14.4: Replication DNA katika Prokaryotes

Ujuzi wa Kuendeleza

• Eleza mchakato wa replication ya DNA katika prokaryotes
• Jadili jukumu la enzymes tofauti na protini katika kusaidia mchakato huu

Replication ya DNA imejifunza vizuri sana katika prokaryotes hasa kwa sababu ya ukubwa mdogo wa jenomu na mutants zinazopatikana. E. koli ina jozi za msingi milioni 4.6 katika kromosomu moja ya mviringo na yote hupata kuigwa katika takriban dakika 42, kuanzia asili moja ya kuiga na kuendelea kuzunguka mduara katika pande zote mbili. Hii ina maana kwamba takriban 1000 nucleotides huongezwa kwa pili. Mchakato huu ni wa haraka sana na hutokea bila makosa mengi.

Replication ya DNA inaajiri idadi kubwa ya protini na enzymes, ambayo kila mmoja ina jukumu muhimu wakati wa mchakato. Mmoja wa wachezaji muhimu ni enzyme DNA polymerase, pia inajulikana kama DNA pol, ambayo inaongeza nyukleotidi moja kwa moja kwa mlolongo wa DNA unaoongezeka ambao ni nyongeza ya kamba ya template. Kuongezewa kwa nucleotides inahitaji nishati; nishati hii inapatikana kutoka kwa nucleotides zilizo na phosphates tatu zilizounganishwa nao, sawa na ATP ambayo ina makundi matatu ya phosphate yaliyounganishwa. Wakati dhamana kati ya phosphates imevunjika, nishati iliyotolewa hutumiwa kuunda dhamana ya phosphodiester kati ya nucleotide inayoingia na mlolongo unaoongezeka. Katika prokaryotes, aina tatu kuu za polymerases zinajulikana: DNA pol I, DNA pol II, na DNA pol III. Sasa inajulikana kuwa DNA pol III ni enzyme zinazohitajika kwa ajili ya awali ya DNA; DNA pol I na DNA pol II kimsingi zinahitajika kwa ajili ya ukarabati.

Je, mashine ya replication inajuaje wapi kuanza? Inageuka kuwa kuna utaratibu maalum wa nucleotide unaoitwa asili ya replication ambapo replication huanza. Katika E. koli, ambayo ina asili moja ya kuiga kwenye kromosomu yake moja (kama inavyofanya prokaryotes nyingi), ni takriban jozi 245 za msingi kwa muda mrefu na ina matajiri katika utaratibu wa AT. Asili ya replication ni kutambuliwa na protini fulani ambazo hufunga kwenye tovuti hii. Enzyme inayoitwa helixase inafungua DNA kwa kuvunja vifungo vya hidrojeni kati ya jozi za msingi za nitrojeni. ATP hidrolisisi inahitajika kwa mchakato huu. Kama DNA inafungua, miundo yenye umbo la Y inayoitwa uma za replication hutengenezwa. Mbili uma replication ni sumu katika asili ya replication na hizi kupata kupanuliwa bi- directionally kama mapato replication. Protini za kuunganisha moja-strand huvaa vipande moja vya DNA karibu na uma ya kuiga ili kuzuia DNA moja-stranded kutoka kurudi nyuma katika helix mara mbili. DNA polymerase ina uwezo wa kuongeza nucleotidi tu katika mwelekeo wa 5' hadi 3' (kamba mpya ya DNA inaweza kupanuliwa tu katika mwelekeo huu). Pia inahitaji bure 3'-OH kundi ambayo inaweza kuongeza nyukleotidi kwa kutengeneza dhamana phosphodiester kati ya mwisho 3'-OH na 5' phosphate ya nucleotide ijayo. Hii kimsingi ina maana kwamba haiwezi kuongeza nyukleotidi ikiwa kikundi cha bure cha 3'-OH haipatikani. Kisha inaongezaje nucleotide ya kwanza? Tatizo linatatuliwa kwa msaada wa primer ambayo hutoa mwisho wa 3'-OH bure. Enzyme nyingine, RNA primase, huunganisha primer ya RNA ambayo ni karibu nucleotides tano hadi kumi kwa muda mrefu na inayoongezea DNA. Kwa sababu mlolongo huu primes awali DNA, ni ipasavyo kuitwa primer. DNA polymerase sasa inaweza kupanua primer hii ya RNA, na kuongeza nucleotides moja kwa moja ambayo ni nyongeza kwa kamba ya template (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Fomu ya replication hutengenezwa wakati helicase inatenganisha vipande vya DNA kwa asili ya replication. DNA inaelekea kuwa zaidi sana coiled mbele ya uma replication. Topoisomerase mapumziko na mageuzi DNA phosphate uti wa mgongo mbele ya uma replication, na hivyo relieving shinikizo kwamba matokeo ya supercoiling hii. Protini za kumfunga moja-strand hufunga kwa DNA moja iliyopigwa ili kuzuia helix kutoka upya. Primase huunganisha primer ya RNA. DNA polymerase III inatumia primer hii kuunganisha binti DNA strand. Juu ya strand inayoongoza, DNA inaunganishwa kwa kuendelea, wakati kwenye kamba iliyopungua, DNA inaunganishwa katika vipande vifupi vinavyoitwa vipande vya Okazaki. DNA polymerase mimi nafasi ya RNA primer na DNA. DNA ligase hufunga mapungufu kati ya vipande vya Okazaki, kujiunga na vipande katika molekuli moja ya DNA. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Mariana Ruiz Villareal)

