The replikace DNA (deoxyribonukleová kyselina) spočívá v kopírování genomu, tj. veškeré genetické informace obsažené v DNA organismu, za vzniku dvou identických kopií. Genom má informace potřebné k vybudování kompletního organismu.
Před buněčným dělením dochází k replikaci DNA. Prostřednictvím meiózy se gamety produkují pro sexuální reprodukci. Prostřednictvím mitózy dochází k výměně buněk (například kůže a krve) a vývoji (například tkání a orgánů).
Znalost struktury DNA nám umožňuje pochopit, jak dochází k její replikaci. Struktura DNA se skládá z dvojité šroubovice, složené ze dvou antiparalelních řetězců po sobě jdoucích nukleotidů, jejichž dusíkaté báze se navzájem specifickým způsobem doplňují..
Během replikace funguje každé vlákno dvojitého vlákna DNA jako templát pro biosyntézu nového vlákna. 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 šroubovice DNA, udržení DNA otevřené a přidání deoxyribonukleosidů-5'-trifosfátu (dNTP) za vzniku nového řetězce.
Rejstřík článků
Na základě struktury DNA navrhli Watson a Crick, že replikace DNA probíhá polokonzervativně. To prokázali Meselson a Stahl označením DNA Escherichia coli s těžkým izotopem dusíku, patnáctN, po vzoru distribuce po několik generací v kultivačním médiu se slabým dusíkem, 14N.
Meselson a Stahl zjistili, že v první generaci měly dvě dceřiné molekuly DNA každou molekulu označenou řetězcem s těžkým izotopem dusíku a další s lehkým izotopem. Na rozdíl od mateřské molekuly DNA, která měla obě vlákna značená těžkým izotopem, patnáctN.
Ve druhé generaci bylo 50% molekul DNA podobných molekulám první generace a dalších 50% mělo pouze lehký dusík. Interpretace tohoto výsledku spočívá v tom, že dceřiná dvojitá šroubovice má nadřazený řetězec (který funguje jako šablona) a nový řetězec.
Semikonzervativní replikační mechanismus zahrnuje separaci řetězců DNA a komplementární párování bází postupným párováním nukleotidů za vzniku dvou dceřiných dvojitých šroubovic..
Bakteriální DNA se skládá z kruhového chromozomu a má pouze jedno místo původu replikace. Z tohoto místa dochází k biosyntéze dvou dceřiných řetězců obousměrně a tvoří dvě replikační vidlice, které se pohybují v opačných směrech k počátku. Nakonec se vlásenky sejdou a replikace se dokončí.
Replikace začíná vazbou proteinů DnaA na místo původu. Tyto proteiny zase tvoří komplex. Poté se proteiny HU a IHF spojují, mimo jiné, které společně skládají DNA, což způsobuje oddělení dvou řetězců DNA v oblasti bohaté na tymin a adenin..
Dále se váží proteiny DNaC, které způsobují vazbu DNA helikáz. Pomáhají uvolnit DNA a rozbít vodíkové vazby vytvořené mezi páry bází. Oba řetězce jsou dále odděleny a tvoří dva jednoduché řetězce.
Topoizomeráza II nebo DNA gyráza se pohybuje před DNA helikázou a snižuje pozitivní supercoily. Jednovláknové proteiny vázající DNA (SSB) udržují řetězce DNA od sebe. Může tak začít biosyntéza dceřiného řetězce.
Enzym primázy je zodpovědný za syntézu krátkých řetězců RNA nazývaných primery, které jsou dlouhé 10 až 15 nukleotidů. DNA polymeráza začíná přidávat 5'-trifosfátdeoxynukleosidy (dNTP) na 3'-OH konec primeru cukru, po kterém vlákno pokračuje v růstu ze stejného konce.
