РЕПЛІКАЦІЯ ДНК: МЕХАНІЗМИ, В ПРОКАРІОТИ ТА ЕУКАРІОТИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Реплікації ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти), щоб скопіювати геном, тобто всю генетичну інформацію в ДНК організму для отримання двох ідентичних копій с. У геному є інформація, необхідна для побудови повноцінного організму.

Перед поділом клітин відбувається реплікація ДНК. Через мейоз виробляються гамети для статевого розмноження. Через мітоз відбувається заміна клітин (наприклад, шкіри та крові) та розвиток (наприклад, тканини та органи).

Джерело: Я, Madprime

Знання структури ДНК дозволяє зрозуміти, як відбувається її реплікація. Структура ДНК складається з подвійної спіралі, складеної з двох антипаралельних ланцюгів послідовних нуклеотидів, азотисті основи яких специфічно доповнюють одна одну.

Під час реплікації кожен ланцюг подвійної ланцюга ДНК виступає в якості шаблону для біосинтезу нової ланцюга. Дві новосинтезовані ланцюги мають основи, які доповнюють основи шаблонного ланцюга: аденін (А) з тиміном (Т) і цитозин (С) з гуаніном (G).

У реплікації ДНК беруть участь різні ферменти та білки. Наприклад, відкриття подвійної спіралі ДНК, утримання ДНК відкритою та додавання дезоксирибонуклеозидів-5'-трифосфату (dNTP) для утворення нової ланцюга.

Реплікація ДНК напівконсервативна

Спираючись на структуру ДНК, Уотсон і Крик запропонували, що реплікація ДНК відбувається напівконсервативно. Це продемонстрували Меселсон та Шел, позначивши ДНК Escherichia coli важким ізотопом азоту, ¹⁵ N, слідуючи схемі розподілу в культуральному середовищі з легким азотом, ¹⁴ N протягом декількох поколінь .

Мезельсон і Шталь виявили, що в першому поколінні дві дочірні молекули ДНК мали кожну молекулу, позначену ланцюжком з важким ізотопом азоту, а іншу - легким ізотопом. На відміну від батьківської молекули ДНК, яка мала обидві нитки, позначені важким ізотопом, ¹⁵ Н.

У другому поколінні 50% молекул ДНК були схожі на молекули першого покоління, а інші 50% мали лише легкий азот. Інтерпретація цього результату полягає в тому, що дочірня подвійна спіраль має батьківський ланцюг (який функціонує як шаблон) та новий ланцюг.

Механізм напівконсервативної реплікації передбачає поділ ланцюгів ДНК та комплементарне сполучення бази через послідовне спарювання нуклеотидів, утворюючи дві подвійні спіралі дочки.

Тиражування акумулятора

Ініціація реплікації ДНК у бактеріях

Бактеріальна ДНК складається з кругової хромосоми і має лише одне місце походження реплікації. З цього сайту біосинтез двох дочірніх ланцюгів відбувається двосторонньо, утворюючи дві вилки реплікації, які рухаються в протилежному напрямку від початку. Зрештою, шпильки зустрічаються, завершуючи реплікацію.

Реплікація починається з прив’язки білків DnaA до місця виникнення. Ці білки в свою чергу утворюють комплекс. Потім білки HU та IHF, серед інших, об'єднуються разом, які разом складають ДНК, викликаючи поділ двох ланцюгів ДНК в області, багатої тиміном та аденіном.

Далі білки DNaC пов'язуються, що спричиняє зв'язування геліказ ДНК. Вони допомагають розмотати ДНК і розривати водневі зв’язки, утворені між парами основ. Тож дві ланцюги далі відокремлюються, утворюючи дві прості ланцюги.

Топоізомераза II, або ДНК-гіраза, рухається перед геліказою ДНК, зменшуючи позитивні надлишки. Одноланцюгові ДНК-зв'язуючі білки (SSB) білки відрізають ланцюги ДНК. Таким чином, може початися біосинтез дочірнього ланцюга.

Біосинтез дочірніх ланцюгів ДНК у бактерій

Фермент примат відповідає за синтез коротких ланцюгів РНК, званих праймерами, довжиною яких є 10-15 нуклеотидів. ДНК-полімераза починає додавати 5'-трифосфатні дезоксинуклеозиди (dNTP) до 3'-OH кінця цукрового праймера, після чого нитка продовжує рости з того самого кінця.

Оскільки нитки ДНК є антипаралельними, один праймер синтезується на лідируючій ланцюзі, а багато праймерів - на ланцюговій ланці. Через це біосинтез затримки ланцюга припиняється. Хоча нитки ДНК антипаралельні, вилка реплікації рухається лише в одному напрямку.

