9.2: Replication DNA

Kiini kinapogawanyika, ni muhimu kwamba kila kiini cha binti kinapokea nakala inayofanana ya DNA. Hii inakamilika na mchakato wa replication ya DNA. Kuiga kwa DNA hutokea wakati wa awamu ya awali, au awamu ya S, ya mzunguko wa seli, kabla ya kiini kuingia mitosis au meiosis.

Ufafanuzi wa muundo wa helix mara mbili ulitoa hint kuhusu jinsi DNA inakiliwa. Kumbuka kwamba nucleotides ya adenine jozi na nucleotides ya thymine, na cytosine na guanine. Hii ina maana kwamba vipande viwili vinaongezea kila mmoja. Kwa mfano, kamba ya DNA yenye mlolongo wa nucleotide wa AGTCATGA itakuwa na kamba ya ziada na mlolongo wa TCAGTACT (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Vipande viwili vya DNA ni vya ziada, maana ya mlolongo wa besi katika kamba moja inaweza kutumika kuunda mlolongo sahihi wa besi katika kamba nyingine.

Kwa sababu ya mshikamano wa vipande viwili, kuwa na kamba moja ina maana kwamba inawezekana kurejesha kamba nyingine. Mfano huu wa kuiga unaonyesha kwamba vipande viwili vya helix mara mbili hutofautiana wakati wa kuiga, na kila strand hutumika kama template ambayo strand mpya ya ziada inakiliwa (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Mfano wa semiconservative wa replication ya DNA unaonyeshwa. Grey inaonyesha DNA ya awali, na bluu inaonyesha DNA mpya synthesized.

Wakati wa replication ya DNA, kila moja ya vipande viwili vinavyotengeneza helix mara mbili hutumika kama template ambayo vipande vipya vinakiliwa. Kipande kipya kitakuwa cha ziada kwa mkondo wa wazazi au “wa zamani”. Kila kamba mpya ya mara mbili ina kamba moja ya wazazi na kamba moja mpya ya binti. Hii inajulikana kama replication semiconservative. Wakati nakala mbili za DNA zinaundwa, zina mlolongo sawa wa misingi ya nucleotide na imegawanywa sawa katika seli mbili za binti.

Replication DNA katika Eukaryotes

Kwa sababu jenomu za eukaryotiki ni ngumu sana, replication ya DNA ni mchakato mgumu sana unaohusisha enzymes kadhaa na protini nyingine. Inatokea katika hatua tatu kuu: uanzishwaji, upungufu, na kukomesha.

Kumbuka kwamba DNA ya eukaryotiki inafungwa na protini zinazojulikana kama histones kuunda miundo inayoitwa nucleosomes. Wakati wa uanzishwaji, DNA inapatikana kwa protini na enzymes zinazohusika katika mchakato wa kuiga. Je mashine replication kujua wapi juu ya DNA mara mbili helix kuanza? Inageuka kuwa kuna utaratibu maalum wa nucleotide unaoitwa asili ya replication ambayo replication huanza. Protini fulani hufunga kwa asili ya kuiga ilhali kimeng'enya kinachoitwa helikasi hufungua na kufungua helix ya DNA. Kama DNA inafungua, miundo yenye umbo la Y inayoitwa uma za replication huundwa (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Mbili uma replication ni sumu katika asili ya replication, na hizi kupata kupanuliwa katika pande zote mbili kama replication kuendelea. Kuna asili nyingi za kuiga kwenye kromosomu ya eukaryotiki, kama vile kuiga kunaweza kutokea wakati huo huo kutoka sehemu kadhaa katika jenomu.

