс, называемый примосомой. Он движется по ДНК, действуя скоординированным образом, разделяя две родительские цепи, синтезируя праймеры через каждый определенный интервал на отложенной цепи.

Примосома физически связывается с ДНК-полимеразой III и образует реплисому. Две ДНК-полимеразы III ответственны за репликацию ДНК направляющей и отсроченной цепей. Что касается ДНК-полимеразы III, отсроченная цепь образует наружу петлю, которая позволяет присоединению нуклеотидов к этой цепи в том же направлении, что и лидерная цепь.

Добавление нуклеотидов к лидерной цепи непрерывно. В то время как в задержке он прерывистый. Образуются фрагменты длиной 150 нуклеотидов, называемые фрагментами Окадзаки.

Экзонуклеазная активность 5 '-> 3' ДНК-полимеразы I отвечает за удаление праймеров и заполнение, добавление нуклеотидов. Фермент лигаза закрывает промежутки между фрагментами. Репликация завершается, когда два перехватчика репликации встречаются в последовательности завершения.

Белок Tus связывается с терминирующей последовательностью, останавливая движение репликационной вилки. Топоизомераза II позволяет разделить две хромосомы.

Дезоксирибонуклеотидтрифосфаты используются ДНК-полимеразой.

Дезоксинуклеозидтрифосфат (dNTP) содержит три фосфатные группы, присоединенные к 5'-углеродному атому дезоксирибозы. DNTP (dATP, dTTP, dGTP и dCTP) связываются с цепочкой шаблона в соответствии с правилом AT / GC.

ДНК-полимераза катализирует следующую реакцию: 3'-гидроксильная группа (–OH) нуклеотида растущей цепи реагирует с альфа-фосфатом поступающего dNTP, высвобождая неорганический пирофосфат (PPi). Гидролиз PPi дает энергию для образования ковалентной связи или фосфодиэфирной связи между нуклеотидами растущей цепи.

Механизмы, обеспечивающие точность репликации ДНК

Во время репликации ДНК ДНК-полимераза III делает ошибку на 100 миллионов нуклеотидов. Хотя вероятность ошибки очень мала, существуют механизмы, обеспечивающие точность репликации ДНК. Эти механизмы:

1) Стабильность в спаривании оснований. Энергия водородной связи между AT / GC выше, чем в неправильных парах оснований.

2) Структура активного центра ДНК-полимеразы. ДНК-полимераза предпочтительно катализирует нуклеотидные соединения с правильными основаниями на противоположной цепи. Плохое спаривание оснований вызывает искажение двойной спирали ДНК, что препятствует тому, чтобы неправильный нуклеотид занимал активный центр фермента.

3) Тест по чтению. ДНК-полимераза идентифицирует включенные ошибочные нуклеотиды и удаляет их из дочерней цепи. Экзонуклеазная активность ДНК-полимеразы разрывает фосфодиэфирные связи между нуклеотидами на 3'-конце новой цепи.

Репликация ДНК у эукариот

В отличие от репликации у прокариот, где репликация начинается с одного сайта, репликация у эукариот начинается с нескольких сайтов происхождения, а вилка репликации движется в двух направлениях. Впоследствии все шпильки репликации сливаются, образуя две сестринские хроматиды, соединенные в центромере.

Эукариоты обладают многими типами ДНК-полимераз, в названиях которых используются греческие буквы. ДНК-полимераза α образует комплекс с примазой. Этот комплекс синтезирует короткие праймеры, состоящие из 10 нуклеотидов РНК, за которыми следуют 20-30 нуклеотидов ДНК.

Затем ε или δ ДНК-полимераза катализирует удлинение дочерней цепи от праймера. ДНК-полимераза ε участвует в синтезе лидерной цепи, а ДНК-полимераза δ синтезирует замедленную цепь.

ДНК-полимераза δ удлиняет фрагмент Окадзаки слева до тех пор, пока он не достигнет праймера РНК справа, образуя короткий лоскут праймера. В отличие от прокариот, у которых ДНК-полимераза удаляет праймер, у эукариот фермент эндонуклеаза Flap удаляет праймер РНК.