ДНК-полімераза відповідає за утворення ковалентних зв’язків між сусідніми нуклеотидами новосинтезованих ланцюгів у напрямку 5'33 '. У E. coli є п'ять ДНК-полімераз: ДНК-полімерази I та III здійснюють реплікацію ДНК; і ДНК-полімерази II, IV і V відповідають за відновлення та реплікацію пошкодженої ДНК.

Більшість реплікацій виконується ДНК-полімеразою III, що є холоензимом, який має 10 різних субодиниць з різними функціями при реплікації ДНК. Наприклад, альфа-субодиниця відповідає за зв'язок між нуклеотидами.

Комплекс ферментів відповідає за реплікацію ДНК у бактеріях

ДНК-геліказа та примада приєднуються до утворення комплексу, який називається примосомою. Це рухається по ДНК, діючи скоординовано, щоб розділити дві батьківські нитки, синтезуючи праймери кожен певний проміжок на затримці ланцюга.

Примосома фізично зв'язується з ДНК-полімеразою III і утворює репліку. Дві полімерази ДНК III відповідають за реплікацію ДНК напрямних і затримок ланцюгів. Що стосується ДНК-полімерази III, то уповільнена ланцюг утворює зовнішню петлю, що дозволяє приєднання нуклеотидів до цієї ланцюга відбуватися в тому ж напрямку, що і провідна ланцюг.

Додавання нуклеотидів до лідерного ланцюга відбувається безперервно. У той час як у затримці це переривання. Фрагменти довжиною 150 нуклеотидів утворюються під назвою фрагменти Оказакі.

5 '-> 3' екзонуклеазна активність ДНК-полімерази I відповідає за усунення праймерів та наповнення, додавання нуклеотидів. Фермент лігази запечатує прогалини між фрагментами. Реплікація закінчується, коли два гачки реплікації зустрічаються в послідовності завершення.

Білок Туса зв'язується з послідовністю завершення, зупиняючи рух вилки реплікації. Топоізомераза II дозволяє розділити дві хромосоми.

Деоксирибонуклеотидні трифосфати використовуються ДНК-полімеразою

Деоксинуклеозид трифосфат (dNTP) містить три фосфатні групи, приєднані до 5 'вуглецю дезоксирибози. DNTP (dATP, dTTP, dGTP і dCTP) пов'язуються з ланцюжком шаблонів, слідуючи правилу AT / GC.

ДНК-полімераза каталізує таку реакцію: 3 'гідроксильна група (-ОН) зростаючого нуклеотиду ланцюга реагує з альфа-фосфатом вхідного дНТП, вивільняючи неорганічний пірофосфат (PPi). Гідроліз PPi виробляє енергію для утворення ковалентного зв'язку, або фосфодіефірного зв'язку, між нуклеотидами зростаючого ланцюга.

Механізми, що забезпечують вірність реплікації ДНК

Під час реплікації ДНК полімераза ДНК робить помилку на 100 мільйонів нуклеотидів. Хоча ймовірність помилки дуже низька, є механізми, які забезпечують вірність реплікації ДНК. Такими механізмами є:

1) Стійкість в базовому парі. Енергія водневого зв'язку між AT / GC вище, ніж у неправильних пар основ.

2) Структура активного сайту ДНК-полімерази. ДНК-полімераза переважно каталізує нуклеотидні з’єднання з правильними підставами на протилежній ланцюзі. Погане сполучення з базою викликає спотворення подвійної спіралі ДНК, що не дозволяє неправильному нуклеотиду займати активне місце ферменту.

3) Тест з читання. ДНК-полімераза ідентифікує вбудовані помилкові нуклеотиди та видаляє їх з дочірнього ланцюга. Активність екзонуклеази ДНК-полімерази порушує фосфодіефірні зв’язки між нуклеотидами на 3-кінці нової ланцюга.

Реплікація ДНК в еукаріот

На відміну від реплікації в прокаріотів, де реплікація починається на одній ділянці, реплікація в еукаріот починається на декількох сайтах походження, а вилка реплікації рухається двосторонньо. Згодом всі шпильки для реплікації зливаються, утворюючи дві сестринські хроматиди, з'єднані в центромері.

Еукаріоти мають багато типів ДНК-полімерази, в назви яких вживаються грецькі літери. ДНК-полімераза α утворює комплекс з примадою. Цей комплекс синтезує короткі праймери, що складаються з 10 нуклеотидів РНК з подальшим 20 - 30 нуклеотидами ДНК.

Далі ε або δ ДНК-полімераза каталізує подовження дочірньої ланцюга з праймера. ДНК-полімераза ε бере участь у синтезі ланцюга лідера, тоді як ДНК-полімераза δ синтезує відсталий ланцюг.

