REPLIKACE DNA: MECHANISMY, PROKARYOTY A EUKARYOTY - BIOLOGIE - 2025

Replikace DNA (deoxyribonukleová kyselina) je zkopírovat genom, tj všechny genetické informace v DNA organismu produkovat dva identické kopíruje. Genom má informace potřebné k vybudování kompletního organismu.

Před dělením buněk dochází k replikaci DNA. Prostřednictvím meiózy jsou gamety produkovány pro sexuální reprodukci. Mitózou dochází k nahrazení buněk (např. Kůže a krev) a vývoji (např. Tkáně a orgány).

Zdroj: Já, Madprime

Znalost struktury DNA nám umožňuje pochopit, jak dochází k její replikaci. Struktura DNA se skládá z dvojité spirály složené ze dvou antiparalelních řetězců po sobě jdoucích nukleotidů, jejichž dusíkaté báze se vzájemně specificky doplňují.

Během replikace působí každý řetězec dvojitého řetězce DNA jako templát pro biosyntézu nového řetězce. Dva nově syntetizované řetězce mají báze, které jsou komplementární k bázím templátového řetězce: adenin (A) s thyminem (T) a cytosin (C) s guaninem (G).

Na replikaci DNA se podílejí různé enzymy a proteiny. Například otevření dvojité spirály DNA, udržení otevřené DNA a přidání deoxyribonukleosidů-5'-trifosfátu (dNTP) k vytvoření nového řetězce.

Replikace DNA je polokonzervativní

Na základě struktury DNA navrhli Watson a Crick, že k replikaci DNA dochází částečně konzervativně. To bylo prokázáno Meselsonem a Stahlem značením DNA Escherichia coli těžkým izotopem dusíku, ¹⁵ N, podle distribuce v kultivačním médiu s lehkým dusíkem, ¹⁴ N po několik generací.

Meselson a Stahl zjistili, že v první generaci měly dvě dceřiné molekuly DNA každou molekulu značenou řetězcem těžkým izotopem dusíku a druhou lehkým izotopem. Na rozdíl od rodičovské molekuly DNA, která měla oba řetězce značený těžkým izotopem, ¹⁵ N.

Ve druhé generaci bylo 50% molekul DNA jako molekuly první generace a dalších 50% mělo pouze lehký dusík. Interpretace tohoto výsledku je taková, že dceřiná dvojitá spirála má rodičovský řetězec (který funguje jako šablona) a nový řetězec.

Mechanismus semikonzervativní replikace zahrnuje separaci řetězců DNA a párování komplementárních bází prostřednictvím postupného párování nukleotidů, čímž se získají dvě dceřiné dvojité šroubovice.

Replikace baterie

Zahájení replikace DNA v bakteriích

Bakteriální DNA sestává z kruhového chromozomu a má pouze jedno místo původu replikace. Z tohoto místa dochází k biosyntéze dvou dceřiných řetězců obousměrně, čímž se vytvářejí dvě replikační vidlice, které se pohybují ve směru opačném ke původu. Nakonec se vlásenky setkají a dokončí replikaci.

Replikace začíná vazbou DnaA proteinů na místo původu. Tyto proteiny zase tvoří komplex. Poté se mezi jiným spojí proteiny HU a IHF, které dohromady složí DNA, což způsobí oddělení dvou řetězců DNA v oblasti bohaté na thymin a adenin.

Dále se proteiny DNaC vážou, což způsobuje vazbu DNA helikáz. Pomáhají uvolnit DNA a přerušit vodíkové vazby vytvořené mezi páry bází. Oba řetězce jsou tedy dále odděleny a vytvářejí dva jednoduché řetězce.

Topoisomeráza II nebo DNA gyráza se pohybuje před DNA helikázou a snižuje pozitivní supercoily. Jednovláknové proteiny vázající DNA (SSB) udržují řetězce DNA od sebe. Biosyntéza dceřiného řetězce tak může začít.

Biosyntéza dceřiných řetězců DNA v bakteriích

Enzym primázy je zodpovědný za syntézu krátkých řetězců RNA nazývaných primery, které jsou dlouhé 10 až 15 nukleotidů. DNA polymeráza začíná přidávat 5'-trifosfát deoxynukleosidy (dNTP) na 3'-OH konec primemového cukru, po kterém vlákno dále roste ze stejného konce.

Protože řetězce DNA jsou antiparalelní, jeden primer je syntetizován na vodícím řetězci a mnoho primerů na lag řetězci. Z tohoto důvodu je biosyntéza zpožděného řetězce nespojitá. Ačkoli řetězce DNA jsou antiparalelní, replikační vidlice se pohybuje pouze jedním směrem.

