PODVAJANJE DNK: MEHANIZMI V PROKARIOTIH IN EVKARIOTIH - BIOLOGIJA - 2026

Replikacijo DNK (deoksiribonukleinska kislina) je kopirati genom, to je vse genetske informacije v DNA organizma, da dobimo dve identični Kopira. Genom ima informacije, potrebne za izgradnjo popolnega organizma.

Pred delitvijo celic pride do podvajanja DNK. Skozi mejozo nastajajo gamete za spolno razmnoževanje. Skozi mitozo pride do nadomeščanja celic (npr. Kože in krvi) in razvoja (npr. Tkiv in organov).

Vir: I, Madprime

Poznavanje strukture DNK nam omogoča, da razumemo, kako poteka njeno podvajanje. Struktura DNK je sestavljena iz dvojne vijačnice, sestavljene iz dveh protiparalnih verig zaporednih nukleotidov, katerih dušične baze se medsebojno dopolnjujejo.

Med replikacijo vsak pramen dvojnega niza DNK deluje kot predloga za biosintezo novega sklopa. Dve na novo sintetizirani verigi imata baze, ki se dopolnjujejo z osnovami verige šablon: adenin (A) s timinom (T) in citozin (C) z gvaninom (G).

V podvajanje DNK sodelujejo različni encimi in beljakovine. Na primer, odpiranje dvojne vijačnice DNA, zadrževanje DNK odprto in dodajanje deoksiribonukleozid-5'-trifosfata (dNTP) za oblikovanje novega sklopa.

Podvajanje DNK je pol-konzervativno

Na podlagi strukture DNK sta Watson in Crick predlagala, da se podvajanje DNK zgodi pol konzervativno. To sta dokazala Meselson in Stahl z označevanjem DNK Escherichia coli s težkim izotopom dušika, ¹⁵ N, po vzorcu porazdelitve v gojišču z lahkim dušikom, ¹⁴ N za več generacij .

Meselson in Stahl sta ugotovila, da sta imeli v prvi generaciji dve hčerinski molekuli DNK vsako molekulo, označeno z verigo s težkim izotopom dušika, drugo pa s svetlobnim izotopom. Za razliko od matične molekule DNA, ki je imela obe niti, označeni s težkim izotopom, ¹⁵ N.

V drugi generaciji je bilo 50% molekul DNK podobnih motivom prve generacije, ostalih 50% pa le lahkega dušika. Razlaga tega rezultata je, da ima hčerinska dvojna vijačnica matično verigo (ki deluje kot predloga) in novo verigo.

Mehanizem polkonzervativne replikacije vključuje ločitev verig DNK in komplementarno osnovno seznanjanje z zaporednimi pari nukleotidov, pri čemer nastaneta dve hčerinski dvojni vijačnici.

Razmnoževanje baterije

Začetek podvajanja DNK v bakterijah

Bakterijska DNA je sestavljena iz krožnega kromosoma in ima samo eno mesto izvora replikacije. S tega mesta poteka biosinteza obeh hčerinskih verig dvosmerno, ki tvorita dve replikcijski vilici, ki se premikata v nasprotni smeri od izvora. Na koncu se lasnice srečajo in dokončajo replikacijo.

Razmnoževanje se začne z vezavo beljakovin DnaA na mesto izvora. Ti proteini pa tvorijo kompleks. Nato se med drugim združijo proteini HU in IHF, ki skupaj upognejo DNK, kar povzroči ločitev obeh verig DNK v območju, bogatem s timinom in adenom.

Nato se DNaC proteini vežejo, zaradi česar se DNA helikaze vežejo. Pomagajo odviti DNK in razbiti vodikove vezi, ki nastanejo med baznimi pari. Tako se obe verigi še ločita, tvorita dve preprosti verigi.

Topoizomeraza II ali DNA giraza se premika pred DNA helikazo in zmanjšuje pozitivne superkolike. Enoverižni proteini, ki se vežejo na DNA (SSB), ločujejo verige DNA. Tako se lahko začne biosinteza hčerinske verige.

Biosinteza hčerinskih verig DNK v bakterijah

Encim primaza je odgovoren za sintezo kratkih verig RNA, imenovanih primer, ki so dolgi 10-15 nukleotidov. DNA polimeraza začne dodajati 5'-trifosfat deoksinikleukleozide (dNTP) na 3'-OH konec osnovnega sladkorja, po katerem pramen še naprej raste z istega konca.

Ker so prameni DNA protiparalni, se na vodilnem nizu sintetizira en temeljni premaz, na pramenu pa veliko primerov. Zaradi tega je biosinteza zapoznele verige prekinjena. Čeprav so prameni DNK protiparalni, se vilice za replikacijo premikajo le v eno smer.

