DNS REPLIKÁCIÓ: MECHANIZMUSOK PROKARIÓTÁKBAN ÉS EUKARIÓTOKBAN - BIOLÓGIA - 2026

A DNS (dezoxiribonukleinsav) replikációjának célja a genom, azaz a szervezet DNS-jének összes genetikai információjának lemásolása, hogy két azonos példányt kapjon. A genom rendelkezik a teljes organizmus felépítéséhez szükséges információkkal.

A sejtosztódás előtt megtörténik a DNS replikációja. A meiosis révén ivarsejtek termelődnek szexuális szaporodás céljából. A mitózis révén a sejtek pótlása (pl. Bőr és vér) és fejlődés (pl. Szövetek és szervek) történik.

Forrás: én, Madprime

A DNS szerkezetének ismerete lehetővé teszi, hogy megértsük, hogyan történik a replikáció. A DNS szerkezete kettős spirálból áll, amely egymást követő nukleotidok két antiparallel láncából áll, amelyek nitrogénbázisai specifikusan kiegészítik egymást.

A replikáció során a kettős DNS szál minden szálja templátként működik egy új szál bioszintéziséhez. A két újonnan szintetizált láncnak olyan bázisai vannak, amelyek komplementer a templát lánc bázisaival: adenin (A) timinnal (T) és citozin (C) guaninnal (G).

Különböző enzimek és fehérjék vesznek részt a DNS replikációjában. Például, megnyitva a kettős spirál DNS-t, tartva nyitva a DNS-t, és hozzáadva dezoxiribonukleozid-5′-trifoszfátot (dNTP) az új szál kialakításához.

A DNS replikációja félig konzervatív

A DNS szerkezete alapján Watson és Crick javasolta, hogy a DNS replikációja félkonzervatív módon történjen. Ezt Meselson és Stahl bizonyította az Escherichia coli DNS-ének ¹⁵ N nitrogén nehéz izotópjával történő jelölésével, több generáción át a ¹⁴ N könnyű nitrogéntartalmú tápközegben történő megoszlási mintázat követésével.

Meselson és Stahl úgy találta, hogy az első generációban a két leány DNS-molekula mindegyikét egy nitrogén nehéz izotópjának láncával, a másik pedig a könnyű izotóppal jelölték meg. A szülő DNS-molekulától eltérően, amelynek mindkét szálát a nehéz izotóppal jelölték, ¹⁵ N- rel.

A második generációban a DNS-molekulák 50% -a hasonló volt az első generációhoz, míg a másik 50% -ában csak könnyű nitrogén volt. Ennek az eredménynek az értelmezése az, hogy a lányos kettős spirálnak van egy szülőlánca (amely sablonként funkcionál) és egy új lánc.

A félig konzervatív replikációs mechanizmus magában foglalja a DNS-szálak elválasztását és a komplementer bázispárok egymást követő nukleotid-párosításain keresztül történő létrehozását, két lányos kettős heliként előállítva.

Az akkumulátor replikációja

A DNS replikációjának megkezdése baktériumokban

A bakteriális DNS egy kör alakú kromoszómából áll, és a replikáció csak egy származási helyével rendelkezik. Ebből a helyből a két lánylánc bioszintézise kétirányban zajlik, két replikációs villát képezve, amelyek az eredettel ellentétes irányba mozognak. A végén a hajtűk találkoznak, befejezve a replikációt.

A replikáció a DnaA fehérjéknek a származási helyhez történő kötésével kezdődik. Ezek a fehérjék viszont komplexet képeznek. Ezután többek között a HU és az IHF fehérjék összekapcsolódnak, amelyek együtt összehajtják a DNS-t, és így a két DNS szál elválasztódik a timinben és az adeninben gazdag régióban.

Ezután a DNaC fehérjék kötődnek, amelyek a DNS-helikázok kötődését idézik elő. Segítik a DNS lazulását és megbontják a bázispárok között kialakult hidrogénkötéseket. Így a két lánc egymástól elválasztva két egyszerű láncot alkot.

A topoizomeráz II, vagy a DNS-giráz a DNS-helikáz előtt mozog, csökkentve a pozitív szuper-tekercsek számát. Az egyszálú DNS-kötő (SSB) fehérjék tartják a DNS-szálakat elválasztva. Így megindulhat a lánylánc bioszintézise.

A lányos DNS-szálak bioszintézise baktériumokban

A primáz enzim felelős a rövid RNS láncok szintetizálásáért, amelyeket úgynevezett primereknek hívnak, amelyek 10-15 nukleotid hosszúak. A DNS-polimeráz 5'-trifoszfát-dezoxinukleozidokat (dNTP-ket) ad hozzá az alapozó cukor 3'-OH végéhez, miután a szál tovább növekszik ugyanabból a végből.

Mivel a DNS-szálak párhuzamosak, az egyik láncindítót a vezetőszálon és a láncszálon sok primert szintetizálják. Emiatt a késleltetett lánc bioszintézise folyamatos. Bár a DNS-szálak párhuzamosak, a replikációs villa csak egy irányba mozog.

