REPLIKASI DNA: MEKANISME, DALAM PROKARIOTA DAN EUKARIOTA - BIOLOGI - 2024

The replikasi DNA (asid deoksiribonukleik) adalah untuk menyalin genom, iaitu semua maklumat genetik dalam DNA organisma untuk menghasilkan dua salinan yang serupa. Genom mempunyai maklumat yang diperlukan untuk membina organisma lengkap.

Sebelum pembahagian sel, replikasi DNA berlaku. Melalui meiosis, gamet dihasilkan untuk pembiakan seksual. Melalui mitosis, penggantian sel (misalnya, kulit dan darah) dan pengembangan (contohnya, tisu dan organ) berlaku.

Sumber: Saya, Madprime

Mengetahui struktur DNA membolehkan kita memahami bagaimana replikasi itu berlaku. Struktur DNA terdiri daripada heliks ganda, yang terdiri daripada dua rantai antiparallel nukleotida berturut-turut, yang asas nitrogen saling melengkapi dengan cara tertentu.

Semasa replikasi, setiap helai untai ganda DNA bertindak sebagai templat untuk biosintesis helai baru. Dua rantai yang baru disintesis mempunyai asas yang saling melengkapi dengan asas rantai templat: adenin (A) dengan timin (T), dan sitosin (C) dengan guanin (G).

Pelbagai enzim dan protein terlibat dalam replikasi DNA. Contohnya, membuka heliks ganda DNA, menjaga DNA terbuka, dan menambahkan deoxyribonucleosides-5′-triphosphate (dNTP) untuk membentuk helai baru.

Replikasi DNA separa konservatif

Berdasarkan struktur DNA, Watson dan Crick mencadangkan replikasi DNA berlaku secara separa konservatif. Ini ditunjukkan oleh Meselson dan Stahl dengan melabel DNA Escherichia coli dengan isotop nitrogen berat, ¹⁵ N, mengikuti corak penyebaran dalam medium kultur dengan nitrogen ringan, ¹⁴ N selama beberapa generasi .

Meselson dan Stahl mendapati bahawa, pada generasi pertama, kedua-dua molekul DNA anak perempuan mempunyai setiap molekul berlabel rantai dengan isotop nitrogen berat dan satu lagi dengan isotop cahaya. Tidak seperti molekul DNA induk, yang mempunyai kedua helai yang dilabelkan dengan isotop berat, ¹⁵ N.

Pada generasi kedua, 50% molekul DNA adalah seperti generasi pertama, dan 50% yang lain hanya mempunyai nitrogen ringan. Tafsiran hasil ini adalah bahawa heliks double putri mempunyai rantai induk (yang berfungsi sebagai templat) dan rantai baru.

Mekanisme replikasi separa konservatif melibatkan pemisahan helai DNA dan pasangan asas pelengkap melalui pasangan nukleotida berturut-turut, menghasilkan dua helai dua anak perempuan.

Replikasi bateri

Permulaan replikasi DNA pada bakteria

DNA bakteria terdiri daripada kromosom bulat dan hanya mempunyai satu tempat asal replikasi. Dari laman web ini, biosintesis dua rantai anak perempuan berlaku secara dua arah, membentuk dua garpu replikasi yang bergerak ke arah yang bertentangan dengan asal. Pada akhirnya, jepit rambut bertemu, menyelesaikan replikasi.

Replikasi bermula dengan pengikatan protein DnaA ke tempat asal. Protein ini seterusnya membentuk kompleks. Kemudian protein HU dan IHF, antara lain, bergabung, yang bersama-sama melipat DNA, menyebabkan pemisahan dua helai DNA di kawasan yang kaya dengan timin dan adenin.

Seterusnya, protein DNaC mengikat, yang menyebabkan heliks DNA mengikat. Mereka membantu melepaskan DNA dan memutuskan ikatan hidrogen, terbentuk antara pasangan asas. Oleh itu, dua rantai itu dipisahkan lebih jauh, membentuk dua rantai sederhana.

Topoisomerase II, atau DNA gyrase, bergerak di hadapan helikase DNA, menurunkan lapisan super positif. Protein pengikat DNA tunggal (SSB) memisahkan helai DNA. Oleh itu, biosintesis rantai anak perempuan dapat bermula.

Biosintesis helai DNA anak perempuan dalam bakteria

Enzim primase bertanggungjawab untuk mensintesis rantai RNA pendek yang disebut primer, yang panjangnya 10-15 nukleotida. DNA polimerase mula menambahkan 5′-trifosfat deoksinukleosida (dNTPs) ke hujung gula primer 3′-OH, selepas itu helai terus tumbuh dari hujung yang sama.