Protože řetězce DNA jsou antiparalelní, syntetizuje se jeden primer na vedoucím řetězci a mnoho primerů na řetězci zpoždění. Z tohoto důvodu je biosyntéza zpožděného řetězce diskontinuální. Ačkoli jsou řetězce DNA 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 '. Na E-coli, Existuje pět DNA polymeráz: DNA polymerázy I a III provádějí replikaci DNA; a DNA polymerázy II, IV a V jsou odpovědné za opravu a replikaci poškozené DNA.
Většinu replikace provádí DNA polymeráza III, což je holoenzym, který má 10 různých podjednotek s různými funkcemi při replikaci DNA. Například alfa podjednotka je zodpovědná za vytváření vazeb mezi nukleotidy.
DNA helikáza a primáza se spojily a vytvořily komplex zvaný primosom. Toto se pohybuje podél DNA a koordinovaným způsobem odděluje dvě rodičovská vlákna a syntetizuje primery v každém určitém intervalu na zpožděném řetězci..
Primosom se fyzicky váže na DNA polymerázu III a tvoří replisom. Dvě DNA polymerázy III jsou zodpovědné za replikaci DNA vodících a zpožděných řetězců. Pokud jde o DNA polymerázu III, zpožděné vlákno tvoří vnější smyčku, která umožňuje přidání nukleotidů k tomuto vláknu ve stejném směru jako vedoucí vlákno..
Přidávání nukleotidů do vodicího řetězce je kontinuální. Zatímco ve zpoždění je přerušovaný. Vznikají fragmenty dlouhé 150 nukleotidů, které se nazývají fragmenty Okazaki.
Aktivita 5 '-> 3' exonukleázy DNA polymerázy I je zodpovědná za eliminaci primerů a plnění, přidání nukleotidů. Enzym ligázy utěsňuje mezery mezi fragmenty. Replikace končí, když se dva replikační háčky setkají v posloupnosti ukončení.
Protein Tus se váže na terminační sekvenci a zastaví pohyb replikační vidlice. Topoizomeráza II umožňuje separaci dvou chromozomů.
Deoxynukleosid trifosfát (dNTP) obsahuje tři fosfátové skupiny připojené k 5 'uhlíku deoxyribózy. DNTP (dATP, dTTP, dGTP a dCTP) se váží na řetězec šablony podle pravidla AT / GC.
DNA polymeráza katalyzuje následující reakci: 3 'hydroxylová skupina (-OH) nukleotidu rostoucího řetězce reaguje s alfa fosfátem přicházejícího dNTP a uvolňuje anorganický pyrofosfát (PPi). Hydrolýza PPi produkuje energii pro tvorbu kovalentní vazby nebo fosfodiesterové vazby mezi nukleotidy rostoucího řetězce.
Během replikace DNA udělá DNA polymeráza III chybu o 100 milionů nukleotidů. I když je pravděpodobnost chyby velmi nízká, existují mechanismy, které zajišťují věrnost replikace DNA. Jedná se o tyto mechanismy:
1) Stabilita při párování bází. Energie vodíkové vazby mezi AT / GC je vyšší než u nesprávných párů bází.
2) Struktura aktivního místa DNA polymerázy. DNA polymeráza přednostně katalyzuje nukleotidové spoje se správnými bázemi na opačném řetězci. Špatné párování bází vede k narušení dvojité šroubovice DNA, což brání tomu, aby nesprávný nukleotid obsadil aktivní místo enzymu.
3) Test čtení. DNA polymeráza identifikuje začleněné chybné nukleotidy a odstraňuje je z dceřiného řetězce. Aktivita exonukleázy DNA polymerázy rozbíjí fosfodiesterové vazby mezi nukleotidy na 3 'konci nového řetězce.
Na rozdíl od replikace u prokaryot, kde replikace začíná na jednom místě, replikace u eukaryot začíná na více místech původu a replikační vidlice se pohybuje obousměrně. Následně se všechny replikační vidličky spojily a vytvořily se dvě sesterské chromatidy spojené v centromere..