DNA polymeráza je zodpovědná za tvorbu kovalentních vazeb mezi sousedními nukleotidy nově syntetizovaných řetězců ve směru 5'®3 '. V E. coli existuje pět DNA polymeráz: DNA polymerázy I a III provádějí replikaci DNA; a DNA polymerázy II, IV a V jsou zodpovědné za opravu a replikaci poškozené DNA.

Většinu replikace provádí DNA polymeráza III, což je holoenzym, který má 10 různých podjednotek s různými funkcemi v replikaci DNA. Například alfa podjednotka je zodpovědná za vytváření vazeb mezi nukleotidy.

Komplex enzymů je zodpovědný za replikaci DNA v bakteriích

DNA helikáza a primáza se spojí a vytvoří komplex zvaný primosom. To se pohybuje podél DNA a koordinovaným způsobem odděluje dva rodičovské řetězce a syntetizuje primery v každém určitém intervalu na opožděném řetězci.

Primosom se fyzicky váže na DNA polymerázu III a tvoří replikom. Dvě DNA polymerázy III jsou zodpovědné za replikaci DNA vodících a zpožděných řetězců. S ohledem na DNA polymerázu III tvoří zpožděné vlákno vnější smyčku, která umožňuje přidání nukleotidů k ​​tomuto vláknu ve stejném směru jako hlavní vlákno.

Přidávání nukleotidů do vedoucího řetězce je nepřetržité. Zatímco ve zpoždění, to je nespojité. Vznikají fragmenty o délce 150 nukleotidů, nazývané fragmenty Okazaki.

Exonukleáza 5 '-> 3' exonukleázy DNA polymerázy I je zodpovědná za odstranění primerů a plnění, přidání nukleotidů. Ligasový enzym utěsňuje mezery mezi fragmenty. Replikace končí, když se dva háčky replikace setkají v ukončovací sekvenci.

Protein Tus se váže na terminační sekvenci a zastavuje pohyb replikační vidlice. Topoisomeráza II umožňuje separaci těchto dvou chromozomů.

Deoxyribonukleotidtrifosfáty se používají DNA polymerázou

Deoxynukleosid trifosfát (dNTP) obsahuje tři fosfátové skupiny připojené k 5 'uhlíku deoxyribózy. DNTP (dATP, dTTP, dGTP a dCTP) se vážou na řetězec šablony podle pravidla AT / GC.

DNA polymeráza katalyzuje následující reakci: 3 'hydroxylová skupina (–OH) rostoucího vlákna řetězce reaguje s alfa fosfátem přicházejícího dNTP a uvolňuje anorganický pyrofosfát (PPi). Hydrolýza PPi produkuje energii pro tvorbu kovalentní vazby nebo vazby fosfodiesteru mezi nukleotidy rostoucího řetězce.

Mechanismy, které zajišťují věrnost replikace DNA

Během DNA replikace DNA polymeráza III udělá chybu 100 milionů nukleotidů. Přestože je pravděpodobnost chyby velmi nízká, existují mechanismy, které zajišťují věrnost v replikaci DNA. Jedná se o tyto mechanismy:

1) Stabilita v párování bází. Energie vodíkových vazeb mezi AT / GC je vyšší než ve špatných párech bází.

2) Struktura aktivního místa DNA polymerázy. DNA polymeráza přednostně katalyzuje nukleotidové spojení se správnými bázemi na opačném řetězci. Špatné párování bází způsobuje zkreslení dvojité šroubovice DNA, které zabraňuje nesprávnému nukleotidu zaujmout aktivní místo enzymu.

3) Test čtení. DNA polymeráza identifikuje včleněné chybné nukleotidy a odstraňuje je z dceřiného řetězce. Exonukleázová aktivita DNA polymerázy přerušuje fosfodiesterové vazby mezi nukleotidy na 3 'konci nového vlákna.

Replikace DNA v eukaryotech

Na rozdíl od replikace v prokaryotech, kde replikace začíná na jednom místě, replikace v eukaryotech začíná na více místech původu a replikační vidlice se pohybuje obousměrně. Následně se všechny vlásenky replikace fúzují a tvoří dva sesterské chromatidy spojené na centroméře.

Eukaryoty mají mnoho typů DNA polymerázy, jejichž jména používají řecká písmena. DNA polymeráza a tvoří komplex s primasou. Tento komplex syntetizuje krátké primery sestávající z 10 nukleotidů RNA následovaných 20 až 30 nukleotidy DNA.