A DNS-polimeráz felelős az újonnan szintetizált láncok szomszédos nukleotidjai között, 5'®3 'irányban kovalens kötések kialakulásáért. Az E. coliban öt DNS polimeráz van: az I és III DNS polimerázok elvégzik a DNS replikációját; és a II., IV. és V. DNS polimerázok felelősek a sérült DNS helyreállításáért és replikációjáért.

A replikáció nagy részét DNS-polimeráz III-mal hajtják végre, amely egy holoenzim, amelynek 10 különböző alegysége van, a DNS replikációban különféle funkciókkal. Például az alfa alegység felelős a nukleotidok közötti kapcsolatok létrehozásáért.

Az enzimek komplexe felelős a DNS replikációjáért a baktériumokban

A DNS-helikáz és a primáz összekapcsolódik, és primoszómának nevezett komplexet képeznek. Ez a DNS mentén mozog, összehangolt módon elkülönítve a két szülői szálat, és a késleltetett szálon minden egyes intervallumban szintetizálja a primereket.

A primoszóma fizikailag kötődik a DNS polimeráz III-hoz, és képezi a repliszómát. Két DNS III polimeráz felelős a vezető és késleltetett láncok DNS-ének replikációjáért. A III. DNS-polimeráz vonatkozásában a késleltetett szál egy külső hurkot képez, amely lehetővé teszi nukleotidok hozzáadását ehhez a szálhoz ugyanolyan irányban, mint a vezető szál.

A nukleotidok hozzáadása a vezető lánchoz folyamatos. A késleltetett állapotban nem szakaszos. 150 fragmens hosszúságú fragmensek képződnek, amelyeket Okazaki fragmenseknek nevezünk.

Az I DNS-polimeráz 5 ′ -> 3 ′ exonukleáz aktivitása felelős a primerek eltávolításáért és megtöltéséért, valamint a nukleotidok hozzáadásáért. Egy ligáz enzim lezárja a fragmentumok közötti réseket. A replikáció akkor fejeződik be, amikor a két replikációs kampó lezárási sorrendben találkozik.

A Tus protein kötődik a terminációs szekvenciához, megállítva a replikációs villa mozgását. A topoizomeráz II lehetővé teszi a két kromoszóma elválasztását.

A dezoxiribonukleotid-trifoszfátokat a DNS-polimeráz használja

A dezoxinukleozid-trifoszfát (dNTP) három foszfátcsoportot tartalmaz, amelyek kapcsolódnak a dezoxiribóz 5 'szénéhez. A dNTP-k (dATP, dTTP, dGTP és dCTP) az AT / GC szabályt követve kötődnek a sablonlánchoz.

A DNS-polimeráz a következő reakciót katalizálja: A növekvő szálú nukleotid 3'-hidroxilcsoportja (–OH) reagál a bejövő dNTP alfa-foszfátjával, felszabadítva szervetlen pirofoszfátot (PPi). A PPi hidrolízise előállítja az energiát a növekvő lánc nukleotidjai közötti kovalens kötés vagy foszfodiészter kötés kialakulásához.

A DNS replikáció hűségét biztosító mechanizmusok

A DNS replikációja során a III. Polimeráz 100 millió nukleotiddal hibázik. Noha a hiba valószínűsége nagyon alacsony, vannak olyan mechanizmusok, amelyek biztosítják a hitelességet a DNS replikációban. Ezek a mechanizmusok a következők:

1) Stabilitás az alappárosításban. Az AT / GC közötti hidrogénkötési energia magasabb, mint rossz bázispárok esetén.

2) A DNS-polimeráz aktív helyének felépítése. A DNS-polimeráz elsősorban a nukleotid-csomópontokat katalizálja a megfelelő bázisokkal az ellenkező szálon. A rossz bázispárosodás a DNS kettős spirál torzulását okozza, amely megakadályozza, hogy a rossz nukleotid elfoglalja az enzim aktív helyét.

3) Olvasási teszt. A DNS-polimeráz azonosítja a beépített hibás nukleotidokat, és eltávolítja azokat a lányos szálból. A DNS-polimeráz exonukleázaktivitása megbontja a foszfodiészter kötéseket a nukleotidok között az új szál 3 'végén.

DNS replikáció eukariótákban

A prokariótákban történő replikációtól eltérően, ahol a replikáció egy helyen kezdődik, az eukariótákban a replikáció több származási helyen kezdődik, és a replikációs villa kétirányban mozog. Ezt követően az összes replikációs hajtű összeolvad, és két testvérkromatidot képez, amelyek a centroméren kapcsolódnak.

Az eukarióták sokféle DNS-polimerázzal rendelkeznek, amelyek neve görög betűket használ. Az α DNS-polimeráz komplexet képez a primázzal. Ez a komplex rövid primereket állít elő, amelyek 10 RNS nukleotidból, majd 20-30 nukleotidból állnak.