ДНК-полімераза δ подовжує фрагмент Okazaki зліва, поки він не досягне праймера РНК справа, виробляючи короткий клапоть праймера. На відміну від прокаріотів, де ДНК-полімераза видаляє праймер, у еукаріотів ендонуклеаза Флапа видаляє праймер РНК.

Далі ДНК-лігаза запечатує сусідні фрагменти ДНК. Завершення реплікації відбувається дисоціацією білків з реплікаційної виделки.

Реплікації ДНК в еукаріотичних клітинного циклу і

Реплікація в еукаріот відбувається в S фазі клітинного циклу. Відтворені молекули ДНК секретуються у дві дочірні клітини під час мітозу. Фази G1 і G2 розділяють S фазу і мітоз. Прогресування кожної фази клітинного циклу сильно регулюється кіназами, фосфатазами та протеазами.

У фазі G1 клітинного циклу комплекс розпізнавання походження (OCR) пов'язується з місцем виникнення. Це індукує зв'язування MCM-геліказ та інших білків, таких як Cdc6 та Cdt1, для формування комплексу попередньої реплікації (preRC). Геліказа MCM зв'язується з напрямним ланцюгом.

На S фазі preRC стає активним сайтом реплікації. Вивільняються білки OCR, Cdc6 і Cdt1, і геліказа MCM рухається в напрямку 3 'до 5'. Після завершення реплікації вона буде перезапущена в наступному клітинному циклі.

Реплікація кінців хромосом у еукаріотів

Кінці хромосом відомі як теломери, які складаються з повторних тандемних послідовностей, і 3 'область, що виступає, довжиною від 12 до 16 нуклеотидів.

ДНК-полімераза не в змозі повторити 3 'кінець ланцюга ДНК. Це пов'язано з тим, що ДНК-полімераза може синтезувати ДНК лише у напрямку 5'-3 'і може лише подовжувати наявні нитки, не маючи змоги синтезувати праймер у цій області. Отже, теломери вкорочуються з кожним раундом реплікації.

Фермент теломераза запобігає вкороченню теломерів. Теломераза - це фермент, який володіє білками та РНК-субодиницями (TERC). Остання зв'язується з повторюваними послідовностями ДНК і дозволяє теломеразі зв'язуватися з 3 'кінцем теломери.

Послідовність РНК за місцем з’єднання функціонує як шаблон для синтезу шести нуклеотидної послідовності (полімеризація) в кінці ланцюга ДНК. Подовження теломеру каталізується субодиницями теломерази, що називається зворотною транскриптазою теломерази (ТЕРТ).

Після полімеризації відбувається транслокація, що складається з переміщення теломерази до нового кінця ланцюга ДНК, приєднуючи до кінця ще шість нуклеотидів.

Функції інших полімераз ДНК у еукаріотів

ДНК-полімераза β відіграє важливу роль у видаленні неправильних підстав з ДНК, але вона не бере участі в реплікації ДНК.

Багато виявлених ДНК-полімераз належать до групи полімераз, що відтворюють транлезію. Ці полімерази відповідають за синтез комплементарних ниток в області пошкодженої ДНК.

Існує кілька типів "транслізійно-репликаційних" полімераз. Наприклад, ДНК-полімераза η може реплікуватися на тимінові димери, які утворюються ультрафіолетовим світлом.

Реплікація ДНК в архебактеріях

Реплікація архебактеріальної ДНК подібна до еукаріотів. Це пов’язано з наступним: 1) білки, які беруть участь у реплікації, більш схожі на білки еукаріотів, ніж прокаріоти; і 2) хоча існує лише один сайт реплікації, такий як у прокаріотів, його послідовність схожа на сайт походження еукаріотів.

Подібність у реплікації між Археєю та еукаріотами підтримує думку про те, що обидві групи філогенетично більше пов'язані між собою, ніж будь-які прокаріоти.

Список літератури

1. Брукер, RJ 2018. Генетичний аналіз та принципи. McGraw-Hill, Нью-Йорк.
2. Хартвелл, Л.Г., Гольдберг, М.Л., Фішер, Дж. А., Гуд, Л. 2018. Генетика - від генів до геномів. McGraw-Hill, Нью-Йорк.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Фундаментальні аспекти реплікації ДНК. Відкритий доступ InTech, Хорватія.
4. Льюїс, Р., 2015. Концепції та застосування генетики людини. McGraw-Hill, Нью-Йорк.
5. Пірс, BA. 2005. Генетика - концептуальний підхід. WH Freeman, Нью-Йорк.