DNS REPLIKĀCIJA: MEHĀNISMI PROKARIOTOS UN EIKARIOTOS - BIOLOĢIJA - 2025

DNS replikācija (dezoksiribonukleīnskābē) ir kopēt genomu, ti, visu ģenētisko informāciju DNS organisma ražot divas identiskas kopijas. Genomā ir informācija, kas nepieciešama pilnīga organisma veidošanai.

Pirms šūnu dalīšanas notiek DNS replikācija. Caur meiozi gametas tiek ražotas seksuālai reprodukcijai. Ar mitozes palīdzību notiek šūnu aizstāšana (piemēram, ādā un asinīs) un attīstība (piemēram, audos un orgānos).

Avots: Es, Madprime

Zinot DNS struktūru, mēs varam saprast, kā notiek tās replikācija. DNS struktūru veido dubultā spirāle, kas sastāv no divām secīgu nukleotīdu antiparalēlu ķēdēm, kuru slāpekļa bāzes specifiskā veidā papildina viena otru.

Replikācijas laikā katra DNS divkāršās virknes virkne darbojas kā šablons jaunas virknes biosintēzei. Divām tikko sintezētajām ķēdēm ir bāzes, kas papildina šabloniskās ķēdes pamatus: adenīns (A) ar timīnu (T) un citozīns (C) ar guanīnu (G).

DNS replikācijā ir iesaistīti dažādi fermenti un olbaltumvielas. Piemēram, atverot DNS dubultā spirāli, noturot DNS atvērtu un pievienojot dezoksiribonukleozīdus-5′-trifosfātu (dNTP), veidojot jauno šķiedru.

DNS replikācija ir daļēji konservatīva

Balstoties uz DNS struktūru, Vatsons un Kriks ierosināja, ka DNS replikācija notiek daļēji konservatīvi. To parādīja Meselsons un Štāls, marķējot Escherichia coli DNS ar smago slāpekļa izotopu ¹⁵ N, ievērojot sadalījuma modeli barotnē ar vieglu slāpekli, ¹⁴ N, vairākām paaudzēm .

Meselsons un Štāls atklāja, ka pirmajā paaudzē abām meitas DNS molekulām katrai molekulai bija etiķete ar ķēdi ar slāpekļa smago izotopu, bet citai - ar vieglo izotopu. Atšķirībā no sākotnējās DNS molekulas, kurai bija abas šķipsnas, kas marķētas ar smago izotopu, ¹⁵ N.

Otrajā paaudzē 50% DNS molekulu bija tādas pašas kā pirmās paaudzes, bet pārējiem 50% bija tikai vieglais slāpeklis. Šī rezultāta interpretācija ir tāda, ka meitas dubultā spirālei ir mātes ķēde (kas darbojas kā veidne) un jauna ķēde.

Daļēji konservatīvais replikācijas mehānisms ietver DNS šķiedru atdalīšanu un komplementāru bāzu pāru veidošanu, izmantojot secīgu nukleotīdu savienošanu pārī, iegūstot divas meitas dubultās helikles.

Akumulatora replikācija

DNS replikācijas uzsākšana baktērijās

Baktēriju DNS sastāv no apļveida hromosomas, un tai ir tikai viena replikācijas izcelsmes vieta. No šīs vietas divu meitas ķēžu biosintēze notiek divvirzienu, veidojot divas replikācijas dakšas, kas pārvietojas pretējos virzienos nekā izcelsme. Noslēgumā satiek matadatas, pabeidzot replikāciju.

Replikācija sākas ar DnaA olbaltumvielu saistīšanos izcelsmes vietā. Šīs olbaltumvielas savukārt veido kompleksu. Tad HU un IHF proteīni, cita starpā, apvienojas, kas kopā saliek DNS, izraisot divu DNS šķiedru atdalīšanos reģionā, kas bagāts ar timīnu un adenīnu.

