Зачем реплицировать ДНК?
ДНК – это генетический материал, который определяет каждую клетку. Прежде чем клетка произведет дублирование и разделится на новые дочерние клетки посредством митоза или мейоза, биомолекулы и органеллы должны быть скопированы для распределения между клетками. ДНК, обнаруженная в ядре, должна реплицироваться, чтобы гарантировать, что каждая новая клетка получит правильное количество хромосом. Процесс дублирования ДНК называется репликацией ДНК . Репликация состоит из нескольких этапов, в которых задействованы несколько белков, называемых ферментами репликации и РНК. В эукариотических клетках, таких как клетки животных и клетки растений, репликация ДНК происходит в S-фазе интерфазы во время клеточного цикла. Процесс репликации ДНК жизненно важен для роста, восстановления и размножения клеток в организмах.
Ключевые выводы
- Дезоксирибонуклеиновая кислота, широко известная как ДНК, представляет собой нуклеиновую кислоту, которая состоит из трех основных компонентов: дезоксирибозного сахара, фосфата и азотистого основания.
- Поскольку ДНК содержит генетический материал для организма, важно, чтобы он копировался, когда клетка делится на дочерние клетки. Процесс копирования ДНК называется репликацией.
- Репликация включает производство идентичных спиралей ДНК из одной двухцепочечной молекулы ДНК.
- Ферменты жизненно важны для ДНК. репликации, поскольку они катализируют очень важные шаги в этом процессе.
- Общий процесс репликации ДНК чрезвычайно важен как для роста клеток, так и для размножения организмов. Это также жизненно важно в процессе восстановления клеток.
Структура ДНК
ДНК или дезоксирибонуклеиновая кислота является одним из видов молекула, известная как нуклеиновая кислота. Он состоит из 5-углеродного дезоксирибозного сахара, фосфата и азотистого основания. Двухцепочечная ДНК состоит из двух спиральных цепей нуклеиновых кислот, скрученных в форму двойной спирали. Такое скручивание позволяет ДНК быть более компактной. Чтобы поместиться в ядре, ДНК упакована в плотно свернутые структуры, называемые хроматином. Хроматин конденсируется с образованием хромосом во время деления клетки. Перед репликацией ДНК хроматин разрыхляется, предоставляя механизмам репликации клеток доступ к цепям ДНК.
Подготовка к репликации
Шаг 1. Репликация Формирование вилки
Перед тем, как ДНК сможет реплицироваться, двухцепочечная молекула должна быть «распакована» на две одинарные цепи. ДНК имеет четыре основания: аденин (A) , тимин (T) , цитозин (C) и guanine (G) , образующие пары между двумя нитями. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин связывается только с гуанином. Чтобы раскрутить ДНК, эти взаимодействия между парами оснований должны быть нарушены. Это выполняется ферментом, известным как ДНК геликаза .. ДНК-геликаза разрушает водородные связи между парами оснований, разделяя нити в Y-образную форму, известную как репликационная вилка . Эта область будет шаблоном для начала репликации.
ДНК направлена в обеих цепях, что обозначено 5 ‘и 3’ концом. Это обозначение означает, какая боковая группа присоединена к остову ДНК. К 5′-концу присоединена фосфатная (P) группа, а к 3′-концу присоединена гидроксильная (OH) группа. Эта направленность важна для репликации, поскольку она прогрессирует только в направлении от 5 футов до 3 дюймов. Однако вилка репликации двунаправлена; одна прядь ориентирована в направлении 3 ‘на 5’ (ведущая прядь) , а другая – от 5 ‘на 3’ (отстающая прядь) . Таким образом, две стороны реплицируются с помощью двух разных процессов, чтобы учесть разницу в направлениях.
Репликация начинается
Шаг 2: Привязка праймера
Ведущую нить проще всего воспроизвести. После разделения цепей ДНК короткий кусок РНК, называемый праймером , связывается с 3 ‘концом цепи. Праймер всегда связывается в качестве отправной точки для репликации. Праймеры генерируются ферментом ДНК-примазой .