Oleh kerana helai DNA antiparalel, satu primer disintesis pada helai pemimpin dan banyak primer pada helai lag. Oleh kerana itu, biosintesis rantai tertunda tidak terputus. Walaupun helai DNA antiparalel, garpu replikasi bergerak hanya dalam satu arah.

DNA polimerase bertanggungjawab untuk pembentukan ikatan kovalen antara nukleotida bersebelahan rantai yang baru disintesis, dalam arah 5'®3 ′. Di E. coli, terdapat lima polimerase DNA: DNA polimerase I dan III melakukan replikasi DNA; dan DNA polimerase II, IV dan V bertanggungjawab untuk memperbaiki dan meniru DNA yang rosak.

Sebilangan besar replikasi dilakukan oleh DNA polimerase III, yang merupakan holoenzim yang mempunyai 10 subunit yang berbeza dengan pelbagai fungsi dalam replikasi DNA. Sebagai contoh, subunit alpha bertanggungjawab untuk membuat hubungan antara nukleotida.

Kompleks enzim bertanggungjawab untuk meniru DNA dalam bakteria

Helikase DNA dan primase bergabung untuk membentuk kompleks yang disebut primosom. Ini bergerak sepanjang DNA, bertindak dengan cara yang terkoordinasi untuk memisahkan dua helai ibu bapa, mensintesis primer setiap selang tertentu pada helai yang tertunda.

Primosom secara fizikal mengikat DNA polimerase III, dan membentuk replisom. Dua DNA polimerase III bertanggungjawab untuk meniru DNA panduan dan rantai tertunda. Berkenaan dengan DNA polimerase III, helai tertunda membentuk gelung keluar, yang memungkinkan penambahan nukleotida ke helai ini berlaku dalam arah yang sama dengan helai pemimpin.

Penambahan nukleotida ke rantai pemimpin berterusan. Semasa dalam penundaan, ia tidak berterusan. Fragmen panjang 150 nukleotida terbentuk, disebut serpihan Okazaki.

Kegiatan 5 uc -> 3 ′ exonuclease DNA polimerase I bertanggungjawab untuk menghilangkan primer dan mengisi, menambahkan nukleotida. Enzim ligase menutup jurang antara serpihan. Replikasi berakhir apabila dua cangkuk replikasi bertemu dalam urutan penamatan.

Protein Tus mengikat urutan penamatan, menghentikan pergerakan garpu replikasi. Topoisomerase II memungkinkan pemisahan kedua kromosom.

Deoxyribonucleotide triphosphates digunakan oleh DNA polimerase

Deoxynucleoside triphosphate (dNTP) mengandungi tiga kumpulan fosfat yang melekat pada karbon 5 de deoxyribose. DNTP (dATP, dTTP, dGTP dan dCTP) mengikat rantai templat mengikuti peraturan AT / GC.

DNA polimerase mengkatalisis tindak balas berikut: Kumpulan hidroksil 3 ((–OH) nukleotida helai yang semakin meningkat bertindak balas dengan alpha fosfat dNTP yang masuk, melepaskan pirofosfat anorganik (PPi). Hidrolisis PPi menghasilkan tenaga untuk pembentukan ikatan kovalen, atau ikatan fosfodiester, antara nukleotida rantai yang tumbuh.

Mekanisme yang memastikan kesetiaan replikasi DNA

Semasa replikasi DNA, DNA polimerase III melakukan kesalahan 100 juta nukleotida. Walaupun kebarangkalian kesalahan sangat rendah, terdapat mekanisme yang memastikan kesetiaan dalam replikasi DNA. Mekanisme ini adalah:

1) Kestabilan dalam pasangan asas. Tenaga ikatan hidrogen antara AT / GC lebih tinggi daripada pasangan asas yang salah.

2) Struktur tapak aktif polimerase DNA. DNA polimerase mengutamakan sambungan nukleotida dengan asas yang betul pada helai yang bertentangan. Pasangan asas yang lemah menghasilkan distorsi heliks ganda DNA, yang menghalang nukleotida yang salah menduduki tapak aktif enzim.

3) Ujian membaca. DNA polimerase mengenal pasti nukleotida yang salah dan menyingkirkannya dari helai anak perempuan. Kegiatan eksonuklase DNA polimerase memutuskan ikatan fosfodiester antara nukleotida pada hujung 3 str helai baru.

Replikasi DNA dalam eukariota

Tidak seperti replikasi di prokariota, di mana replikasi bermula di satu laman web, replikasi di eukariota bermula di beberapa laman asal dan garpu replikasi bergerak dua arah. Selepas itu, semua replikasi jepit rambut menyatu, membentuk dua kromatid kakak yang bergabung di pusat.

Eukariota mempunyai banyak jenis polimerase DNA, yang namanya menggunakan huruf Yunani. DNA polimerase α membentuk kompleks dengan primase. Kompleks ini mensintesis primer pendek yang terdiri daripada 10 nukleotida RNA diikuti oleh 20 hingga 30 nukleotida DNA.