Wakati wa elongation, enzyme inayoitwa DNA polymerase inaongeza nucleotidi ya DNA hadi mwisho wa 3' wa template. Kwa sababu DNA polymerase inaweza tu kuongeza nucleotides mpya mwishoni mwa uti wa mgongo, mlolongo wa primer, ambayo hutoa hatua hii ya mwanzo, huongezwa na nyukleotidi za ziada za RNA. Primer hii imeondolewa baadaye, na nucleotides hubadilishwa na nucleotides ya DNA. Kamba moja, ambayo ni nyongeza ya mkondo wa DNA ya wazazi, hutengenezwa kwa kuendelea kuelekea uma ya replication hivyo polymerase inaweza kuongeza nucleotides katika mwelekeo huu. Kamba hii inayoendelea synthesized inajulikana kama strand inayoongoza. Kwa sababu DNA polimerasi inaweza tu kuunganisha DNA katika mwelekeo wa 5' hadi 3', strand nyingine mpya huwekwa pamoja katika vipande vifupi vinavyoitwa vipande vya Okazaki. Vipande vya Okazaki kila huhitaji primer iliyofanywa na RNA ili kuanza awali. The strand na vipande Okazaki inajulikana kama strand lagging. Kama awali inavyoendelea, enzyme huondoa primer ya RNA, ambayo inabadilishwa na nucleotidi ya DNA, na mapungufu kati ya vipande yanatiwa muhuri na enzyme inayoitwa DNA ligase.

Mchakato wa replication ya DNA unaweza kufupishwa kama ifuatavyo:

1. DNA unwinds katika asili ya replication.
2. Msingi mpya huongezwa kwa vipande vya wazazi wa ziada. Kamba moja mpya inafanywa kwa kuendelea, wakati strand nyingine inafanywa vipande vipande.
3. Primers huondolewa, nucleotidi mpya za DNA zinawekwa mahali pa primers na uti wa mgongo umefungwa na ligase ya DNA.

UHUSIANO WA S

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Fomu ya replication inaundwa na ufunguzi wa asili ya replication, na helicase hutenganisha vipande vya DNA. Primer RNA ni synthesized, na ni elongated na DNA polymerase. Juu ya strand inayoongoza, DNA inaunganishwa kwa kuendelea, wakati kwenye kamba iliyopungua, DNA inatengenezwa kwa muda mfupi. Vipande vya DNA vinaunganishwa na ligase ya DNA (haijaonyeshwa).

Unajitenga aina ya seli ambayo kujiunga pamoja na vipande vya Okazaki hakuharibika na kudhani kuwa mabadiliko yamefanyika katika enzyme iliyopatikana kwenye uma ya kuiga. Ni enzyme ipi inayoweza kubadilishwa?

Telomere replication

Kwa sababu kromosomu za eukaryotiki ni linear, replication ya DNA inakuja mwisho wa mstari katika kromosomu za eukaryotiki. Kama umejifunza, enzyme ya DNA polymerase inaweza kuongeza nucleotides katika mwelekeo mmoja tu. Katika strand inayoongoza, awali inaendelea hadi mwisho wa kromosomu ufikiwe; hata hivyo, juu ya strand iliyobaki hakuna nafasi ya primer kufanywa kwa kipande cha DNA kinakiliwa mwishoni mwa kromosomu. Hii inatoa tatizo kwa kiini kwa sababu mwisho bado unpaired, na baada ya muda hizi mwisho kupata kuendelea mfupi kama seli kuendelea kugawanya. Mwisho wa chromosomes linear hujulikana kama telomeres, ambazo zina utaratibu wa kurudia ambao hauna msimbo kwa jeni fulani. Kwa sababu hiyo, ni telomeres zinazofupishwa na kila duru ya replication ya DNA badala ya jeni. Kwa mfano, kwa wanadamu, mlolongo sita wa msingi wa jozi, TTAGGG, hurudiwa mara 100 hadi 1000. Ugunduzi wa telomerase ya enzyme (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)) ilisaidia katika kuelewa jinsi mwisho wa chromosome huhifadhiwa. Telomerase inaunganisha mwisho wa chromosome, na misingi ya ziada kwenye template ya RNA huongezwa mwishoni mwa kamba ya DNA. Mara baada ya template ya strand iliyopungua kwa kutosha, DNA polymerase inaweza sasa kuongeza nucleotides ambazo zinaongezea mwisho wa chromosomes. Hivyo, mwisho wa chromosomes huigwa.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Mwisho wa chromosomes linear huhifadhiwa na hatua ya enzyme ya telomerase.

