DNR REPLIKACIJA: MECHANIZMAI PROKARIOTUOSE IR EUKARIOTUOSE - BIOLOGIJA - 2025

DNR replikacijos (dezoksiribonukleininę rūgšties) yra nukopijuoti genomą, ty visi genetinę informaciją į organizmo DNR gaminti du identiškus kopijas. Genomas turi informaciją, reikalingą organizmui sukurti.

Prieš dalijantis ląstelėmis, vyksta DNR replikacija. Per mejozę lytinės reprodukcijos metu gaminamos gametos. Dėl mitozės keičiasi ląstelės (pvz., Oda ir kraujas) ir vystosi (pvz., Audiniai ir organai).

Šaltinis: Aš, „Madprime“

Žinodami DNR struktūrą, galime suprasti, kaip vyksta jos replikacija. DNR struktūrą sudaro dviguba spiralė, sudaryta iš dviejų vienas po kito einančių nukleotidų antiparallelių grandinių, kurių azotinės bazės savitai papildo viena kitą.

Replikacijos metu kiekviena dviguba DNR grandinė veikia kaip šablonas naujos gijos sintezei. Dvi naujai susintetintos grandinės turi tokias bazes, kurios papildo šabloninės grandinės pagrindus: adeninas (A) su timinu (T) ir citozinas (C) su guaninu (G).

DNR replikacijoje dalyvauja įvairūs fermentai ir baltymai. Pavyzdžiui, atidarius DNR dvigubą spiralę, palaikant DNR atvirą ir pridedant dezoksiribonukleozidų-5′-trifosfato (dNTP), kad būtų suformuota nauja grandinė.

DNR replikacija yra pusiau konservatyvi

Remdamiesi DNR struktūra, Watsonas ir Crickas pasiūlė, kad DNR replikacija vyktų pusiau konservatyviai. Tai buvo įrodyta Meselson ir Stahl ženklinant Escherichia coli DNR su sunkiojo azoto izotopu, ¹⁵ N, taip keletą kartų paskirstymo modelį mitybinėje terpėje su šviesos azoto, ¹⁴ N.

Meselsonas ir Stahlas nustatė, kad pirmojoje kartoje abiejų dukterinių DNR molekulių kiekviena molekulė buvo pažymėta grandine su azoto sunkiu izotopu, o kita - su lengvu izotopu. Skirtingai nuo pradinės DNR molekulės, turinčios abi gijas, pažymėtas sunkiu izotopu, ¹⁵ N.

Antroje kartoje 50% DNR molekulių buvo panašios į pirmosios kartos, o kitos 50% turėjo tik lengvąjį azotą. Šio rezultato aiškinimas yra toks, kad dukterinė dviguba spiralė turi pradinę grandinę (kuri veikia kaip šablonas) ir naują grandinę.

Pusiau konservatyvus replikacijos mechanizmas apima DNR sruogų atskyrimą ir komplementarių bazių porų sujungimą per nuoseklųjį nukleotidų poravimą, gaunant dvi dukterines dvigubas spirales.

Baterijos replikacija

Pradėti DNR replikaciją bakterijose

Bakterijų DNR susideda iš žiedinės chromosomos ir turi tik vieną replikacijos pradžios vietą. Iš šios vietos dviejų dukterinių grandinių biosintezė vyksta dvikryptė, sudaranti dvi replikacijos šakutes, kurios juda priešingomis šaltiniams nei jų kilmė. Galų gale susitinka plaukų segtukai, užbaigiant replikaciją.

Replikacija prasideda nuo DnaA baltymų prisijungimo prie kilmės vietos. Šie baltymai savo ruožtu sudaro kompleksą. Tuomet, be kitų, HU ir IHF baltymai susijungia, kurie kartu sulenkia DNR, sukeldami dviejų DNR gijų atsiskyrimą regione, kuriame gausu timino ir adenino.

Toliau jungiasi DNaC baltymai, dėl kurių jungiasi DNR helikazės. Jie padeda išvynioti DNR ir sulaužyti vandenilio ryšius, susiformavusius tarp bazinių porų. Taigi dvi grandinės yra dar atskirtos, sudarydamos dvi paprastas grandines.

Topoizomerazė II, arba DNR girozė, juda priešais DNR helikazę, sumažindama teigiamus superkryžius. Viengrandiai DNR surišantys (SSB) baltymai saugo DNR grandines. Taigi gali prasidėti dukterinės grandinės biosintezė.

Dukterinių DNR grandinių biosintezė bakterijose

Primazės fermentas yra atsakingas už trumpų RNR grandinių, vadinamų pradmenimis, sintezę, kurių ilgis yra 10–15 nukleotidų. DNR polimerazė į pradinio cukraus 3′-OH galą pradeda pridėti 5′-trifosfato deoksinukleozidus (dNTPs), po to styga toliau auga iš to paties galo.

Kadangi DNR grandinės yra lygiagrečios, vienas pradmuo sintetinamas ant lyderio grandinės, o daug pradmenų - atsilikimo grandinėje. Dėl šios priežasties atidėtosios grandinės biosintezė yra nenutrūkstama. Nors DNR grandinės yra lygiagrečios, replikacijos šakutė juda tik viena kryptimi.

