Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

5.1: Реплікація ДНК

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    4228

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Єдиний спосіб зробити нові клітини - це поділ вже існуючих клітин. Це означає, що всі організми залежать від поділу клітин для їх подальшого існування. ДНК, як відомо, несе в собі генетичну інформацію, яка потрібна кожній клітині. Кожен раз, коли клітина ділиться, вся її ДНК повинна бути вірно скопійована, щоб копію цієї інформації можна було передати дочірній клітині. Цей процес називається реплікацією ДНК. Перш ніж досліджувати фактичний процес реплікації ДНК, корисно подумати про те, що потрібно для успішного виконання цього завдання. Розглянемо проблеми, з якими стикається клітина в цьому процесі:

    • Величезна кількість нуклеотидів, які потрібно скопіювати, величезна: наприклад, в клітині людини, близько декількох мільярдів.
    • Двоспіральна молекула батьківської ДНК повинна бути розмотана, щоб оголити окремі нитки ДНК, які можуть служити шаблонами для синтезу нових ниток ДНК.
    • Це розмотування повинно здійснюватися без внесення значних топологічних спотворень в молекулу.
    • Розмотані окремі нитки ДНК повинні бути збережені від повернення разом досить довго, щоб нові нитки були синтезовані.
    • ДНК-полімерази не можуть почати синтез нової ланцюга ДНК de novo і вимагають вільного 3' ОН, до якого вони можуть додати нуклеотиди ДНК.
    • ДНК-полімерази можуть розширювати нитку лише в напрямку від 5 до 3'. Розширення від 5 до 3 'обох нових ниток на одній вилці реплікації означає, що одна з ниток зроблена шматками.
    • Використання праймерів РНК вимагає, щоб нуклеотиди РНК повинні бути видалені і замінені нуклеотидами ДНК, а отримані фрагменти ДНК повинні бути з'єднані.
    • Забезпечення точності при копіюванні такої кількості інформації.

    Маючи це на увазі, ми можемо почати вивчати, як клітини справляються з кожною з цих проблем. Наше розуміння процесу реплікації ДНК походить від досліджень з використанням бактерій, дріжджів та інших систем, таких як яйцеклітини Xenopus. Ці дослідження показали, що реплікація ДНК здійснюється дією великої кількості білків, які діють разом як складна білкова машина, яка називається реплісомою. Були ідентифіковані та охарактеризовані численні білки, що беруть участь у реплікації, включаючи безліч різних ДНК-полімераз як у прокаріотів, так і у еукаріотів. Хоча конкретні білки, що беруть участь, відрізняються у бактерій та еукаріотів, корисно зрозуміти основні міркування, які мають відношення до всіх клітин, перш ніж намагатися розглянути деталі кожної системи.

    Нижче представлений узагальнений звіт про етапи реплікації ДНК, орієнтований на проблеми, згадані вище.

    • Величезна кількість нуклеотидів, які потрібно скопіювати, величезна.

    Наприклад, в клітині людини кількість нуклеотидів, що підлягають копіюванню, становить близько декількох мільярдів. Навіть у бактерій їх кількість обчислюється мільйонами. Клітини, будь то бактеріальні чи еукаріотичні, повинні повторити всю свою ДНК, перш ніж вони зможуть розділитися. У клітині, як наша власна, величезна кількість ДНК розбивається на безліч хромосом, кожна з яких складається з лінійної нитки ДНК. У клітині, як у кишкової палички, є єдина кругова хромосома.

    Малюнок 5.1.1: Напівконсервативна реплікація ДНК

    У будь-якій ситуації реплікація ДНК ініціюється на сайтах, які називаються витоками реплікації. Це ділянки молекули ДНК, які розпізнаються за особливим походженням розпізнавання білків, які зв'язують ДНК. Зв'язування цих білків допомагає відкрити область одноцепочечной ДНК, де може початися синтез нової ДНК. У випадку з кишковою паличкою існує єдине походження реплікації на її круговій хромосомі. У еукаріотичних клітині може бути багато тисяч витоків реплікації, причому кожна хромосома має сотні. Таким чином, реплікація ДНК ініціюється в декількох точках уздовж кожної хромосоми у еукаріотів, як показано на малюнку 5.1.3. Електронні мікрофотографії реплікації ДНК з еукаріотичних клітин показують багато реплікації «бульбашок» на одній хромосомі.