Pēc tam saistās DNaC olbaltumvielas, kas izraisa DNS helikāžu saistīšanos. Tie palīdz atbrīvot DNS un sašķelt ūdeņraža saites, kas izveidotas starp bāzes pāriem. Tātad abas ķēdes tiek tālāk atdalītas, veidojot divas vienkāršas ķēdes.

Topoizomerāze II jeb DNS girāze pārvietojas DNS helikāzes priekšā, samazinot pozitīvās superpoles. Vienpavediena DNS saistošie (SSB) proteīni atšķir DNS šķipsnas. Tādējādi var sākties meitas ķēdes biosintēze.

Meitas DNS dzīslu biosintēze baktērijās

Primāzes enzīms ir atbildīgs par īsu RNS ķēžu, ko sauc par gruntiņiem, sintezēšanu, kuru garums ir 10–15 nukleotīdi. DNS polimerāze sāk pievienot 5′-trifosfāta deoksinukleozīdus (dNTPs) primercukura 3′-OH galā, pēc kura virkne turpina augt no tā paša gala.

Tā kā DNS virzieni ir antiparalēli, viens gruntējums tiek sintezēts uz līdera virknes, un daudzi grunti - uz atlikuma virkni. Tāpēc kavētā ķēdes biosintēze ir pārtraukta. Kaut arī DNS virzieni ir antiparalēli, replikācijas dakša pārvietojas tikai vienā virzienā.

DNS polimerāze ir atbildīga par kovalento saišu veidošanos starp tikko sintezēto ķēžu blakus esošajiem nukleotīdiem 5'®3 ′ virzienā. E. coli ir piecas DNS polimerāzes: I un III DNS polimerāzes veic DNS replikāciju; un II, IV un V DNS polimerāzes ir atbildīgas par bojātas DNS labošanu un replicēšanu.

Lielāko replikācijas daļu veic DNS polimerāze III, kas ir holoenzīms, kam ir 10 dažādas apakšvienības ar dažādām funkcijām DNS replikācijā. Piemēram, alfa subvienība ir atbildīga par saišu veidošanu starp nukleotīdiem.

Fermentu komplekss ir atbildīgs par DNS replikāciju baktērijās

DNS helikāze un primāze apvienojas, veidojot kompleksu, ko sauc par primosomu. Tas pārvietojas pa DNS, koordinēti rīkojoties, lai atdalītu abas vecāku virknes, sintezējot grunti ik pēc noteikta intervāla uz aizkavēto virzienu.

Primosoma fiziski saistās ar DNS polimerāzi III un veido replisomu. Divas DNS polimerāzes III ir atbildīgas par virzošās un aizkavēto ķēžu DNS replicēšanu. Attiecībā uz DNS polimerāzi III aizkavētā virkne veido ārējo cilpu, kas šai virknei ļauj pievienot nukleotīdus tajā pašā virzienā kā līdera virknei.

Nukleotīdu pievienošana vadošajai ķēdei ir nepārtraukta. Kamēr tas kavējas, tas ir pārtraukts. Fragmenti veidojas 150 nukleotīdu garumā, kurus sauc par Okazaki fragmentiem.

DNS polimerāzes I 5 ′ -> 3 ′ eksonukleāzes aktivitāte ir atbildīga par praimeru likvidēšanu un piepildīšanu, pievienojot nukleotīdus. Ligāzes enzīms aizpilda spraugas starp fragmentiem. Replikācija beidzas, kad divi replikācijas āķi satiekas beigu secībā.

Tus olbaltumviela saistās ar izbeigšanas secību, pārtraucot replikācijas dakšas kustību. Topoizomerāze II ļauj atdalīt abas hromosomas.

Dezoksiribonukleotīdu trifosfātus izmanto DNS polimerāze

Dezoksinukleozīdu trifosfāts (dNTP) satur trīs fosfātu grupas, kas piestiprinātas pie dezoksiribozes 5 ′ oglekļa. DNTP (dATP, dTTP, dGTP un dCTP) saistās ar veidnes ķēdi, ievērojot AT / GC noteikumu.