Затем ДНК-лигаза запечатывает соседние фрагменты ДНК. Завершение репликации происходит при диссоциации белков репликационной вилки.

Репликации ДНК в эукариотических клеточного цикла и

Репликация у эукариот происходит в S-фазе клеточного цикла. Реплицированные молекулы ДНК секретируются в две дочерние клетки во время митоза. Фазы G1 и G2 разделяют фазу S и митоз. Прохождение каждой фазы клеточного цикла строго регулируется киназами, фосфатазами и протеазами.

В фазе G1 клеточного цикла комплекс распознавания происхождения (OCR) связывается с сайтом происхождения. Это индуцирует связывание геликаз MCM и других белков, таких как Cdc6 и Cdt1, с образованием пререпликационного комплекса (preRC). Хеликаза MCM связывается с направляющей цепью.

В S-фазе preRC становится активным сайтом репликации. Белки OCR, Cdc6 и Cdt1 высвобождаются, и геликаза MCM перемещается в направлении от 3 'до 5'. После завершения репликации она будет перезапущена в следующем клеточном цикле.

Репликация концов хромосом у эукариот

Концы хромосом известны как теломеры, которые состоят из повторяющихся тандемных последовательностей и выступающей 3'-области длиной от 12 до 16 нуклеотидов.

ДНК-полимераза неспособна реплицировать 3'-конец цепей ДНК. Это связано с тем, что ДНК-полимераза может синтезировать ДНК только в направлении 5'-3 'и может только удлинять уже существующие цепи, не имея возможности синтезировать праймер в этой области. Следовательно, теломеры укорачиваются с каждым раундом репликации.

Фермент теломераза предотвращает укорочение теломер. Теломераза - это фермент, содержащий субъединицы белка и РНК (TERC). Последний связывается с повторяющимися последовательностями ДНК и позволяет теломеразе связываться с 3'-концом теломеры.

Последовательность РНК за сайтом соединения функционирует как матрица для синтеза шестинуклеотидной последовательности (полимеризация) на конце цепи ДНК. Удлинение теломер катализируется субъединицами теломеразы, называемыми обратной транскриптазой теломеразы (TERT).

После полимеризации имеет место транслокация, состоящая из перемещения теломеразы к новому концу цепи ДНК, присоединяясь к еще шести нуклеотидам до конца.

Функции других ДНК-полимераз у эукариот

ДНК-полимераза β играет важную роль в удалении неправильных оснований из ДНК, но не участвует в репликации ДНК.

Многие обнаруженные ДНК-полимеразы принадлежат к группе полимераз, «реплицирующих повреждение». Эти полимеразы отвечают за синтез дополнительных цепей в области поврежденной ДНК.

Существует несколько типов полимераз, "реплицирующих повреждение". Например, ДНК-полимераза η может реплицироваться на димерах тимина, которые продуцируются УФ-светом.

Репликация ДНК в архебактериях

Репликация ДНК архебактерий подобна репликации у эукариот. Это связано со следующим: 1) белки, участвующие в репликации, больше похожи на белки эукариот, чем на белки прокариот; и 2) хотя существует только один сайт репликации, такой как у прокариот, его последовательность аналогична сайту происхождения эукариот.

Сходство в репликации между Archea и эукариотами поддерживает идею о том, что обе группы филогенетически более связаны друг с другом, чем с прокариотами.

Ссылки

1. Брукер, Р.Дж. 2018. Генетический анализ и принципы. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.
2. Хартвелл, Л. Х., Голдберг, М. Л., Фишер, Дж. А., Худ, Л. 2018. Генетика - от генов к геномам. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.
3. Кушич-Тишма, Дж. 2011. Фундаментальные аспекты репликации ДНК. InTech Открытый доступ, Хорватия.
4. Льюис, Р., 2015. Концепции и приложения генетики человека. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.
5. Пирс, Б.А. 2005. Генетика - концептуальный подход. WH Freeman, Нью-Йорк.