    Малюнок 5.1.2: Зображення міхура реплікації
    Малюнок 5.1.3: Кілька бульбашок реплікації
    Це має сенс у світлі великої кількості ДНК, яку потрібно скопіювати в клітині, як наша власна, де початок з одного кінця кожної хромосоми і реплікація аж до іншого кінця від одного походження просто займе занадто багато часу. Це при тому, що ДНК-полімерази в клітині людини здатні будувати нові нитки ДНК з дуже респектабельною швидкістю близько 50 нуклеотидів в секунду!
    • Подвійну спіральну батьківську молекулу необхідно розмотати, щоб оголити окремі нитки ДНК, які можуть служити шаблонами для синтезу нових ниток ДНК.
    Після того, як невелика область ДНК відкривається на кожному походженні реплікації, спіраль ДНК повинна бути розмотана, щоб дозволити реплікації продовжити. Як відокремлюються нитки подвійної спіралі батьківської ДНК?
    Розмотування спіралі ДНК вимагає дії ферменту під назвою helicase. Helicase використовує енергію, що виділяється при гідролізі АТФ, щоб розмотати спіраль ДНК. Зверніть увагу, що кожен міхур реплікації складається з двох вилок реплікації, які «рухаються» або відкриваються в протилежних напрямках. На кожній виделці реплікації батьківські нитки ДНК повинні бути розмотані, щоб виставити нові ділянки однониткового шаблону.
    • Це розмотування повинно здійснюватися без введення топологічних спотворень в молекулу.
    Який ефект від розмотування однієї області подвійної спіралі? Розмотування спіралі локально викликає перемотування або топологічне спотворення ДНК попереду розмотаної області. ДНК попереду розмотаної спіралі повинна обертатися, інакше вона закрутиться на собі.
    Як вирішується ця проблема? Ферменти, звані топоізомеразами, можуть зняти топологічне напруження, викликане місцевим розмотуванням подвійної спіралі. Вони роблять це, вирізаючи ДНК і дозволяючи пасмам обертатися один навколо одного, щоб звільнити напругу перед повторним з'єднанням кінців. У кишкової палички топоізомераза, яка виконує цю функцію, називається гіразою.
    • Розмотані окремі нитки ДНК повинні бути збережені від повернення разом досить довго, щоб нові нитки були синтезовані.

    Після того, як дві нитки молекули батьківської ДНК відокремлені, їм потрібно запобігти поверненню разом, щоб сформувати дволанцюгову ДНК. Щоб гарантувати, що розмотані ділянки батьківської ДНК залишаються однонитковими і доступними для копіювання, відокремлені нитки батьківської ДНК пов'язані багатьма молекулами білка, званого однонитковим ДНК зв'язуючим білком (SSB).

    • ДНК-полімерази не можуть почати синтез нової ланцюга ДНК de novo і вимагають вільного 3' ОН, до якого вони можуть додати нуклеотиди ДНК.

    Хоча однониткові батьківські ДНК тепер доступні для копіювання, ДНК-полімерази не можуть почати синтез комплементарної нитки de novo. Це пов'язано з тим, що всі ДНК-полімерази можуть додавати нові нуклеотиди лише до 3' кінця попередньо існуючого ланцюга. Це означає, що деякий фермент, крім ДНК-полімерази, повинен спочатку зробити невелику ділянку нуклеїнової кислоти, що доповнює батьківську нитку, яка може забезпечити вільний 3' ОН, до якого ДНК-полімераза може додати дезоксирибонуклеотид.

    Це завдання виконується ферментом під назвою примаза, який збирає короткий відрізок РНК, який називається праймером, навпроти батьківського шаблону ДНК. Це забезпечує коротку базову парну область з вільною групою 3'OH, до якої ДНК-полімераза може додати перший новий нуклеотид ДНК (див. Малюнок на попередній сторінці). Після того, як праймер надає безкоштовний 3'OH для розширення, інші білки потрапляють в акт. Ці білки беруть участь у завантаженні ДНК-полімерази на загрунтований шаблон і допомагають зберегти її прикріпленою до ДНК, коли вона включена.

    Малюнок 5.1.4: Додавання нуклеотиду до зростаючої пасма

    Першим з них є затискний навантажувач. Як випливає з назви, навантажувач затискачів допомагає завантажувати білковий комплекс, який називається ковзаючим затискачем, на ДНК на вилці реплікації. Потім ковзаючий затискач з'єднується ДНК-полімеразою. Функція ковзаючого затиску полягає в підвищенні технологічності ДНК-полімерази. Це вигадливий спосіб сказати, що він зберігає полімеразу, пов'язану з виделкою реплікації, запобігаючи її падінню - насправді ковзаючий затискач був описаний як ремінь безпеки для ДНК-полімерази.
    ДНК-полімераза тепер готова почати синтез нової ланцюга ДНК (в E. coli первинна реплікативна полімераза називається ДНК-полімеразою III). Як ви вже знаєте, синтез нової ДНК здійснюється шляхом додавання нових нуклеотидів, що доповнюють ті, що знаходяться на батьківській нитці. ДНК-полімераза каталізує реакцію, за допомогою якої вхідний дезоксирибонуклеотид додається на 3' кінець попереднього нуклеотиду, починаючи з 3'OH на кінці праймера РНК.