Ezután az ε vagy δ DNS polimeráz a leányszál meghosszabbítását katalizálja a primerből. Az ε DNS polimeráz részt vesz a vezető lánc szintézisében, míg a δ DNS polimeráz a késleltetett láncot szintetizálja.

A δ DNS-polimeráz meghosszabbítja az Okazaki fragmenst a bal oldalon, amíg el nem éri a jobb oldali RNS-primitort, és létrehozza a primer rövid szárnyát. A prokariótákkal ellentétben, ahol egy DNS-polimeráz eltávolítja az primert, az eukariótákban a Flap endonukleáz enzim távolítja el az RNS primerjét.

Ezután egy DNS-ligáz lezárja a szomszédos DNS-fragmentumokat. A replikáció befejezése a fehérjék disszociációjával történik a replikációs villáról.

A DNS replikációja eukarióta sejtciklusban és

Az eukariótákban a replikáció a sejtciklus S fázisában fordul elő. A replikált DNS-molekulák a mitózis során két lánysejtbe szekretálódnak. A G1 és a G2 fázis elválasztja az S fázist és a mitózist. A sejtciklus minden fázisán keresztül történő előrehaladást erősen szabályozzák a kinázok, foszfatázok és proteázok.

A sejtciklus G1 fázisában az eredetfelismerő komplex (OCR) kötődik a származási helyhez. Ez indukálja az MCM helikázok és más fehérjék, például Cdc6 és Cdt1 kötődését egy replikáció előtti komplex (preRC) kialakulásához. Az MCM helikáz kötődik a vezető lánchoz.

S fázisban a preRC aktív replikációs helyré válik. Az OCR, Cdc6 és Cdt1 fehérjék felszabadulnak, és az MCM helikáz 3 ′ és 5 ′ irányba mozog. Miután a replikáció befejeződött, újraindul a következő cellaciklusban.

A kromoszóma végeinek replikációja eukariótákban

A kromoszómák végeit telomereknek nevezzük, amelyek ismétlődő tandem szekvenciákból állnak, és egy 3 ′ szakaszból áll, amely kiálló, 12-16 nukleotid hosszúságú.

A DNS-polimeráz nem képes replikálni a DNS-szál 3'-végét. Ennek oka az a tény, hogy a DNS-polimeráz csak az 5'-3 'irányban képes szintetizálni a DNS-t, és csak meghosszabbíthatja a már létező szálakat anélkül, hogy ebben a régióban képes lenne szintetizálni a primert. Következésképpen a telomerek minden replikációs körrel lerövidülnek.

A telomeráz enzim megakadályozza a telomerek lerövidülését. A telomeráz enzim, amely fehérje- és RNS-alegységeket (TERC) tartalmaz. Ez utóbbi kötődik a DNS ismétlődő szekvenciáihoz, és lehetővé teszi a telomeráz kötődését a telomer 3'-végéhez.

A kapcsolódási hely mögött található RNS-szekvencia templátként hat nukleotidszekvencia szintéziséhez (polimerizáció) a DNS-szál végén helyezkedik el. A telomer meghosszabbítását a telomeráz alegységek katalizálják, amelyet telomeráz reverz transzkriptáznak (TERT) nevezünk.

A polimerizáció után transzlokációra kerül sor, amely a telomeráz mozgatásával jár a DNS-lánc új végére, és a végéhez újabb hat nukleotidot csatlakoztat.

Más DNS polimerázok funkciói az eukariótákban

A β DNS-polimeráz fontos szerepet játszik a helytelen bázisok eltávolításában a DNS-ből, de nem vesz részt a DNS replikációjában.

Sok felfedezett DNS-polimeráz tartozik a "transzlációt replikáló" polimerázok csoportjába. Ezek a polimerázok a komplementer szálak szintéziséért felelnek a sérült DNS régiójában.

Különböző típusú "transzlációt replikáló" polimerázok léteznek. Például a η DNS-polimeráz replikálódhat a timin dimerjein, amelyeket UV fény okoz.

DNS replikáció régészeti baktériumokban

Az archaebacteria DNS replikáció hasonló az eukariótákéhoz. Ennek okai a következők: 1) a replikációban részt vevő fehérjék hasonlóak az eukariótákéhoz, mint a prokariótákéhoz; és 2) bár csak egy replikációs hely van, például prokariótákban, a szekvencia hasonló az eukarióták származási helyéhez.

Az Archea és az eukarióta replikációjának hasonlósága alátámasztja azt az elképzelést, miszerint mindkét csoport filogenetikailag jobban kapcsolódik egymáshoz, mint akár a prokariótákhoz.

Irodalom

1. Brooker, RJ 2018. Genetikai elemzés és alapelvek. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetika - génektől genomokig. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. A DNS replikáció alapvető szempontjai. InTech Open access, Horvátország.
4. Lewis, R., 2015. Humán genetikai fogalmak és alkalmazások. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetika - fogalmi megközelítés. WH Freeman, New York.