Seterusnya, DNA polimerase ε atau δ memangkin pemanjangan helai anak perempuan dari primer. DNA polimerase ε terlibat dalam sintesis rantai pemimpin, sementara DNA polimerase δ mensintesis rantai terencat.

DNA polimerase δ memanjangkan serpihan Okazaki di sebelah kiri sehingga mencapai primer RNA di sebelah kanan, menghasilkan kepingan pendek primer. Tidak seperti prokariota, di mana polimerase DNA menghilangkan primer, di eukariota enzim Flap endonuclease menghilangkan primer RNA.

Seterusnya, ligase DNA menutup serpihan DNA yang berdekatan. Penyelesaian replikasi berlaku dengan pemisahan protein dari garpu replikasi.

The replikasi DNA dalam kitar sel eukariot dan

Replikasi pada eukariota berlaku dalam fasa S kitaran sel. Molekul DNA yang direplikasi dikeluarkan ke dalam dua sel anak semasa mitosis. Fasa G1 dan G2 memisahkan fasa S dan mitosis. Kemajuan melalui setiap fasa kitaran sel sangat diatur oleh kinase, fosfatase, dan protease.

Dalam fasa G1 kitaran sel, kompleks pengenalan asal (OCR) mengikat ke lokasi asal. Ini mendorong pengikatan heliksase MCM dan protein lain, seperti Cdc6 dan Cdt1, untuk membentuk kompleks pra-replikasi (preRC). Helicase MCM mengikat rantai panduan.

Dalam fasa S, preRC menjadi laman replikasi aktif. Protein OCR, Cdc6, dan Cdt1 dilepaskan, dan heliksase MCM bergerak dalam arah 3 ′ hingga 5 ′. Setelah replikasi selesai, ia akan dimulakan semula pada kitaran sel seterusnya.

Replikasi hujung kromosom pada eukariota

Hujung kromosom dikenal sebagai telomer, yang terdiri daripada urutan tandem berulang, dan wilayah 3 that yang menonjol, panjang 12 hingga 16 nukleotida.

DNA polimerase tidak dapat meniru 3 ′ helai DNA. Ini kerana DNA polimerase hanya dapat mensintesis DNA dalam arah 5'-3 ', dan hanya dapat memanjangkan helai yang sudah ada, tanpa dapat mensintesis primer di wilayah ini. Akibatnya, telomer memendekkan dengan setiap pusingan replikasi.

Enzim telomerase menghalang pemendekan telomer. Telomerase adalah enzim yang mempunyai subunit protein dan RNA (TERC). Yang terakhir ini mengikat pada urutan DNA yang berulang, dan membolehkan telomerase mengikat ke hujung 3 tel telomere.

Urutan RNA di belakang tapak persimpangan berfungsi sebagai templat untuk sintesis urutan enam nukleotida (pempolimeran) pada akhir helai DNA. Pemanjangan telomere dikatalisis oleh subunit telomerase, yang disebut transomerase terbalik telomerase (TERT).

Selepas pempolimeran, translokasi berlaku, yang terdiri daripada pergerakan telomerase ke ujung baru rantai DNA, bergabung dengan enam nukleotida lain hingga akhir.

Fungsi polimerase DNA lain dalam eukariota

DNA polimerase β memainkan peranan penting dalam menghilangkan pangkalan yang salah dari DNA, tetapi tidak terlibat dalam replikasi DNA.

Banyak polimerase DNA yang dijumpai tergolong dalam kumpulan polimerase "translesion-replicating". Polimerase ini bertanggungjawab untuk mensintesis helai pelengkap di kawasan DNA yang rosak.

Terdapat beberapa jenis polimerase "translesion-replicating". Sebagai contoh, DNA polimerase boleh mereplikasi pada dimer timin, yang dihasilkan oleh sinar UV.

Replikasi DNA di archaebacteria

Replikasi DNA archaebacterial serupa dengan yang terdapat pada eukariota. Ini disebabkan oleh yang berikut: 1) protein yang mengambil bahagian dalam replikasi lebih serupa dengan protein eukariota daripada protein prokariota; dan 2) walaupun hanya ada satu laman replikasi seperti di prokariota, urutannya serupa dengan laman asal eukariota.

Kesamaan peniruan antara Archea dan eukariota menyokong idea bahawa kedua-dua kumpulan secara filogenetik lebih berkaitan antara satu sama lain daripada prokariota.

Rujukan

1. Brooker, RJ 2018. Analisis dan prinsip genetik. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetik - dari gen ke genom. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Aspek asas replikasi DNA. Akses Terbuka InTech, Croatia.
4. Lewis, R., 2015. Konsep dan aplikasi genetik manusia. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetik - pendekatan konseptual. WH Freeman, New York.