Eukaryoty vlastní mnoho typů DNA polymerázy, jejichž jména používají řecká písmena. DNA polymeráza α tvoří komplex s primázou. Tento komplex syntetizuje krátké primery skládající se z 10 nukleotidů RNA následovaných 20 až 30 nukleotidy DNA..
Pak DNA polymeráza ε nebo δ katalyzuje prodloužení dceřiného řetězce z primeru. DNA polymeráza ε se podílí na syntéze vedoucího řetězce, zatímco DNA polymeráza δ syntetizovat retardovaný řetězec.
DNA polymeráza δ prodlužuje fragment Okazaki vlevo, dokud nedosáhne RNA primeru vpravo, čímž vytvoří krátkou chlopeň primeru. Na rozdíl od prokaryot, kde DNA polymeráza odstraní primer, u eukaryot odstraní enzym Flap endonukleáza RNA primer.
DNA ligáza pak utěsní sousední fragmenty DNA. K ukončení replikace dochází s disociací proteinů z replikační vidlice.
K replikaci u eukaryot dochází v S fázi buněčného cyklu. Replikované molekuly DNA se během mitózy vylučují do dvou dceřiných buněk. Fáze G1 a G2 oddělují S fázi a mitózu. Pokrok v každé fázi buněčného cyklu je vysoce regulován kinázami, fosfatázami a proteázami..
Ve fázi G1 buněčného cyklu se komplex rozpoznávání počátku (OCR) váže na místo původu. To indukuje vazbu MCM helikáz a dalších proteinů, jako jsou Cdc6 a Cdt1, za vzniku pre-replikačního komplexu (preRC). MCM helikáza se váže na vodicí řetězec.
Ve fázi S se preRC stává aktivním replikačním místem. Uvolňují se proteiny OCR, Cdc6 a Cdt1 a helikáza MCM se pohybuje ve směru 3 'až 5'. Jakmile replikace skončí, bude restartována v dalším buněčném cyklu..
Konce chromozomů jsou známé jako telomery, které se skládají z opakovaných tandemových sekvencí a 3 'oblast, která vyčnívá, o délce 12 až 16 nukleotidů..
DNA polymeráza není schopna replikovat 3 'konec řetězců DNA. Je to proto, že DNA polymeráza může syntetizovat DNA pouze ve směru 5'-3 'a může prodloužit pouze již existující řetězce, aniž by byla schopna syntetizovat primer v této oblasti. V důsledku toho se telomery zkracují s každým opakováním..
Enzym telomeráza zabraňuje zkrácení telomer. Telomeráza je enzym, který obsahuje proteinové a RNA podjednotky (TERC). Ten se váže na opakující se sekvence DNA a umožňuje telomeráze vázat se na 3 'konec telomer..
Sekvence RNA za místem spojení funguje jako templát pro syntézu šest nukleotidové sekvence (polymerace) na konci řetězce DNA. Prodloužení telomer je katalyzováno podjednotkami telomerázy, které se nazývají telomerasová reverzní transkriptáza (TERT)..
Po polymeraci dochází k translokaci, která spočívá v pohybu telomerázy na nový konec řetězce DNA a až do konce se spojuje dalších šest nukleotidů.
DNA polymeráza β hraje důležitou roli při odstraňování nesprávných bází z DNA, ale nepodílí se na replikaci 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 translesion“. Například DNA polymeráza η se může replikovat na tyminových dimerech, které jsou produkovány UV zářením.
Archeobakteriální replikace DNA je podobná replikaci u eukaryot. To je způsobeno následujícím: 1) proteiny, které se účastní replikace, jsou více podobné proteinům eukaryot než proteinům prokaryot; a 2) ačkoliv existuje pouze jedno replikační místo, například u prokaryot, jeho sekvence je podobná místu původu eukaryot..
Podobnost v replikaci mezi Archea a eukaryoty podporuje myšlenku, že obě skupiny jsou navzájem fylogeneticky více příbuzné než kterékoli jiné s prokaryoty..
Zatím žádné komentáře