Telomerase ni kawaida hupatikana kuwa hai katika seli za vijidudu, seli za shina za watu wazima, na seli za kansa. Kwa ugunduzi wake wa telomerase na hatua yake, Elizabeth Blackburn (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)) alipokea Tuzo ya Nobel ya Tiba na Physiolojia mwaka 2009.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Elizabeth Blackburn, 2009 Tuzo ya Nobel, alikuwa mwanasayansi ambaye aligundua jinsi telomerase inavyofanya kazi. (mikopo: Ubalozi wa Marekani, Stockholm, Sweden)

Telomerase haifanyi kazi katika seli za somatic za watu wazima. Seli za somatic za watu wazima zinazoingia katika mgawanyiko wa seli zinaendelea kuwa na telomeres zao zilizofupishwa Hii kimsingi ina maana kwamba telomere kufupisha ni kuhusishwa na kuzeeka. Mwaka 2010, wanasayansi waligundua kwamba telomerase inaweza kubadili hali fulani zinazohusiana na umri katika panya, na hii inaweza kuwa na uwezo katika dawa regenerative. Panya ¹ za upungufu wa Telomerase zilitumika katika tafiti hizi; panya hawa wana atrophy ya tishu, kupungua kwa seli ya shina, kushindwa kwa mfumo wa chombo, na majibu ya kuumia kwa tishu yasiyoharibika. Telomerase reactivation katika panya hizi ilisababisha ugani wa telomeres, kupunguza uharibifu wa DNA, kuachwa neurodegeneration, na kuboresha utendaji wa majaribio, wengu, na matumbo. Hivyo, reactivation telomere inaweza kuwa na uwezo wa kutibu magonjwa yanayohusiana na umri kwa wanadamu.

Replication DNA katika Prokaryotes

Kumbuka kwamba kromosome ya prokaryotic ni molekuli ya mviringo yenye muundo mdogo wa coiling kuliko chromosomes ya eukaryotic. Chromosome ya eukaryotic ni linear na yenye coiled karibu na protini. Ingawa kuna kufanana nyingi katika mchakato wa kuiga DNA, tofauti hizi za kimuundo zinahitaji tofauti fulani katika mchakato wa kuiga DNA katika aina hizi mbili za maisha.

Replication DNA imekuwa vizuri sana alisoma katika prokaryotes, hasa kwa sababu ya ukubwa mdogo wa genome na idadi kubwa ya variants inapatikana. Escherichia coli ina jozi za msingi milioni 4.6 katika kromosomu moja ya mviringo, na yote hupata kuigwa kwa takriban dakika 42, kuanzia asili moja ya kuiga na kuendelea kuzunguka kromosomu katika pande zote mbili. Hii ina maana kwamba takriban 1000 nucleotides huongezwa kwa pili. Mchakato huu ni wa haraka zaidi kuliko eukaryotes. \(\PageIndex{1}\)Jedwali linafupisha tofauti kati ya replications prokaryotic na eukaryotic.

Jedwali\(\PageIndex{1}\): Tofauti kati ya replications Prokaryotic na Eukaryotic

Mali	Prokaryotes	Eukaryotes
Mwanzo wa replication	Single	Multiple
Kiwango cha kuiga	1000 nucleotides/s	50 hadi 100 nucleotides/s
Muundo wa kromosomu	mviringo	ya mistari
Telomerase	Sio sasa	Sasa

DHANA KATIKA HATUA

Bonyeza kupitia mafunzo juu ya replication DNA.

