7.2: Напівконсервативна реплікація ДНК

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3508

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

Реплікація ДНК схожа на транскрипцію в своїй найбільш загальній ідеї: фермент полімерази зчитує нитку ДНК по одному нуклеотиду за раз, він бере випадковий нуклеотид з нуклеоплазми, і якщо він доповнює нуклеотид в ДНК, полімераза додає його до нової нитки, яку вона створює. Звичайно, існують значні відмінності між реплікацією та транскрипцією, не останнє з яких полягає в тому, що обидві нитки ДНК читаються одночасно, щоб створити дві нові взаємодоповнюючі нитки, які в кінцевому підсумку призведуть до повної та майже ідеальної копії цілого органімального генома. .

Знімок екрана 2018-12-23 в 8.19.48 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{7}\). Реплікація ДНК. До відкриття ферментів, що беруть участь у реплікації, було запропоновано три загальних механізми. При консервативній реплікації оригінальні нитки ДНК залишаються асоційованими один з одним, тоді як новоспечена ДНК утворює власну подвійну спіраль. Напівконсервативна реплікація стверджує створення гібридних старих нових подвійних спіралей. Дисперсійною реплікацією запропоновані молекули, що складаються з рандомізованих фрагментів подвійної старої і подвійно-нової ДНК.

Одне з найважливіших понять реплікації ДНК полягає в тому, що це напівконсервативний процес (рис.\(\PageIndex{7}\)). Це означає, що кожна подвійна спіраль в новому поколінні організму складається з однієї повної «старої» пасма і однієї повної «нової» пасма, намотаної один на одного. Це на відміну від двох інших можливих моделей реплікації ДНК, консервативної моделі та дисперсійної моделі. Консервативний механізм реплікації передбачає, що стара ДНК використовується лише як шаблон і не включається в нову подвійну спіраль. Таким чином, нова клітина має одну абсолютно нову подвійну спіраль і одну повністю стару подвійну спіраль. Дисперсійна модель реплікації розміщує кінцевий продукт, в якому кожна подвійна спіраль ДНК являє собою суміш фрагментів старої і нової ДНК. У світлі сучасних знань важко уявити дисперсійний механізм, але в той час механістичних моделей взагалі не було. Експерименти Месельсона-Шталя (1958) наочно продемонстрували, що механізм повинен бути напівконсервативним, і це було підтверджено після того, як ключові ферменти були виявлені та з'ясовані їх механізми.

В експериментах Месельсона-Шталя кишкова паличка вперше інкубували з ¹⁵ N, важким ізотопом азоту. Хоча це лише різниця в масі одного нейтрона на атом, існує досить велика різниця в масі між важкою азотсодержащей ДНК (в пуринових і піримідинових основах) і світлою/нормальною азотсодержащей ДНК, що вони можуть бути відокремлені один від одного шляхом ультрацентрифугування через CScL градієнт концентрації (рис.\(\PageIndex{7}\)).

Понад 14 поколінь це призвело до популяції кишкової палички, яка мала важкий азот, включений у всю ДНК (показано синім кольором). Потім бактерії вирощують на один-два поділи в «легкому» азоті, ¹⁴ Н. Коли ДНК з бактеріальних популяцій досліджувалася шляхом центрифугування, було встановлено, що замість легкої ДНК і важкої ДНК, як і слід було б очікувати, якби реплікації ДНК були консервативними, була єдина смуга в і проміжне положення на ухилі. Це підтримує напівконсервативну модель, в якій кожна нитка оригінальної ДНК не тільки діє як шаблон для створення нової ДНК, вона сама включена в нову подвійну спіраль.