DNA REPLIKASYONU: PROKARYOTLARDA VE ÖKARYOTLARDA MEKANIZMALAR - BIYOLOJI - 2025

DNA replikasyonu (deoksiribonükleik asit) genomu, iki özdeş kopyasını üretmek amacıyla bir organizma DNA, yani tüm genetik bilgi kopyalanmasıdır. Genom, eksiksiz bir organizma oluşturmak için gerekli bilgiye sahiptir.

Hücre bölünmesinden önce DNA replikasyonu gerçekleşir. Mayoz yoluyla, cinsel üreme için gametler üretilir. Mitoz yoluyla, hücre replasmanı (örneğin, deri ve kan) ve gelişme (örneğin, dokular ve organlar) meydana gelir.

Kaynak: I, Madprime

DNA'nın yapısını bilmek, kopyalanmasının nasıl gerçekleştiğini anlamamızı sağlar. DNA'nın yapısı, azotlu bazları birbirini belirli bir şekilde tamamlayan ardışık iki antiparalel nükleotit zincirinden oluşan çift sarmaldan oluşur.

Çoğaltma sırasında, DNA çift sarmalının her bir sarmalı, yeni bir sarmalın biyosentezi için bir şablon görevi görür. Yeni sentezlenen iki zincir, şablon zincirinin bazlarını tamamlayan bazlara sahiptir: timin (T) ile adenin (A) ve guanin (G) ile sitozin (C).

DNA replikasyonunda çeşitli enzimler ve proteinler rol oynar. Örneğin, DNA çift sarmalını açmak, DNA'yı açık tutmak ve yeni ipliği oluşturmak için deoksiribonükleositler-5′-trifosfat (dNTP) eklemek.

DNA replikasyonu yarı muhafazakar

Watson ve Crick, DNA'nın yapısına dayanarak, DNA replikasyonunun yarı koruyucu olarak gerçekleştiğini öne sürdüler. Bu, Meselson ve Stahl tarafından, Escherichia coli'nin DNA'sını, birkaç nesil boyunca hafif nitrojen, ¹⁴ N içeren bir kültür ortamında dağılım modelini izleyerek , ¹⁵ N ağır nitrojen izotopu ile etiketleyerek gösterilmiştir .

Meselson ve Stahl, ilk nesilde, iki yavru DNA molekülünün her bir molekülün ağır nitrojen izotopu ve diğerinin hafif izotopu ile etiketlendiğini buldu. Her iki ipliği ağır izotopla etiketlenmiş olan ana DNA molekülünün aksine, ¹⁵ N.

İkinci nesilde, DNA moleküllerinin% 50'si birinci neslinki gibiydi ve diğer% 50'de sadece hafif nitrojen vardı. Bu sonucun yorumlanması, yavru çift sarmalın bir ana zincire (bir şablon olarak işlev gören) ve yeni bir zincire sahip olmasıdır.

Yarı konservatif replikasyon mekanizması, iki yavru çift sarmal üreten ardışık nükleotid çiftlemesi yoluyla DNA ipliklerinin ayrılmasını ve tamamlayıcı baz eşleşmesini içerir.

Pil çoğaltma

Bakterilerde DNA replikasyonunun başlaması

Bakteriyel DNA, dairesel bir kromozomdan oluşur ve yalnızca bir replikasyon orijinine sahiptir. Bu bölgeden, iki yavru zincirin biyosentezi, orijine zıt yönlerde hareket eden iki replikasyon çatalı oluşturan çift yönlü olarak gerçekleşir. Sonunda saç tokası buluşur ve çoğaltmayı tamamlar.

Replikasyon, DnaA proteinlerinin kaynak bölgesine bağlanmasıyla başlar. Bu proteinler sırayla bir kompleks oluşturur. Daha sonra HU ve IHF proteinleri, diğerlerinin yanı sıra, bir araya gelerek DNA'yı bükerek timin ve adenin açısından zengin bir bölgede iki DNA zincirinin ayrılmasına neden olur.