Ukarabati wa DNA

DNA polymerase inaweza kufanya makosa wakati wa kuongeza nyukleotidi. Inahariri DNA kwa kusahihisha kila msingi mpya ulioongezwa. Msingi usio sahihi huondolewa na kubadilishwa na msingi sahihi, na kisha upolimishaji unaendelea (Kielelezo\(\PageIndex{6}\) a). Makosa mengi yanarekebishwa wakati wa kuiga, ingawa wakati hii haitoke, utaratibu wa kutengeneza kutofautiana umeajiriwa. Mismatch kukarabati Enzymes kutambua kimakosa kuingizwa msingi na ushuru kutoka DNA, badala yake na msingi sahihi (Kielelezo\(\PageIndex{6}\) b). Katika aina nyingine ya kukarabati, ukarabati wa nucleotide excision, DNA mara mbili strand haijulikani na kutengwa, besi sahihi huondolewa pamoja na misingi machache kwenye mwisho wa 5 'na 3', na hizi hubadilishwa kwa kuiga template kwa msaada wa DNA polymerase (Kielelezo\(\PageIndex{6}\) c). Ukarabati wa uchangamfu wa Nucleotide ni muhimu hasa katika kurekebisha dimers ya thymine, ambayo husababishwa na mwanga wa ultraviolet. Katika dimer ya thymine, nucleotides mbili za thymine karibu na kila mmoja kwenye kamba moja zinaunganishwa kwa kila mmoja badala ya misingi yao ya ziada. Ikiwa dimer haijaondolewa na kutengenezwa itasababisha mabadiliko. Watu walio na makosa katika jeni zao za ukarabati wa nucleotide zinaonyesha unyeti mkubwa kwa jua na kuendeleza saratani za ngozi mapema katika maisha.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Proofreading na DNA polymerase (a) hurekebisha makosa wakati wa kuiga. Katika ukarabati wa kutofautiana (b), msingi usioongezwa kwa usahihi hugunduliwa baada ya kuiga. Protini za kutengeneza kutofautiana hugundua msingi huu na kuiondoa kwenye kamba mpya iliyopangwa na hatua ya nuclease. Pengo sasa linajazwa na msingi uliounganishwa kwa usahihi. Nucleotide excision (c) matengenezo ya thymine dimers. Unapoonekana kwa UV, thymines amelala karibu na kila mmoja inaweza kuunda dimers ya thymine. Katika seli za kawaida, wao ni excised na kubadilishwa.

Makosa mengi yanarekebishwa; kama haipo, yanaweza kusababisha mutation-inayofafanuliwa kama mabadiliko ya kudumu katika mlolongo wa DNA. Mabadiliko katika jeni za kutengeneza yanaweza kusababisha madhara makubwa kama kansa.

Muhtasari

DNA inaiga kwa njia ya nusu ya kihafidhina ambayo kila moja ya vipande viwili vya DNA vya wazazi hufanya kama template ya DNA mpya ili kuunganishwa. Baada ya kuiga, kila DNA ina moja ya wazazi au “zamani” strand, na binti moja au “mpya” strand.

Replication katika eukaryotes huanza katika asili mbalimbali ya replication, wakati replication katika prokaryotes huanza kutoka asili moja ya replication. DNA inafunguliwa na enzymes, na kusababisha kuundwa kwa uma ya replication. Primase huunganisha primer ya RNA ili kuanzisha awali na polymerase ya DNA, ambayo inaweza kuongeza nucleotides katika mwelekeo mmoja tu. Kamba moja hutengenezwa kwa kuendelea katika mwelekeo wa uma ya replication; hii inaitwa strand inayoongoza. Kamba nyingine hutengenezwa katika mwelekeo mbali na uma wa kuiga, katika vipande vifupi vya DNA inayojulikana kama vipande vya Okazaki. Strand hii inajulikana kama strand ya lagging. Mara baada ya replication kukamilika, primers RNA ni kubadilishwa na nucleotidi DNA na muhuri na DNA ligase.