DNS polimerāze katalizē šādu reakciju: Augošās virknes nukleotīda 3 ′ hidroksilgrupa (–OH) reaģē ar ienākošā dNTP alfa fosfātu, atbrīvojot neorganisko pirofosfātu (PPi). PPi hidrolīze rada enerģiju kovalentās saites jeb fosfodiestera saites veidošanai starp augošās ķēdes nukleotīdiem.

Mehānismi, kas nodrošina DNS replikācijas precizitāti

DNS replikācijas laikā DNS polimerāze III pieļauj kļūdu 100 miljonu nukleotīdu apjomā. Lai arī kļūdas varbūtība ir ļoti maza, ir mehānismi, kas nodrošina uzticamību DNS replikācijā. Šie mehānismi ir:

1) stabilitāte bāzes pārī. Ūdeņraža savienojuma enerģija starp AT / GC ir augstāka nekā nepareizos bāzes pāros.

2) DNS polimerāzes aktīvās vietas uzbūve. DNS polimerāze galvenokārt katalizē nukleotīdu savienojumus ar pareizām bāzēm pretējā virknē. Slikts bāzes savienojums rada DNS dubultās spirāles izkropļojumus, kas neļauj nepareizam nukleotīdam ieņemt fermenta aktīvo vietu.

3) Lasīšanas pārbaude. DNS polimerāze identificē iestrādātos kļūdainos nukleotīdus un noņem tos no meitas virknes. DNS polimerāzes eksonukleāzes aktivitāte sagrauj fosfodiesteru saites starp nukleotīdiem jaunās virknes 3 ′ galā.

DNS replikācija eikariotos

Atšķirībā no replikācijas prokariotos, kur replikācija sākas vienā vietā, replikācija eikariotos sākas vairākās izcelsmes vietās un replikācijas dakša pārvietojas divvirzienu. Pēc tam visi replikācijas matadatas saplūst, veidojot divus māsu hromatīdus, kas savienoti centromērā.

Eikariotiem piemīt daudzu veidu DNS polimerāzes, kuru nosaukumos izmantoti grieķu burti. Α DNS polimerāze veido kompleksu ar primāzi. Šis komplekss sintezē īsus praimerus, kas sastāv no 10 RNS nukleotīdiem, kam seko no 20 līdz 30 DNS nukleotīdiem.

Pēc tam ε vai δ DNS polimerāze katalizē meitas šķipsnas pagarinājumu no gruntskrāsas. DNS polimerāze ε ir iesaistīta vadošās ķēdes sintēzē, bet DNS polimerāze δ sintezē kavēto ķēdi.

DNS polimerāze δ pagarina Okazaki fragmentu kreisajā pusē, līdz tas sasniedz RNS grunti labajā pusē, izveidojot īsu grunts atloku. Atšķirībā no prokariotiem, kur DNS polimerāze noņem grunti, eikariotos Flap endonukleāzes enzīms noņem RNS grunti.

Tālāk DNS ligāze aizzīmogo blakus esošos DNS fragmentus. Replikācijas pabeigšana notiek ar olbaltumvielu disociāciju no replikācijas dakšas.

DNS replikāciju in eikariotu šūnas cikla un

Replikācija eikariotos notiek šūnu cikla S fāzē. Reproducētās DNS molekulas mitozes laikā tiek izdalītas divās meitas šūnās. G1 un G2 fāzes atdala S fāzi un mitozi. Progresu katrā šūnu cikla fāzē ļoti regulē kināzes, fosfatāzes un proteāzes.

