REPLICAREA ADN-ULUI: MECANISME, ÎN PROCARIOTE ȘI EUCARIOTE - BIOLOGIE - 2025

Replicarea ADN - ului (acid dezoxiribonucleic) este de a copia genomul, adică toate informațiile genetice în ADN - ul unui organism pentru a produce două copii identice. Genomul are informațiile necesare pentru a construi un organism complet.

Înainte de divizarea celulară, are loc replicarea ADN-ului. Prin meioză, gametii sunt produși pentru reproducerea sexuală. Prin mitoză, apare înlocuirea celulelor (de exemplu, pielea și sângele) și dezvoltarea (de exemplu, țesuturi și organe).

Sursa: Eu, Madprime

Cunoașterea structurii ADN-ului ne permite să înțelegem cum apare replicarea lui. Structura ADN-ului este formată dintr-o dublă helix, compusă din două lanțuri antiparalele de nucleotide succesive, ale căror baze azotate se completează reciproc într-un mod specific.

În timpul replicării, fiecare catena a dublei catene a ADN-ului acționează ca un șablon pentru biosinteza unei catene noi. Cele două lanțuri nou sintetizate au baze complementare bazelor lanțului șablon: adenină (A) cu timină (T) și citozină (C) cu guanină (G).

În replicarea ADN-ului sunt implicate diverse enzime și proteine. De exemplu, deschiderea dublei helice a ADN-ului, menținerea ADN-ului deschis și adăugarea dezoxiribonucleozidelor-5'-trifosfat (dNTP) pentru a forma noua catena.

Replicarea ADN-ului este semi-conservatoare

Pe baza structurii ADN-ului, Watson și Crick au propus ca replicarea ADN-ului să aibă loc semiconservativ. Acest lucru a fost demonstrat de Meselson și Stahl prin marcarea ADN-ului Escherichia coli cu izotopul greu de azot, ¹⁵ N, urmând modelul de distribuție într-un mediu de cultură cu azot ușor, ¹⁴ N pentru câteva generații .

Meselson și Stahl au descoperit că, în prima generație, cele două molecule de ADN fiice aveau fiecare moleculă marcată cu un lanț cu izotopul greu de azot și o alta cu izotopul ușor. Spre deosebire de molecula ADN-ului părinte, care avea ambele șuvițe marcate cu izotopul greu, ¹⁵ N.

În a doua generație, 50% din moleculele de ADN au fost ca cele din prima generație, iar celălalt 50% a avut doar azot ușor. Interpretarea acestui rezultat este aceea că dubla helix fiică are un lanț părinte (care funcționează ca un șablon) și un nou lanț.

Mecanismul de replicare semi-conservator implică separarea catenelor ADN și asocierea bazelor complementare prin împerecherea succesivă a nucleotidelor, producând două elice duble fiice.

Replicarea bateriei

Inițierea replicării ADN-ului în bacterii

ADN-ul bacterian este format dintr-un cromozom circular și are un singur loc de origine al replicării. Din acest site, biosinteza celor două lanțuri fiice are loc bidirecțional, formând două furci de replicare care se deplasează în direcții opuse originii. La final, părul de păr se întâlnește, completând replicarea.

Replicarea începe cu legarea proteinelor DnaA la locul de origine. Aceste proteine ​​la rândul lor formează un complex. Apoi, proteinele HU și IHF se unesc, printre altele, care pliază ADN-ul, determinând separarea celor două catene de ADN într-o regiune bogată în timină și adenină.

În continuare, proteinele DNaC se leagă, ceea ce face ca elicazele ADN să se lege. Ele ajută la desfășurarea ADN-ului și la ruperea legăturilor de hidrogen, formate între perechile de baze. Deci cele două lanțuri sunt separate în continuare, formând două lanțuri simple.

Topoizomeraza II, sau ADN girasa, se deplasează în fața elicozei ADN-ului, scăzând suprapunerile pozitive. Proteinele cu legătură unică (SSB) cu ADN monocatenare țin cablurile de ADN separate. Astfel, poate începe biosinteza lanțului fiic.

Biosinteza catenelor ADN fiice din bacterii

Enzima primază este responsabilă pentru sintetizarea lanțurilor ARN scurte numite primer, care au 10-15 nucleotide. ADN-polimeraza începe să adauge 5'-trifosfat deoxinucleozide (dNTPs) la capătul 3'-OH al zahărului primar, după care firul continuă să crească de la același capăt.

Deoarece catenele ADN sunt antiparalele, un primer este sintetizat pe catenă lider și mulți primer pe catena de întârziere. Din această cauză, biosinteza lanțului întârziat este discontinuă. Deși catenele ADN sunt antiparalele, furculita de replicare se mișcă într-o singură direcție.