Mwisho wa chromosomes ya eukaryotic husababisha tatizo, kama polymerase haiwezi kupanua bila primer. Telomerase, enzyme yenye template ya RNA iliyoingizwa, inaongeza mwisho kwa kuiga template ya RNA na kupanua mwisho mmoja wa chromosome. DNA polymerase inaweza kisha kupanua DNA kwa kutumia primer. Kwa njia hii, mwisho wa chromosomes huhifadhiwa. Viini vina taratibu za kutengeneza DNA inapoharibika au makosa yanafanywa kwa kuiga. Njia hizi ni pamoja na kutengeneza kutofautiana kuchukua nafasi ya nucleotides ambazo zimeunganishwa na msingi usio wa ziada na ukarabati wa nucleotide excision, ambayo huondoa besi zilizoharibiwa kama vile dimers ya thymine.

Sanaa Connections

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Unajitenga aina ya seli ambayo kujiunga pamoja na vipande vya Okazaki hakuharibika na mtuhumiwa kuwa mabadiliko yamefanyika katika enzyme iliyopatikana kwenye uma ya replication. Ni enzyme ipi inayoweza kubadilishwa?

Jibu

Ligase, kama enzyme hii inajiunga pamoja vipande vya Okazaki.

maelezo ya chini

1. 1 Mariella Jaskelioff, et al., “Telomerase reactivation reactivation reverses tishu kuzorota katika umri wa miaka telomerase upungufu panya,” Nature, 469 (2011) :102—7.

faharasa

DNA ligase

enzyme ambayo huchochea kujiunga kwa vipande vya DNA pamoja

DNA polymerase

enzyme ambayo huunganisha kamba mpya ya DNA inayoongezea kamba ya template

helikasi

enzyme ambayo husaidia kufungua helix ya DNA wakati wa replication ya DNA kwa kuvunja vifungo vya hidrojeni

strand lagging

wakati wa replication ya strand 3' hadi 5', strand kwamba ni kuigwa katika vipande mfupi na mbali na uma replication

kuongoza strand

strand ambayo ni synthesized kuendelea katika 5' kwa 3' mwelekeo kwamba ni synthesized katika mwelekeo wa replication uma

kutolingana kukarabati

aina ya ukarabati wa DNA ambayo nucleotides zisizo za ziada zinatambuliwa, zinasisimuliwa, na kubadilishwa na nucleotides sahihi

mabadiliko

tofauti ya kudumu katika mlolongo wa nucleotide wa genome

ukarabati wa ukarabati wa nucleotide

aina ya kutengeneza DNA, ambapo molekuli ya DNA haijulikani na kutengwa katika kanda ya uharibifu wa nucleotide, nyukleotidi zilizoharibiwa zinaondolewa na kubadilishwa na nucleotidi mpya kwa kutumia kamba ya ziada, na kamba ya DNA inafungwa tena na kuruhusiwa kujiunga tena

Okazaki vipande

vipande vya DNA ambavyo vinatengenezwa kwa muda mfupi kwenye kamba iliyopungua

kwanza

kunyoosha fupi ya nucleotides ya RNA ambayo inahitajika kuanzisha replication na kuruhusu DNA polymerase kumfunga na kuanza replication

uma ya kuiga

muundo wa Y-umbo uliojengwa wakati wa kuanzishwa kwa replication

replication semiconservative

njia inayotumiwa kuiga DNA ambayo molekuli ya mara mbili-stranded hutenganishwa na kila strand hufanya kama template kwa strand mpya ili kuunganishwa, hivyo molekuli za DNA zinazosababisha zinajumuisha kamba moja mpya ya nucleotides na kamba moja ya zamani ya nucleotides

telomerase

enzyme ambayo ina sehemu ya kichocheo na template ya RNA iliyoingizwa; inafanya kazi ili kudumisha telomeres kwenye mwisho wa chromosome

telomere

DNA mwishoni mwa chromosomes linear

Wachangiaji na Majina

• Template:ContribOpenStaxConcepts