Репликация ДНК: удлинение
Шаг 3: удлинение
Ферменты, известные как ДНК-полимеразы несут ответственность за создание новой цепи посредством процесса, называемого удлинением. Существует пять различных известных типов ДНК-полимераз в бактериях и клетках человека. У бактерий, таких как E. coli, полимераза III является основным ферментом репликации, а полимераза I, II, IV и V отвечает за проверку и исправление ошибок. ДНК-полимераза III связывается с цепью на участке праймера и начинает добавлять новые пары оснований, комплементарные цепи во время репликации. В эукариотических клетках полимеразы альфа, дельта и эпсилон являются первичными полимеразами, участвующими в репликации ДНК. Поскольку репликация происходит в направлении от 5 ‘к 3’ на ведущей цепи, вновь образованная цепь является непрерывной.
Отстающая цепь начинает репликацию путем связывания с несколькими грунтовки. Каждый праймер разделяет всего несколько оснований. Затем ДНК-полимераза добавляет к цепи между праймерами фрагменты ДНК, называемые фрагментами Окадзаки . Этот процесс репликации является прерывистым, поскольку вновь созданные фрагменты разъединяются.
Шаг 4: Завершение
После того, как сформированы непрерывные и прерывистые цепи, фермент, называемый экзонуклеаза удаляет все праймеры РНК из исходных цепей. Затем эти праймеры заменяются соответствующими основаниями.. Другая экзонуклеаза «корректирует» вновь образованную ДНК, чтобы проверить, удалить и заменить любые ошибки. Другой фермент, называемый ДНК-лигазой , соединяет фрагменты Окадзаки вместе, образуя единую цепь. Концы линейной ДНК представляют проблему, поскольку ДНК-полимераза может добавлять нуклеотиды только в направлении от 5 ‘к 3’. Концы родительских цепей состоят из повторяющихся последовательностей ДНК, называемых теломерами. Теломеры действуют как защитные колпачки на концах хромосом, чтобы предотвратить слияние соседних хромосом. Особый тип фермента ДНК-полимеразы, называемый теломеразой , катализирует синтез последовательностей теломер на концах ДНК. После завершения родительская цепь и ее комплементарная цепь ДНК сворачиваются в знакомую форму двойной спирали. В конце концов, репликация дает две молекулы ДНК, каждая с одной цепью от родительской молекулы и одной новой цепью.
Ферменты репликации
Репликация ДНК не могла бы происходить без ферментов, которые катализируют различные этапы процесса. . Ферменты, которые участвуют в процессе репликации эукариотической ДНК, включают:
- ДНК-геликаза – раскручивает и разделяет двухцепочечную ДНК по мере ее движения по ДНК. Он формирует репликационную вилку, разрывая водородные связи между парами нуклеотидов в ДНК.
- ДНК-примаза – тип РНК-полимеразы, которая генерирует праймеры РНК. Праймеры – это короткие молекулы РНК, которые действуют как шаблоны для начальной точки репликации ДНК.
- ДНК-полимеразы – синтезируют новые молекулы ДНК, добавляя нуклеотиды к ведущей и отстающей ДНК. нити.
- Топоизомераза или ДНК-гираза – раскручивает и перематывает нити ДНК для предотвращения запутывания или сверхспирализации ДНК.
- Экзонуклеазы – группа ферментов, удаляющих нуклеотидные основания с конца цепи ДНК.
- ДНК-лигаза – объединяет фрагменты ДНК вместе, образуя фосфодиэфирные связи между нуклеотидами.
Сводка репликации ДНК
Репликация ДНК – это получение идентичных спиралей ДНК из одной двухцепочечной ДНК. молекула. Каждая молекула состоит из цепи исходной молекулы и вновь образованной цепи. Перед репликацией ДНК разматывается, и нити разделяются. Формируется репликационная вилка, которая служит шаблоном для репликации. Праймеры связываются с ДНК, и ДНК-полимеразы добавляют новые нуклеотидные последовательности в направлении от 5 ‘к 3’.
Это добавление непрерывно в ведущей цепи и фрагментируется в отстающей цепи.. После завершения удлинения цепей ДНК цепи проверяются на наличие ошибок, производится ремонт и к концам ДНК добавляются теломерные последовательности.
Источники
- Рис, Джейн Б. и Нил А. Кэмпбелл. Биология Кэмпбелла . Бенджамин Каммингс, 2011.