ADN-polimeraza este responsabilă pentru formarea legăturilor covalente între nucleotidele adiacente ale lanțurilor nou sintetizate, pe direcția 5'®3 '. În E. coli, există cinci ADN polimeraze: ADN polimerazele I și III efectuează replicarea ADN-ului; și ADN polimerazele II, IV și V sunt responsabile de repararea și replicarea ADN-ului deteriorat.

Cea mai mare parte a replicării este realizată de ADN-polimerază III, care este o holoenzimă care are 10 subunități diferite cu diferite funcții în replicarea ADN-ului. De exemplu, subunitatea alfa este responsabilă pentru realizarea legăturilor dintre nucleotide.

Un complex de enzime este responsabil de replicarea ADN-ului în bacterii

ADN helicazul și primasa se unesc pentru a forma un complex numit primosom. Aceasta se deplasează de-a lungul ADN-ului, acționând într-un mod coordonat pentru a separa cele două șiruri parentale, sintetizând primerii fiecare anumit interval pe catena întârziată.

Primozomul se leagă fizic de ADN-ul polimerazei III și formează replisomul. Două ADN polimeraze III sunt responsabile de replicarea ADN-ului ghidului și a lanțurilor întârziate. În ceea ce privește ADN-polimeraza III, catena întârziată formează o buclă spre exterior, ceea ce permite adăugarea de nucleotide la această catena să se producă în aceeași direcție cu catena conducătoare.

Adăugarea de nucleotide la lanțul lider este continuă. În timp ce în întârziere este discontinuă. Fragmente se formează 150 nucleotide în lungime, numite fragmente Okazaki.

Activitatea exonucleazei 5 '-> 3' a ADN-polimerazei I este responsabilă de eliminarea primerilor și a umplerii, adăugând nucleotide. O enzimă ligază sigilează lacunele dintre fragmente. Replicarea se încheie când cele două cârlige de replicare se întâlnesc într-o secvență de încheiere.

Proteina Tus se leagă de secvența de terminare, oprind mișcarea furcii de replicare. Topoizomeraza II permite separarea celor doi cromozomi.

Deoxirribonucleotidul trifosfați sunt folosiți de ADN polimeraza

Deoxinucleozidul trifosfat (dNTP) conține trei grupe fosfat atașate la carbonul 5 'dezoxiriboză. DNTP-urile (dATP, dTTP, dGTP și dCTP) se leagă la lanțul de șabloane urmând regula AT / GC.

ADN-polimeraza catalizează următoarea reacție: Grupa 3 'hidroxil (-OH) a nucleotidei în creștere reacționează cu fosfatul alfa din dNTP-ul care intră, eliberând pirofosfat anorganic (PPi). Hidroliza PPi produce energia pentru formarea legăturii covalente sau a legăturii fosfodiester între nucleotidele lanțului în creștere.

Mecanisme care asigură fidelitatea replicării ADN-ului

În timpul replicării ADN, ADN polimeraza III face o greșeală cu 100 de milioane de nucleotide. Deși probabilitatea de eroare este foarte mică, există mecanisme care asigură fidelitatea în replicarea ADN-ului. Aceste mecanisme sunt:

1) Stabilitatea în perechea de bază. Energia de legare a hidrogenului între AT / GC este mai mare decât în ​​perechi de baze greșite.

2) Structura locului activ al ADN-polimerazei. ADN-polimeraza catalizează în mod preferențial joncțiunile nucleotidelor cu baze corecte pe catena opusă. O împerechere de bază proastă determină o distorsiune a dublei helice a ADN-ului, ceea ce împiedică nucleotida greșită să ocupe situsul activ al enzimei.

3) Test de citire. ADN-polimeraza identifică nucleotidele eronate încorporate și le îndepărtează de pe catena fiică. Activitatea de exonuclează a ADN-polimerazei rupe legăturile de fosfodiester între nucleotide la capătul 3 'al noii catene.

Replicarea ADN-ului în eucariote

Spre deosebire de replicarea în procariote, unde replicarea începe pe un singur site, replicarea în eucariote începe la mai multe site-uri de origine și furculita de replicare se mișcă bidirecțional. Ulterior, toate firele de păr de replicare se contopește, formând două cromatide surori unite la centromer.

Eucariotele posedă multe tipuri de ADN polimerază, ale căror nume folosesc litere grecești. ADN-polimeraza α formează un complex cu primază. Acest complex sintetizează primerii scurti constând din 10 nucleotide de ARN urmate de 20 până la 30 de nucleotide de ADN.