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

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?

Jibu

DNA ligase, kama enzyme hii inajiunga pamoja vipande vya Okazaki.

Fomu ya replication inakwenda kwa kiwango cha nucleotides 1000 kwa pili. DNA polymerase inaweza tu kupanua katika mwelekeo 5' hadi 3', ambayo inaleta tatizo kidogo katika uma replication. Kama tunavyojua, helix mbili ya DNA ni ya kupambana na sambamba; yaani, strand moja iko katika mwelekeo wa 5' hadi 3' na nyingine inaelekezwa katika mwelekeo wa 3' hadi 5'. Moja strand, ambayo ni nyongeza kwa 3' kwa 5' wazazi DNA strand, ni synthesized kuendelea kuelekea replication uma kwa sababu polymerase inaweza kuongeza nyukleotidi katika mwelekeo huu. Kamba hii inayoendelea synthesized inajulikana kama strand inayoongoza. Kamba nyingine, inayoongezea DNA ya wazazi wa 5' hadi 3', hupanuliwa mbali na uma wa kuiga, katika vipande vidogo vinavyojulikana kama vipande vya Okazaki, kila mmoja huhitaji primer kuanza awali. Vipande vya Okazaki vinatajwa baada ya mwanasayansi wa Kijapani aliyeyagundua kwanza. The strand na vipande Okazaki inajulikana kama strand lagging.

Kamba inayoongoza inaweza kupanuliwa na primer moja peke yake, wakati strand lagging inahitaji primer mpya kwa kila moja ya vipande mfupi Okazaki. Mwelekeo wa jumla wa strand ya lagging itakuwa 3' hadi 5', na ile ya strand inayoongoza 5' hadi 3'. Protini inayoitwa clamp sliding inashikilia polimerasi ya DNA mahali inapoendelea kuongeza nyukleotidi. Kamba ya kupiga sliding ni protini yenye umbo la pete inayofunga kwa DNA na inashikilia polymerase mahali. Topoisomeresi inazuia kupindukia vilima vya DNA mara mbili helix mbele ya uma ya replication kadiri DNA inavyofungua; inafanya hivyo kwa kusababisha nicks za muda katika helix ya DNA na kisha kuziba tena. Kama awali inavyoendelea, primers ya RNA hubadilishwa na DNA. Vipindi vinaondolewa na shughuli za exonuclease za DNA pol I, na mapungufu yanajazwa na deoxyribonucleotides. Nicks kwamba kubaki kati ya wapya synthesized DNA (ambayo kubadilishwa RNA primer) na awali synthesized DNA ni muhuri na enzyme DNA ligase kwamba kuchochea malezi ya uhusiano phosphodiester kati ya 3'-OH mwisho wa nucleotide moja na 5' phosphate mwisho wa kipande kingine.

Mara baada ya kromosomu kuigwa kabisa, nakala mbili za DNA zinahamia katika seli mbili tofauti wakati wa mgawanyiko wa seli. Mchakato wa replication ya DNA unaweza kufupishwa kama ifuatavyo.