DNA polimeraza je odgovorna za nastanek kovalentnih vezi med sosednjimi nukleotidi na novo sintetiziranih verig, v smeri 5'33 '. V E. coli je pet DNK polimeraz: DNA polimeraze I in III izvajata podvajanje DNK; in DNK polimeraze II, IV in V so odgovorne za popravilo in podvajanje poškodovane DNK.

Večino podvajanja izvaja DNA polimeraza III, ki je holoencim, ki ima 10 različnih podenot z različnimi funkcijami pri podvajanju DNK. Na primer, alfa podenota je odgovorna za navezovanje povezav med nukleotidi.

Za razmnoževanje DNK v bakterijah je odgovoren kompleks encimov

DNA helikaza in primaza se združita in tvorita kompleks, ki se imenuje primosom. Ta se giblje vzdolž DNK in deluje usklajeno, da loči dva starševska pramena in sintetizira prajmere v določenem intervalu na zakasnjenem pramenu.

Primosom se fizično veže na DNK polimerazo III in tvori replika. Dva DNK polimeraza III sta odgovorna za razmnoževanje DNK vodilnih in zapoznelih verig. V zvezi z DNK polimerazo III zapozneli pramen tvori zunanjo zanko, kar omogoča, da se dodajanje nukleotidov v ta sklop odvija v isti smeri kot vodilni niz.

Dodajanje nukleotidov v vodilno verigo je kontinuirano. Medtem ko je v zamudi, je prekinitev. Nastanejo fragmenti dolžine 150 nukleotidov, imenovani fragmenti Okazaki.

5 '-> 3' aktivnost eksonukleaze DNA polimeraze I je odgovorna za odstranjevanje prajmov in polnjenje ter dodajanje nukleotidov. Encim ligaza zapira vrzeli med drobci. Razmnoževanje se konča, ko se obe kljuki za replikacijo srečata v zaključnem zaporedju.

Protein Tus se veže na zaporedje prenehanja in ustavi gibanje replikacijske vilice. Topoizomeraza II omogoča ločitev obeh kromosomov.

Deoksiribonukleotidni trifosfati uporabljajo DNK polimerazo

Deoksinnukleozid trifosfat (dNTP) vsebuje tri fosfatne skupine, vezane na 5 'ogljik deoksiriboze. DNTP (dATP, dTTP, dGTP in dCTP) se vežejo na predlogo verigo po pravilih AT / GC.

DNK polimeraza katalizira naslednjo reakcijo: 3 'hidroksilna skupina (-OH) rastočega nukleotida v naraščaju reagira z alfa fosfatom vstopajočega dNTP in sprošča anorganski pirofosfat (PPi). Hidroliza PPi daje energijo za nastanek kovalentne vezi ali fosfodiesterske vezi med nukleotidi naraščajoče verige.

Mehanizmi, ki zagotavljajo resničnost podvajanja DNK

Med podvajanjem DNK polimeraza III naredi napako s 100 milijoni nukleotidov. Čeprav je verjetnost napake zelo majhna, obstajajo mehanizmi, ki zagotavljajo zvestobo pri podvajanju DNK. Ti mehanizmi so:

1) Stabilnost v osnovnem združevanju. Energija vezanja vodika med AT / GC je večja kot pri napačnih baznih parih.

2) Struktura aktivnega mesta DNA polimeraze. DNA polimeraza prednostno katalizira nukleotidne stike s pravilnimi bazami na nasprotnem pramenu. Slaba osnovna združitev povzroči izkrivljanje dvojne vijačnice DNK, kar prepreči, da bi napačni nukleotid zasedel aktivno mesto encima.

3) Bralni test. DNA polimeraza prepozna vgrajene napačne nukleotide in jih odstrani iz hčerinskega niza. Eksonukleazna aktivnost DNA polimeraze poruši fosfodiesterske vezi med nukleotidi na 3 'koncu novega sklopa.

Podvajanje DNK v evkariontih

Za razliko od podvajanja v prokariotih, kjer se razmnoževanje začne na enem mestu, se razmnoževanje v evkariontih začne na več mestih izvora in se vilice za podvajanje premikajo dvosmerno. Kasneje se vsi lasci za razmnoževanje spojijo in tvorijo dve sestrski kromatidi, ki sta združeni na centromere.

Evkarioti imajo veliko vrst polimeraze DNK, katerih imena uporabljajo grške črke. DNA polimeraza α tvori kompleks s primazo. Ta kompleks sintetizira kratke primere, sestavljene iz 10 nukleotidov RNA, ki jim sledi 20 do 30 nukleotidov DNK.