DNR polimerazė yra atsakinga už kovalentinių ryšių susidarymą tarp naujai susintetintų grandinių gretimų nukleotidų 5'®3 ′ kryptimi. E. coli yra penkios DNR polimerazės: I ir III DNR polimerazės vykdo DNR replikaciją; ir II, IV ir V DNR polimerazės yra atsakingos už pažeistos DNR taisymą ir pakartojimą.

Didžioji dalis replikacijos atliekama pagal DNR polimerazę III, kuri yra holoenzimas, turintis 10 skirtingų subvienetų, turinčių įvairias DNR replikacijos funkcijas. Pavyzdžiui, alfa subvienetas yra atsakingas už nukleotidų sąsajų sudarymą.

Fermentų kompleksas yra atsakingas už DNR replikaciją bakterijose

DNR helikazė ir primazė jungiasi ir sudaro kompleksą, vadinamą primosoma. Tai juda išilgai DNR, koordinuotai veikdama, kad būtų atskirtos abi tėvystės grandinės, kiekvienu tam tikru intervalu sintetinant pradmenis vėluojančioje grandinėje.

Primosoma fiziškai jungiasi prie DNR polimerazės III ir sudaro replisomą. Dvi DNR III polimerazės yra atsakingos už kreipiamosios ir uždelstų grandinių DNR replikaciją. DNR polimerazės III atžvilgiu, atidėta grandinė sudaro išorinę kilpą, leidžiančią į šią grandinę pridėti nukleotidų ta pačia kryptimi kaip ir lyderio grandinę.

Nukleotidų pridėjimas prie lyderio grandinės yra nuolatinis. Nors atidėtas, tai yra netolygus. Susiformuoja 150 nukleotidų ilgio fragmentai, vadinami Okazaki fragmentais.

DNR polimerazės I 5 ′ -> 3 ′ eksonukleazinis aktyvumas yra atsakingas už pradmenų pašalinimą ir užpildymą, pridedant nukleotidus. Ligazės fermentas užpildo spragas tarp fragmentų. Replikacija baigiasi, kai du replikacijos kabliukai susitinka pabaigos terminale.

„Tus“ baltymas jungiasi prie pabaigos sekos, sustabdydamas replikacijos šakutės judėjimą. Topoizomerazė II leidžia atskirti dvi chromosomas.

Dezoksiribonukleotidų trifosfatus naudoja DNR polimerazė

Deoksinukleozido trifosfatas (dNTP) turi tris fosfatų grupes, prijungtas prie deoksiribozės 5 ′ anglies. DNTP (dATP, dTTP, dGTP ir dCTP) jungiasi prie šablono grandinės laikydamiesi AT / GC taisyklės.

DNR polimerazė katalizuoja tokią reakciją: augančios grandinės nukleotido 3 ′ hidroksilo grupė (–OH) reaguoja su gaunamo dNTP alfa fosfatu, išskirdama neorganinį pirofosfatą (PPi). PPi hidrolizė sukuria energiją kovalentiniam ryšiui arba fosfodiesteriniam ryšiui susidaryti tarp augančios grandinės nukleotidų.

Mechanizmai, užtikrinantys DNR replikacijos ištikimybę

DNR replikacijos metu III DNR polimerazė padaro klaidą 100 milijonų nukleotidų. Nors klaidų tikimybė yra labai maža, yra mechanizmų, užtikrinančių ištikimybę DNR replikacijai. Šie mechanizmai yra:

1) Stabilumas pagrindų poravime. Vandenilio jungimosi energija tarp AT / GC yra didesnė nei netinkamose bazių porose.

2) DNR polimerazės aktyviosios vietos struktūra. DNR polimerazė katalizuoja nukleotidų jungtis teisingomis bazėmis priešingoje grandinėje. Blogas bazių poravimasis sukelia DNR dvigubos spiralės iškraipymą, kuris neleidžia neteisingam nukleotidui užimti aktyviosios fermento vietos.

3) skaitymo testas. DNR polimerazė identifikuoja įterptus klaidingus nukleotidus ir pašalina juos iš dukterinės grandinės. DNR polimerazės eksonukleazinis aktyvumas nutraukia fosfodiesterinius ryšius tarp nukleotidų naujos krypties 3 ′ gale.

DNR replikacija eukariotuose

Skirtingai nuo replikacijos prokariotuose, kur replikacija prasideda vienoje vietoje, replikacija eukariotuose prasideda keliose kilmės vietose, o replikacijos šakutė juda dvikryptė. Vėliau visi replikacijos plaukų segtukai susilieja, sudarydami dvi seserines chromatides, sujungtas centromere.

Eukariotai turi daugelio rūšių DNR polimerazių, kurių pavadinimuose naudojamos graikiškos raidės. Α DNR polimerazė sudaro kompleksą su primaze. Šis kompleksas sintezuoja trumpus pradmenis, susidedančius iš 10 RNR nukleotidų, po 20–30 DNR nukleotidų.