Dále ε nebo δ DNA polymeráza katalyzuje prodloužení dceřiného vlákna z primeru. DNA polymeráza ε se podílí na syntéze vedoucího řetězce, zatímco DNA polymeráza 5 syntetizuje retardovaný řetězec.

DNA polymeráza 5 prodlužuje Okazaki fragment vlevo, aby dosáhl RNA primeru na pravé straně, čímž se vytvoří krátká klapka primeru. Na rozdíl od prokaryot, kde DNA polymeráza odstraňuje primer, v eukaryotech Flap endonukleázový enzym odstraňuje RNA primer.

Dále ligáza DNA těsní sousední fragmenty DNA. K dokončení replikace dochází disociací proteinů z replikační vidlice.

Replikace DNA v eukaryotických buněčného cyklu a

K replikaci v eukaryotech dochází ve fázi S buněčného cyklu. Replikované molekuly DNA se vylučují do dvou dceřiných buněk během mitózy. Fáze G1 a G2 oddělují fázi S a mitózu. Postup v každé fázi buněčného cyklu je vysoce regulován kinázami, fosfatázami a proteázami.

Ve fázi G1 buněčného cyklu se komplex rozpoznávání původu (OCR) váže na místo původu. To indukuje vazbu MCM helikáz a dalších proteinů, jako je Cdc6 a Cdt1, za vzniku komplexu před replikací (preRC). Helikáza MCM se váže na vodicí řetěz.

Ve fázi S se preRC stává aktivním replikačním místem. Proteiny OCR, Cdc6 a Cdt1 jsou uvolněny a helikáza MCM se pohybuje ve směru 3 'až 5'. Jakmile je replikace dokončena, bude restartována v dalším buněčném cyklu.

Replikace konců chromozomů v eukaryotech

Konce chromozomů jsou známé jako telomery, které se skládají z opakovaných tandemových sekvencí a oblasti 3 ', která vyčnívá, má délku 12 až 16 nukleotidů.

DNA polymeráza není schopna replikovat 3 'konec řetězců DNA. To je způsobeno skutečností, že DNA polymeráza může syntetizovat DNA pouze ve směru 5'-3 'a může pouze prodlužovat již existující řetězce, aniž by byla schopna syntetizovat primer v této oblasti. V důsledku toho se telomery s každým cyklem replikace zkracují.

Enzym telomeráza zabraňuje zkracování telomer. Telomeráza je enzym, který má proteinové a RNA podjednotky (TERC). Ten se váže na opakující se sekvence DNA a umožňuje telomeráze vázat se na 3 'konec telomery.

RNA sekvence za místem spojení funguje jako templát pro syntézu šest nukleotidové sekvence (polymerizace) na konci řetězce DNA. Prodloužení telomery je katalyzováno podjednotkami telomerázy, nazývané reverzní transkriptáza telomerázy (TERT).

Po polymeraci dochází k translokaci, která spočívá v pohybu telomerázy na nový konec řetězce DNA, spojování dalších šesti nukleotidů až do konce.

Funkce jiných DNA polymeráz v eukaryotech

DNA polymeráza ß hraje důležitou roli při odstraňování nesprávných bází z DNA, ale neúčastní se replikace DNA.

Mnoho objevených DNA polymeráz patří do skupiny polymeráz „replikujících translesi“. Tyto polymerázy jsou zodpovědné za syntézu komplementárních řetězců v oblasti poškozené DNA.

Existuje několik typů polymeráz „replikujících translesi“. Například DNA polymeráza η se může replikovat na dimery thyminu, které jsou produkovány UV světlem.

Replikace DNA v archaebakteriích

Archaebakteriální replikace DNA je podobná replikaci v eukaryotech. Důvodem je následující: 1) proteiny, které se účastní replikace, jsou více podobné proteinům eukaryot než proteinům prokaryot; a 2) ačkoli existuje pouze jedno místo replikace, například v prokaryotoch, jeho sekvence je podobná místu původu eukaryot.

Podobnost v replikaci mezi Archea a eukaryoty podporuje myšlenku, že obě skupiny jsou fylogeneticky spřízněné navzájem než prokaryoty.

Reference

1. Brooker, RJ 2018. Genetická analýza a principy. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetika - od genů k genomům. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Základní aspekty replikace DNA. InTech Otevřený přístup, Chorvatsko.
4. Lewis, R., 2015. Koncepce a aplikace lidské genetiky. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetika - koncepční přístup. WH Freeman, New York.