Daha sonra DNaC proteinleri bağlanır ve bu da DNA helikazlarının bağlanmasına neden olur. DNA'nın çözülmesine ve baz çiftleri arasında oluşan hidrojen bağlarının kopmasına yardımcı olurlar. Böylece iki zincir daha da ayrılır ve iki basit zincir oluşturur.

Topoizomeraz II veya DNA giraz, DNA helikazının önünde hareket ederek pozitif süper bobinleri azaltır. Tek sarmallı DNA bağlayıcı (SSB) proteinleri, DNA sarmallarını ayrı tutar. Böylece, yavru zincirin biyosentezi başlayabilir.

Bakterilerdeki yavru DNA ipliklerinin biyosentezi

Primaz enzimi, 10-15 nükleotid uzunluğunda olan primer adı verilen kısa RNA zincirlerinin sentezlenmesinden sorumludur. DNA polimeraz, primer şekerin 3′-OH ucuna 5′-trifosfat deoksinükleositler (dNTP'ler) eklemeye başlar, ardından iplik aynı uçtan büyümeye devam eder.

DNA iplikleri antiparalel olduğundan, lider iplikçikte bir primer ve gecikmeli iplikçikte birçok primer sentezlenir. Bu nedenle, gecikmiş zincirin biyosentezi süreksizdir. DNA zincirleri antiparalel olmasına rağmen, çoğaltma çatalı yalnızca bir yönde hareket eder.

DNA polimeraz, yeni sentezlenen zincirlerin bitişik nükleotidleri arasında 5'®3 ′ yönünde kovalent bağların oluşumundan sorumludur. E. coli'de beş DNA polimeraz vardır: DNA polimeraz I ve III, DNA replikasyonunu gerçekleştirir; ve DNA polimerazlar II, IV ve V, hasarlı DNA'nın onarımı ve kopyalanmasından sorumludur.

Çoğaltmanın çoğu, DNA replikasyonunda çeşitli fonksiyonlara sahip 10 farklı alt birimi olan bir holoenzim olan DNA polimeraz III tarafından gerçekleştirilir. Örneğin, alfa alt birimi, nükleotidler arasında bağlantı kurmaktan sorumludur.

Bakterilerde DNA'nın replikasyonundan bir enzim kompleksi sorumludur.

DNA helikaz ve primaz, primozom adı verilen bir kompleks oluşturmak için birleşir. Bu, DNA boyunca hareket eder, iki ebeveyn ipliği ayırmak için koordineli bir şekilde hareket eder, geciktirilmiş iplikçikte her belirli aralıkta primerleri sentezler.

Primozom, fiziksel olarak DNA polimeraz III'e bağlanır ve replisomu oluşturur. İki DNA polimeraz III, kılavuzun DNA'sını ve gecikmiş zincirleri kopyalamaktan sorumludur. DNA polimeraz III ile ilgili olarak, geciktirilmiş iplik, bu ipliğe nükleotidlerin eklenmesinin lider iplik ile aynı yönde meydana gelmesine izin veren bir dışa doğru halka oluşturur.

Lider zincire nükleotidlerin eklenmesi süreklidir. Gecikmiş haldeyken süreksizdir. Okazaki fragmanları olarak adlandırılan 150 nükleotid uzunluğunda fragmanlar oluşur.

DNA polimeraz I'in 5 ′ -> 3 ′ eksonükleaz aktivitesi, primerlerin elimine edilmesinden ve doldurulmasından, nükleotidlerin eklenmesinden sorumludur. Ligaz enzimi, parçalar arasındaki boşlukları kapatır. İki çoğaltma kancası bir sonlandırma sırasında karşılaştığında çoğaltma sona erer.

Tus proteini, sonlandırma dizisine bağlanarak replikasyon çatalının hareketini durdurur. Topoizomeraz II, iki kromozomun ayrılmasına izin verir.