În continuare, ε sau δ ADN polimeraza catalizează alungirea catenelor fiice din primer. ADN-polimeraza ε este implicată în sinteza lanțului conducător, în timp ce ADN-polimeraza δ sintetizează lanțul retardat.

ADN-polimeraza δ alungă fragmentul Okazaki din stânga până când ajunge la grundul ARN din dreapta, producând un clapeta scurtă a primerului. Spre deosebire de procariote, unde o ADN polimerază îndepărtează primerul, în eucariote o enzimă Flap endonuclează îndepărtează primerul ARN.

Apoi, o ligază ADN sigilează fragmentele de ADN adiacente. Completarea replicării are loc odată cu disocierea proteinelor de furculita de replicare.

Replicarea ADN - ului in ciclul celular eucariot și

Replicarea în eucariote are loc în faza S a ciclului celular. Moleculele de ADN replicate sunt secretate în două celule fiice în timpul mitozei. Fazele G1 și G2 separă faza S și mitoza. Progresia prin fiecare fază a ciclului celular este foarte reglată de kinaze, fosfataze și proteaze.

În faza G1 a ciclului celular, complexul de recunoaștere a originii (OCR) se leagă de locul de origine. Aceasta induce legarea elicazelor MCM și a altor proteine, cum ar fi Cdc6 și Cdt1, pentru a forma un complex de prereplicare (preRC). Helicasa MCM se leagă de lanțul de ghidare.

În faza S, preRC devine un site de replicare activ. Proteinele OCR, Cdc6 și Cdt1 sunt eliberate, iar elicasa MCM se deplasează pe direcția 3 ′ la 5 ′. După terminarea replicării, aceasta va fi repornită în următorul ciclu de celule.

Replicarea capetelor cromozomilor în eucariote

Capetele cromozomilor sunt cunoscuți sub denumirea de telomere, care constau din secvențe repetate de tandem și o regiune de 3 'care iese în lungime de 12 până la 16 nucleotide.

ADN-polimeraza nu este în măsură să reproducă capătul 3 'al catenelor ADN. Acest lucru se datorează faptului că ADN-polimeraza poate sintetiza doar ADN-ul în direcția 5'-3 'și poate prelungi doar catenele preexistente, fără a putea să sintetizeze un primer în această regiune. În consecință, telomerele se scurtează cu fiecare rundă de replicare.

Enzima telomeraza previne scurtarea telomerelor. Telomeraza este o enzimă care posedă subunități proteice și ARN (TERC). Acesta din urmă se leagă de secvențele repetate ale ADN-ului și permite telomerazei să se lege la capătul 3 'al telomerei.

O secvență ARN din spatele locului de joncțiune funcționează ca un șablon pentru sinteza unei secvențe de șase nucleotide (polimerizare) la sfârșitul catenei ADN. Alungirea telomerilor este catalizată de subunități de telomerază, denumită transcriptază inversă a telomerazei (TERT).

După polimerizare, are loc translocarea, constând în mișcarea telomerazei către un nou capăt al lanțului ADN, care unește alte șase nucleotide până la sfârșit.

Funcțiile altor polimeraze ADN în eucariote

ADN-ul polimerazei β joacă un rol important în eliminarea bazelor incorecte din ADN, dar nu este implicat în replicarea ADN-ului.

Multe ADN polimeraze descoperite aparțin grupului de polimeraze „replicatoare-translezie”. Aceste polimeraze sunt responsabile de sinteza catene complementare într-o regiune a ADN-ului deteriorat.

Există mai multe tipuri de polimeraze „replicante-translezive”. De exemplu, ADN-polimeraza η se poate reproduce pe dimeri de timină, care sunt produse de lumina UV.

Replicarea ADN-ului în arhebacterii

Replicarea ADN-ului arhebacterial este similară cu cea din eucariote. Acest lucru se datorează următoarelor: 1) proteinele care participă la replicare sunt mai asemănătoare cu cele ale eucariotei decât cele ale procariotelor; și 2) deși există un singur loc de replicare, cum ar fi în procariote, secvența sa este similară cu locul de origine al eucariotelor.

Asemănarea în replicare între Archea și eucariote susține ideea că ambele grupuri sunt filogenetic mai mult legate între ele decât de procariote.

Referințe

1. Brooker, RJ 2018. Analiză și principii de genetică. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetică - de la gene la genomi. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Aspecte fundamentale ale replicării ADN-ului. Acces deschis InTech, Croația.
4. Lewis, R., 2015. Conceptele și aplicațiile de genetică umană. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetica - o abordare conceptuală. WH Freeman, New York.