DNA replication hatua

1. DNA unwinds katika asili ya replication.
2. Helicase inafungua fomu za replication za DNA; hizi zinaongezwa kwa bidirectionally.
3. Protini za kumfunga moja-strand huvaa DNA karibu na uma ya kuiga ili kuzuia kurejeshwa kwa DNA.
4. Topoisomerase hufunga katika kanda mbele ya uma ya replication ili kuzuia supercoiling.
5. Primase synthesizes RNA primers ziada kwa strand DNA.
6. DNA polymerase huanza kuongeza nucleotides hadi mwisho wa 3'-OH wa primer.
7. Kupanua kwa wote wawili na strand inayoongoza inaendelea.
8. RNA primers ni kuondolewa kwa shughuli exonuclease.
9. Mapungufu yanajazwa na DNA pol kwa kuongeza DNTPs.
10. Pengo kati ya vipande viwili vya DNA ni muhuri na ligase ya DNA, ambayo husaidia katika malezi ya vifungo vya phosphodiester.

\(\PageIndex{1}\)Jedwali linafupisha enzymes zinazohusika katika replication ya DNA ya prokaryotic na kazi za kila mmoja.

Jedwali\(\PageIndex{1}\): Replication ya DNA ya Prokaryotic: Enzymes na Kazi yao

Enzyme/protini	Kazi Maalum
DNA POL I	Shughuli Exonuclease kuondosha RNA primer na nafasi na DNA wapya synthesized
DNA POL II	Kazi ya ukarabati
DNA pol III	Enzyme kuu inayoongeza nucleotides katika mwelekeo wa 5'-3 '
Helicase	Inafungua helix ya DNA kwa kuvunja vifungo vya hidrojeni kati ya besi za nitrojeni
Ligase	Inaweka mapungufu kati ya vipande vya Okazaki ili kuunda kamba moja ya DNA inayoendelea
Primase	Synthesizes RNA primers zinahitajika kuanza replication
sliding clamp	Inasaidia kushikilia polymerase ya DNA mahali ambapo nucleotides zinaongezwa
Topoisomerase	Husaidia kupunguza matatizo ya DNA wakati unwinding kwa kusababisha mapumziko na kisha resealing DNA
Protini za kisheria za kamba moja (SSB)	Hufunga kwa DNA moja-stranded ili kuepuka DNA rewinding nyuma.

Unganisha na Kujifunza

Tathmini mchakato kamili wa replication DNA hapa.

Muhtasari

Replication katika prokaryotes huanza kutoka mlolongo unaopatikana kwenye kromosomu inayoitwa asili ya replication-hatua ambayo DNA inafungua. Helicase inafungua helix mbili ya DNA, na kusababisha kuundwa kwa uma ya replication. Protini za kumfunga moja-strand hufunga kwa DNA moja iliyopigwa karibu na uma ya kuiga ili kuweka uma wazi. Primase synthesizes RNA primer kuanzisha awali na DNA polymerase, ambayo inaweza kuongeza nyukleotidi tu katika 5' kwa 3' mwelekeo. 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, RNA primers ni kubadilishwa na nucleotidi DNA na muhuri na DNA ligase, ambayo inajenga vifungo phosphodiester kati ya 3'-OH ya mwisho mmoja na 5' phosphate ya strand nyingine.

faharasa

helikasi

wakati wa kuiga, enzyme hii husaidia kufungua helix ya DNA kwa kuvunja vifungo vya hidrojeni

strand lagging

wakati wa replication, strand ambayo ni replicated katika vipande mfupi na mbali na uma replication

kuongoza strand

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

ligase

enzyme kwamba catalyzes malezi ya uhusiano phosphodiester kati ya 3' OH na 5' phosphate mwisho wa DNA

Kipande cha Okazaki

Kipande cha DNA ambacho kinatengenezwa kwa muda mfupi kwenye kamba iliyopungua

primase

enzyme ambayo huunganisha primer ya RNA; primer inahitajika kwa DNA pol kuanza awali ya kamba mpya ya DNA

kwanza

kunyoosha fupi ya nucleotides ambayo inahitajika kuanzisha replication; katika kesi ya replication, primer ina Nucleotides RNA

uma ya kuiga

Muundo wa umbo la Y uliojengwa wakati wa kuanzishwa kwa replication

protini moja-strand kisheria

wakati wa kuiga, protini ambayo hufunga kwa DNA moja-stranded; hii husaidia katika kuweka vipande viwili vya DNA mbali ili waweze kutumika kama templates

sliding clamp

pete-umbo protini kwamba ana dna pol juu ya strand DNA

topoisomerase

enzyme ambayo husababisha underwinding au overwinding ya DNA wakati DNA replication unafanyika