Deoksiribonükleotid trifosfatlar, DNA polimeraz tarafından kullanılır

Deoksinükleosit trifosfat (dNTP), deoksiribozun 5 karbonuna bağlı üç fosfat grubu içerir. DNTP'ler (dATP, dTTP, dGTP ve dCTP), AT / GC kuralını takiben şablon zincirine bağlanır.

DNA polimeraz aşağıdaki reaksiyonu katalize eder: Büyüyen iplik nükleotidinin 3 ′ hidroksil grubu (–OH), gelen dNTP'nin alfa fosfatı ile reaksiyona girerek inorganik pirofosfat (PPi) açığa çıkarır. PPi'nin hidrolizi, büyüyen zincirin nükleotidleri arasında kovalent bağın veya fosfodiester bağının oluşumu için enerji üretir.

DNA replikasyonunun doğruluğunu sağlayan mekanizmalar

DNA replikasyonu sırasında, DNA polimeraz III, 100 milyon nükleotid kadar bir hata yapar. Hata olasılığı çok düşük olmasına rağmen DNA replikasyonunda aslına uygunluğu sağlayan mekanizmalar mevcuttur. Bu mekanizmalar şunlardır:

1) Baz eşleşmesinde kararlılık. AT / GC arasındaki hidrojen bağlama enerjisi, yanlış baz çiftlerindekinden daha yüksektir.

2) DNA polimerazın aktif bölgesinin yapısı. DNA polimeraz, tercihen, karşı iplik üzerinde doğru bazlarla nükleotid bağlantılarını katalize eder. Kötü bir baz eşleşmesi, DNA çift sarmalının bozulmasına neden olur, bu da yanlış nükleotidin enzimin aktif bölgesini işgal etmesini önler.

3) Okuma testi. DNA polimeraz, dahil edilmiş hatalı nükleotitleri tanımlar ve bunları yavru zincirden çıkarır. DNA polimerazın eksonükleaz aktivitesi, yeni sarmalın 3 'ucundaki nükleotidler arasındaki fosfodiester bağlarını koparır.

Ökaryotlarda DNA replikasyonu

Replikasyonun tek bir bölgede başladığı prokaryotlardaki replikasyondan farklı olarak, ökaryotlardaki replikasyon, birden çok orijin bölgesinde başlar ve replikasyon çatalı çift yönlü olarak hareket eder. Daha sonra, tüm çoğaltma saç tokaları birleşerek iki kardeş kromatit oluşturarak merkezde birleşir.

Ökaryotlar, isimleri Yunan harflerini kullanan birçok DNA polimeraz türüne sahiptir. DNA polimeraz α, primaz ile bir kompleks oluşturur. Bu kompleks, 10 nükleotid RNA ve ardından 20 ila 30 DNA nükleotidinden oluşan kısa primerleri sentezler.

Daha sonra, ε veya δ DNA polimeraz, primerden yavru ipliğin uzamasını katalize eder. DNA polimeraz ε, lider zincirin sentezinde yer alırken, DNA polimeraz δ gecikmiş zinciri sentezler.

DNA polimeraz δ soldaki Okazaki fragmanını sağdaki RNA primerine ulaşana kadar uzatarak primerin kısa bir kanadını oluşturur. Bir DNA polimerazın primeri uzaklaştırdığı prokaryotların aksine, ökaryotlarda bir Flap endonükleaz enzimi RNA primerini uzaklaştırır.

Daha sonra, bir DNA ligaz bitişik DNA parçalarını kapatır. Replikasyonun tamamlanması, proteinlerin replikasyon çatalından ayrılmasıyla gerçekleşir.

Ökaryotik hücre döngüsü DNA replikasyonu ve

Ökaryotlarda replikasyon, hücre döngüsünün S fazında meydana gelir. Kopyalanan DNA molekülleri, mitoz sırasında iki yavru hücreye salgılanır. G1 ve G2 fazları S fazını ve mitozu ayırır. Hücre döngüsünün her fazında ilerleme, yüksek oranda kinazlar, fosfatazlar ve proteazlar tarafından düzenlenir.