Tada ε arba δ DNR polimerazė katalizuoja dukterinės grandinės pailgėjimą nuo pradmens. DNR polimerazė ε dalyvauja lyderio grandinės sintezėje, o DNR polimerazė δ sintezuoja sulėtėjusią grandinę.

DNR polimerazė δ pailgina Okazaki fragmentą kairėje, kol pasiekia RNR pradmenį dešinėje, sukurdamas trumpą pradmens atvartą. Skirtingai nuo prokariotų, kai DNR polimerazė pašalina pradmenis, eukariotuose Flap endonukleazės fermentas pašalina RNR pradmenis.

Toliau DNR ligazė užsandarina gretimus DNR fragmentus. Replikacija užbaigiama atskyrus baltymus nuo replikacijos šakutės.

DNR replikacijos į eukariotinės ląstelės ciklo ir

Replikacija eukariotuose vyksta ląstelių ciklo S fazėje. Mitozės metu replikuotos DNR molekulės išskiriamos į dvi dukterines ląsteles. G1 ir G2 fazės atskiria S fazę ir mitozę. Progresą kiekvienoje ląstelės ciklo fazėje labai reguliuoja kinazės, fosfatazės ir proteazės.

Ląstelių ciklo G1 fazėje kilmės atpažinimo kompleksas (OCR) jungiasi su kilmės vieta. Tai skatina MCM helikazių ir kitų baltymų, tokių kaip Cdc6 ir Cdt1, jungimąsi, kad susidarytų priešreplikacijos kompleksas (preRC). MCM helikazė jungiasi prie kreipiamosios grandinės.

S fazėje preRC tampa aktyvia replikacijos vieta. OCR, Cdc6 ir Cdt1 baltymai išsiskiria, o MCM helikazė juda 3 ′ - 5 ′ kryptimi. Kai replikacija bus baigta, ji bus paleista iš naujo sekančiame ląstelių cikle.

Chromosomų galų replikacija eukariotuose

Chromosomų galai yra žinomi kaip telomerai, susidedantys iš pakartotinių tandemų sekų ir išsikišančios 3 ′ srities, nuo 12 iki 16 nukleotidų ilgio.

DNR polimerazė nesugeba atkartoti DNR gijų 3 ′ galo. Taip yra dėl to, kad DNR polimerazė gali sintetinti DNR tik 5'-3 'kryptimi ir gali tik pailginti jau egzistuojančias gijas, negalėdama sintetinti grunto šioje srityje. Taigi telomerai sutrumpėja kiekvienu replikacijos ratu.

Fermentas telomerazė neleidžia sutrumpėti telomerų. Telomerazė yra fermentas, turintis baltymų ir RNR subvienetus (TERC). Pastaroji jungiasi su besikartojančiomis DNR sekomis ir leidžia telomerazei prisijungti prie telomero 3 ′ galo.

RNR seka už jungties vietos veikia kaip šablonas šešių nukleotidų sekos sintezei (polimerizacijai) DNR grandinės gale. Telomerų pailgėjimą katalizuoja telomerazės subvienetai, vadinami telomerazės atvirkštine transkriptaze (TERT).

Po polimerizacijos vyksta translokacija, kurią sudaro telomerazės judėjimas į naują DNR grandinės galą, iki galo sujungiant dar šešis nukleotidus.

Kitų DNR polimerazių funkcijos eukariotuose

DNR polimerazė β vaidina svarbų vaidmenį pašalinant iš DNR neteisingus pagrindus, tačiau ji nedalyvauja DNR replikacijoje.

Daugelis aptiktų DNR polimerazių priklauso „translesiją atkartojančių“ polimerazių grupei. Šios polimerazės yra atsakingos už papildomų grandžių sintezę pažeistos DNR srityje.

Yra keletas „transliaciją pakartojančių“ polimerazių rūšių. Pavyzdžiui, DNR polimerazė η gali atkartoti timino dimerus, kuriuos gamina UV šviesa.

DNR replikacija archebakterijose

Archebakterijų DNR replikacija yra panaši kaip ir eukariotuose. Taip yra dėl šių priežasčių: 1) baltymai, dalyvaujantys replikacijoje, yra panašesni į eukariotų nei prokariotų baltymai; ir 2) nors yra tik viena replikacijos vieta, tokia kaip prokariotuose, jos seka yra panaši į eukariotų kilmės vietą.

Archeos ir eukariotų replikacijos panašumas patvirtina mintį, kad abi grupės filogenetiškai yra labiau susijusios viena su kita, nei su prokariotomis.

Nuorodos

1. Brooker, RJ 2018. Genetikos analizė ir principai. McGraw-Hill, Niujorkas.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetika - nuo genų iki genomų. McGraw-Hill, Niujorkas.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Pagrindiniai DNR replikacijos aspektai. „InTech Open“ prieiga, Kroatija.
4. Lewis, R., 2015. Žmogaus genetikos sampratos ir taikymo būdai. McGraw-Hill, Niujorkas.
5. Pierce, BA 2005. Genetika - konceptualus požiūris. WH Freeman, Niujorkas.