Nato ε ali δ DNA polimeraza katalizira raztezanje hčerinskega pramena iz temeljnega premaza. DNA polimeraza ε je vključena v sintezo vodilne verige, medtem ko DNA polimeraza sintetizira zaostalo verigo.

DNA polimeraza δ podaljša fragment Okazaki na levi strani, dokler ne doseže osnovnega vzorca RNA na desni strani, kar ustvari kratko loputo temeljnega premaza. Za razliko od prokariotov, pri katerih DNK polimeraza odstrani osnovni premaz, pri evkariotih encim Flap endonukleaza odstrani osnovni premaz RNA.

Nato DNA ligaza zatesni sosednje fragmente DNK. Dokončanje replikacije se zgodi z disociacijo beljakovin iz replikacijske vilice.

Replikacije DNA v evkariotskega celičnega cikla in

Razmnoževanje v evkariontih se pojavi v S fazi celičnega cikla. Ponovljene molekule DNK se med mitozo izločajo v dve hčerinski celici. Faze G1 in G2 ločujeta S fazo in mitozo. Kinaze, fosfataze in proteaze napredujejo skozi vsako fazo celičnega cikla.

V fazi G1 celičnega cikla se kompleks za prepoznavanje izvora (OCR) veže na mesto izvora. To povzroči vezavo hemikaze MCM in drugih proteinov, kot sta Cdc6 in Cdt1, da tvorijo kompleks predreplikacije (preRC). MCM helikaza se veže na vodilno verigo.

V fazi S preRC postane aktivno mesto podvajanja. Sprostijo se beljakovine OCR, Cdc6 in Cdt1, MCM helikaza pa se giblje v smeri 3 ′ do 5 ′. Ko je replikacija končana, se bo znova zagnala v naslednjem celicnem ciklu.

Razmnoževanje koncev kromosomov v evkariotih

Konci kromosomov so znani kot telomeri, ki jih sestavljajo ponavljajoča se tandemska zaporedja in 3 'območje, ki štrli, v dolžino od 12 do 16 nukleotidov.

DNA polimeraza ne more ponoviti 3 'konca verige DNA. To je posledica dejstva, da lahko DNA polimeraza sintetizira DNK le v 5'-3 'smeri in lahko le podaljša že obstoječe niti, ne da bi lahko sintetizirala osnovni premaz v tej regiji. Posledično se telomeri skrajšajo z vsakim krogom podvajanja.

Encim telomeraza preprečuje skrajševanje telomer. Telomeraza je encim, ki ima proteinske in RNA podenote (TERC). Slednji se veže na ponavljajoče sekvence DNA in omogoča, da se telomeraza veže na 3 'konec telomera.

Zaporedje RNA za mesto stičišča deluje kot predloga za sintezo šestih nukleotidnih sekvenc (polimerizacija) na koncu verige DNA. Telomere podaljšavanje katalizirajo podenote telomeraze, imenovane povratna transkriptaza telomeraze (TERT).

Po polimerizaciji poteka translokacija, ki sestoji iz premika telomeraze do novega konca verige DNA, ki se do konca pridruži še šestim nukleotidom.

Funkcije drugih polimeraz DNA v evkariotih

DNK polimeraza β ima pomembno vlogo pri odstranjevanju napačnih baz iz DNK, vendar ne sodeluje pri podvajanju DNK.

Številne odkrite DNK polimeraze spadajo v skupino polimeraz, ki se razmnožujejo. Te polimeraze so odgovorne za sintezo komplementarnih niti v predelu poškodovane DNK.

Obstaja več vrst polimeraz, ki posnemajo translezijo. Na primer, DNK polimeraza η se lahko razmnožuje na dimerjih timina, ki jih proizvaja UV svetloba.

Podvajanje DNK v arhebakterijah

Razmnoževanje arhebakterijske DNA je podobno kot pri evkariontih. To je posledica naslednjega: 1) beljakovine, ki sodelujejo pri razmnoževanju, so bolj podobne beljakovinam evkariotov kot prokarioti; in 2) čeprav obstaja samo eno mesto razmnoževanja, kot je pri prokariotih, je njegovo zaporedje podobno mestu izvora evkariotov.

Podobnost v razmnoževanju med Archeo in evkarioti podpira idejo, da sta obe skupini filogenetsko bolj povezani med seboj kot s prokarioti.

Reference

1. Brooker, RJ 2018. Genetska analiza in načela. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetika - od genov do genomov. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Temeljni vidiki podvajanja DNA. InTech Odprti dostop, Hrvaška.
4. Lewis, R., 2015. Koncepti in aplikacije človeške genetike. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetika - konceptualni pristop. WH Freeman, New York.