Hücre döngüsünün G1 fazında, orijin tanıma kompleksi (OCR) menşe sahasına bağlanır. Bu, bir replikasyon öncesi kompleks (preRC) oluşturmak için MCM helikazlarının ve Cdc6 ve Cdt1 gibi diğer proteinlerin bağlanmasını indükler. MCM helikaz, kılavuz zincire bağlanır.

S aşamasında preRC aktif bir çoğaltma sitesi haline gelir. OCR, Cdc6 ve Cdt1 proteinleri serbest bırakılır ve MCM helikaz 3 'ila 5' yönünde hareket eder. Çoğaltma bittiğinde, sonraki hücre döngüsünde yeniden başlatılacaktır.

Ökaryotlarda kromozom uçlarının kopyalanması

Kromozomların uçları, tekrarlanan ardışık dizilerden ve 12 ila 16 nükleotit uzunluğunda çıkıntı yapan bir 3 ′ bölgeden oluşan telomerler olarak bilinir.

DNA polimeraz, DNA zincirlerinin 3 ′ ucunu kopyalayamaz. Bunun nedeni, DNA polimerazın DNA'yı yalnızca 5'-3 'yönünde sentezleyebilmesi ve bu bölgede bir primer sentezleyemeden yalnızca önceden var olan şeritleri uzatabilmesidir. Sonuç olarak, telomerler her çoğaltma turunda kısalır.

Telomeraz enzimi, telomerlerin kısalmasını önler. Telomeraz, protein ve RNA alt birimlerine (TERC) sahip bir enzimdir. İkincisi, DNA'nın tekrarlayan dizilerine bağlanır ve telomerazın telomerin 3 'ucuna bağlanmasına izin verir.

Birleşme yerinin arkasındaki bir RNA dizisi, DNA zincirinin sonunda altı nükleotid dizisinin (polimerizasyon) sentezi için bir şablon olarak işlev görür. Telomer uzaması, telomeraz ters transkriptaz (TERT) olarak adlandırılan telomeraz alt birimleri tarafından katalize edilir.

Polimerizasyondan sonra, telomerazın DNA zincirinin yeni bir ucuna hareketinden oluşan ve sonuna kadar altı nükleotidi birleştiren translokasyon gerçekleşir.

Ökaryotlarda diğer DNA polimerazların işlevleri

DNA polimeraz β, DNA'dan yanlış bazların çıkarılmasında önemli bir rol oynar, ancak DNA replikasyonunda yer almaz.

Keşfedilen birçok DNA polimeraz, "translasyon kopyalayan" polimerazlar grubuna aittir. Bu polimerazlar, hasarlı DNA bölgesinde tamamlayıcı ipliklerin sentezlenmesinden sorumludur.

Birkaç tür "translesyon kopyalayan" polimeraz vardır. Örneğin, DNA polimeraz η, UV ışığı tarafından üretilen timin dimerleri üzerinde kopyalanabilir.

Arkebakterilerde DNA replikasyonu

Archaebacterial DNA replikasyonu ökaryotlardakine benzer. Bu, aşağıdakilerden kaynaklanmaktadır: 1) kopyalamaya katılan proteinler, prokaryotlarınkinden daha çok ökaryotlarınkine benzer; ve 2) prokaryotlarda olduğu gibi sadece bir replikasyon bölgesi olmasına rağmen, sekansı ökaryotların menşe sahasına benzer.

Archea ve ökaryotlar arasındaki replikasyondaki benzerlik, her iki grubun da filogenetik olarak prokaryotlardan daha çok birbirleriyle ilişkili olduğu fikrini destekler.

Referanslar

1. Brooker, RJ 2018. Genetik analiz ve ilkeler. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetik - genlerden genomlara. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. DNA replikasyonunun temel yönleri. InTech Açık erişim, Hırvatistan.
4. Lewis, R., 2015. İnsan genetiği kavramları ve uygulamaları. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetik - kavramsal bir yaklaşım. WH Freeman, New York.