Šūnu cikla G1 fāzē izcelsmes atpazīšanas komplekss (OCR) saistās ar izcelsmes vietu. Tas inducē MCM helikāžu un citu olbaltumvielu, piemēram, Cdc6 un Cdt1, saistīšanos, veidojot pirmsreplikācijas kompleksu (preRC). MCM helikāze saistās ar virzošo ķēdi.

S fāzē preRC kļūst par aktīvu replikācijas vietu. Tiek izlaisti OCR, Cdc6 un Cdt1 proteīni, un MCM helikāze virzās virzienā no 3 ′ līdz 5 ′. Kad replikācija ir pabeigta, tā tiks atsākta nākamajā šūnu ciklā.

Hromosomu galu replikācija eikariotos

Hromosomu galus sauc par telomēriem, kas sastāv no atkārtotām tandēma sekvencēm un 3 ′ apgabala, kas izvirzīts, ar garumu 12 līdz 16 nukleotīdi.

DNS polimerāze nespēj replicēt DNS šķiedru 3 ′ galu. Tas notiek tāpēc, ka DNS polimerāze var sintezēt DNS tikai 5'-3 'virzienā un var paplašināt tikai esošās virknes, nespējot sintezēt grunti šajā reģionā. Līdz ar to telomēri saīsinās ar katru replikācijas kārtu.

Ferments telomerāze novērš telomēru saīsināšanos. Telomerāze ir ferments, kam ir olbaltumvielu un RNS apakšvienības (TERC). Pēdējais saistās ar atkārtojošajām DNS sekvencēm un ļauj telomerāzei saistīties ar telomēra 3 ′ galu.

RNS secība aiz savienojuma vietas darbojas kā šablons sešu nukleotīdu secību sintēzei (polimerizācijai) DNS virknes galā. Telomēru pagarinājumu katalizē telomerāzes apakšvienības, ko sauc par telomerāžu reverso transkriptāzi (TERT).

Pēc polimerizācijas notiek translokācija, kas sastāv no telomerāzes pārvietošanas uz jaunu DNS ķēdes galu, līdz beigām savienojot vēl sešus nukleotīdus.

Citu DNS polimerāžu funkcijas eikariotos

DNS polimerāzei β ir svarīga loma nepareizu bāzu noņemšanā no DNS, bet tā nav iesaistīta DNS replikācijā.

Daudzas atklātās DNS polimerāzes pieder pie "translējumu replicējošo" polimerāžu grupas. Šīs polimerāzes ir atbildīgas par komplementāru šķiedru sintezēšanu bojātas DNS reģionā.

Pastāv vairāki "translējumu replicējošu" polimerāžu veidi. Piemēram, DNS polimerāze η var replicēties timīna dimēros, kurus rada UV gaisma.

DNS replikācija arhebaktērijās

Arhebaktēriju DNS replikācija ir līdzīga kā eikariotos. Tas ir saistīts ar šādiem faktoriem: 1) replikācijā iesaistītie proteīni vairāk līdzinās eukariotu proteīniem nekā prokariotu proteīni; un 2) kaut arī ir tikai viena replikācijas vieta, piemēram, prokariotos, tās secība ir līdzīga eikariotu izcelsmes vietai.

Arhejas un eikariotu replikācijas līdzība atbalsta domu, ka abas grupas filoģenētiski ir vairāk saistītas viena ar otru, nevis kā ar prokariotiem.

Atsauces

1. Brooker, RJ 2018. Ģenētikas analīze un principi. McGraw-Hill, Ņujorka.
2. Hartvels, LH, Goldbergs, ML, Fišers, JA, Huds, L. 2018. Ģenētika - no gēniem līdz genomiem. McGraw-Hill, Ņujorka.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. DNS replikācijas pamataspekti. InTech Open pieeja, Horvātija.
4. Lūiss, R., 2015. Cilvēka ģenētikas koncepcijas un pielietojumi. McGraw-Hill, Ņujorka.
5. Pīrss, BA 2005. Ģenētika - konceptuāla pieeja. WH Freeman, Ņujorka.