    5' фосфат на кожному вхідному нуклеотиді приєднується ДНК-полімеразою до 3' ОН на кінці зростаючого ланцюга нуклеїнових кислот. Як ми вже відзначали, нові нитки ДНК синтезуються шляхом додавання нуклеотидів ДНК до кінця праймера РНК. Таким чином, нова молекула ДНК має короткий шматок РНК на початку.

    • ДНК-полімерази можуть розширювати нитку лише в напрямку від 5 до 3'. Зростання від 5 до 3' обох нових пасом означає, що одна з ниток зроблена шматками.

    Ми зазначили, що ДНК-полімераза може побудувати нову нитку ДНК лише у напрямку від 5 до 3'. Ми також знаємо, що дві батьківські нитки ДНК є антипаралельними. Це означає, що на кожній вилці реплікації одна нова нитка, яка називається провідною ниткою, може бути синтезована безперервно в 5' до 3' напрямку, тому що вона робиться в тому ж напрямку, що і реплікації вилка відкривається вгору.

    Синтез іншої нової нитки, яка називається відстаючою ниткою, вимагає, щоб кілька праймерів РНК повинні бути закладені, а нова ДНК була зроблена у багатьох коротких шматочках, які згодом з'єднуються. Ці короткі шматки нуклеїнової кислоти, кожен з яких складається з невеликої розтяжки праймера РНК і близько 1000-2000 нуклеотидів ДНК, називаються Окадзакі фрагменти, для Рейдзі Окадзакі, вченого, який вперше продемонстрував своє існування.

    Малюнок 5.1.5: Провідна і відстаюча реплікація пасма
    • Використання праймерів РНК вимагає, щоб нуклеотиди РНК повинні бути видалені і замінені нуклеотидами ДНК.
    • Ми бачили, що кожен нещодавно синтезований шматок ДНК починається з праймера РНК, ефективно роблячи нову нитку нуклеїнової кислоти, яка є частиною РНК і частиною ДНК. До готової нитки ДНК не можна допускати приєднання шматочків РНК. o нуклеотиди РНК видаляються, а прогалини заповнюються нуклеотидами ДНК (ДНК-полімеразою I в кишковій паличці). Потім шматки ДНК з'єднуються між собою ферментом ДНК-лігазою.

    Малюнок 5.1.6: Білки на вилці реплікації

    Вищеописані кроки по суті завершують процес реплікації ДНК. На малюнку 5.1.6 показана вилка реплікації в комплекті з асоційованими білками, які утворюють реплісому.

    • Забезпечення точності при копіюванні такої кількості інформації

    Наскільки точним є копіювання інформації в ДНК ДНК-полімеразою? Як ви знаєте, зміни послідовності ДНК (мутації) можуть змінити амінокислотну послідовність закодованих білків і що це часто, хоча і не завжди, шкідливо для функціонування організму. Коли мільярди основ ДНК копіюються під час реплікації, як клітини гарантують, що щойно синтезована ДНК є вірною копією вихідної інформації?

    ДНК-полімерази, як ми вже зазначали раніше, працюють швидко (в середньому 50 основ в секунду в клітині людини і до 20 разів швидше в кишковій паличці). Тим не менш, як людські, так і бактеріальні клітини, здається, відтворюють свою ДНК досить точно. Це пов'язано з функцією коректури ДНК-полімераз. Функція коректури ДНК-полімерази дозволяє полімеразі виявляти, коли неправильне підставу було вставлено поперек від шаблонної нитки, повернути назад і видалити помилково вставлену основу. Це можливо тому, що полімераза є ферментом подвійної функції. Він може розширити ланцюг ДНК завдяки своїй активності полімерази від 5 до 3 футів, але він також може відслідковувати та видаляти останню вставлену основу, оскільки вона має активність екзонуклеази від 3 до 5 '(екзонуклеаза - це фермент, який видаляє основи по черзі з кінців нуклеїнових кислот). Екзонуклеазна активність ДНК-полімерази дозволяє їй висікати неправильно вставлену основу, після чого полімеразна активність вставляє правильну основу і переходить до подовження пасма.

    Іншими словами, ДНК-полімераза відстежує власну точність (також називається її вірністю), оскільки вона робить нову ДНК, виправляючи помилки безпосередньо перед тим, як перейти до додавання наступної бази. Цей механізм, який діє під час реплікації ДНК, виправляє багато помилок у міру їх виникнення, зменшуючи приблизно в 100 разів помилки, допущені при копіюванні ДНК.

    Дописувачі