Name: dna copying: leading and lagging strands
Uploaded: 2020-09-24T15:06:53.000Z
Duration: 2 min 40 s
Channel: JoVE

Replikacja DNA zachodzi poprzez syntezę nowych nici DNA przy użyciu istniejących nici jako matrycy. Każda z dwóch nowych podwójnych helis zawiera oryginalną nić matrycową i nowo zsyntetyzowaną nić potomną, dlatego proces ten jest znany jako replikacja półkonserwatywna. 
Aby rozpocząć replikację, enzym, helikaza, rozwija helisę DNA i zrywa wiązania wodorowe między dwiema niciami. Następnie oddziela poszczególne nici, tworząc strukturę w kształcie litery Y, znaną jako widełki replikacyjne, w której dodatkowe enzymy mogą uzyskać dostęp do nici matrycowych.
Inny enzym, prymaza, dodaje krótkie fragmenty RNA zwane starterami do każdej nici matrycowej. Te startery są niezbędne do syntezy DNA, ponieważ polimeraza DNA może dodawać nukleotydy tylko do istniejącej nici. 
Polimeraza DNA dodaje się do rosnących nici potomnych na obu matrycowych niciach DNA. Dodawanie nukleotydów odbywa się zgodnie z sekwencją oryginalnej nici DNA zgodnie z regułami parowania DNA.
Synteza jednej z nici potomnych, nici wiodącej, zachodzi w kierunku ruchu wideł replikacyjnych. Drugie pasmo, pasmo opóźnione, jest syntetyzowane w przeciwnym kierunku.
Prowadzi to do tego, że nić wiodąca jest syntetyzowana jako ciągły polimer, podczas gdy nić opóźniona jest syntetyzowana jako krótkie fragmenty. Dzieje się tak, ponieważ DNA może być syntetyzowane tylko w kierunku od 5 do 3 stóp.
Przed dodaniem do rosnącego polimeru nukleotydy występują jako trifosforany dezoksyrybonukleozydów, z trzema fosforanami przyłączonymi do piątego węgla na cukrze.
Ten wolny trifosforan nukleotydu reaguje z grupami hydroksylowymi 3'. Jest to OH, który jest przyłączony do trzeciego węgla cukru na końcu rosnącego pasma. Reakcja powoduje uwolnienie pirofosforanu i powstanie wiązania fosfodiestrowego między dwoma nukleotydami.
Po zsyntetyzowaniu nowych nici, RNaza H lub dodatkowe warianty polimerazy DNA usuwają startery i syntetyzują DNA w ich miejsce. Przerwy między fragmentami są następnie uszczelniane przez ligazę DNA w celu wytworzenia ciągłej nici.
Dodawanie nukleotydów trwa do momentu, gdy dwie widełki replikacyjne spotkają się ze sobą, co spowoduje zakończenie replikacji.

<ol>
	<li>Pray, L. (2008) Główne zdarzenia molekularne replikacji DNA. Edukacja przyrodnicza 1(1):99 </li>
</ol>

replikacja dna

DNA Replication

Replikacja DNA polega na oddzieleniu dwóch nici podwójnej helisy, przy czym każda nić służy jako matryca, z której kopiowana jest nowa nić komplementarna. Po replikacji każdy dwuniciowy DNA zawiera jedną nić rodzicielską lub „starą” i jedną „nową” nić. Nazywa się to replikacją semikonserwatywną. Powstałe cząsteczki DNA mają tę samą sekwencję i są równo podzielone na dwie komórki potomne.

Replikacja u prokariotów

Replikacja DNA wykorzystuje dużą liczbę białek i enzymów. Enzym helikaza oddziela dwie nici DNA. Gdy helikaza przemieszcza się wzdłuż DNA, oddziela dwie nici, tworząc strukturę w kształcie litery Y, zwaną widełkami replikacyjnymi. Następnie enzym prymaza dodaje krótkie odcinki RNA zwane starterami, aby zainicjować syntezę DNA przez polimerazę DNA, enzym odpowiedzialny za syntezę DNA. U bakterii znane są trzy główne typy polimeraz DNA: DNA pol I, DNA pol II i DNA pol III. DNA pol III jest enzymem niezbędnym do syntezy DNA; Do naprawy wymagane są przede wszystkim DNA pol I i DNA pol II. DNA pol III dodaje deoksyrybonukleotydy, każdy komplementarny do nukleotydu na nici matrycowej, jeden po drugim do grupy 3'-OH rosnącego łańcucha DNA. Polimeraza DNA III może rozciągać się tylko w kierunku od 5’ do 3’. Dodanie tych nukleotydów wymaga energii. Energia ta jest obecna w wiązaniach trzech grup fosforanowych przyłączonych do każdego nukleotydu, podobnie jak energia jest magazynowana w wiązaniach fosforanowych trifosforanu adenozyny (ATP). Kiedy wiązanie między fosforanami zostaje zerwane i uwalnia się difosforan, uwolniona energia pozwala na utworzenie kowalencyjnego wiązania fosfodiestrowego w drodze syntezy odwodnienia.

Podwójna helisa DNA jest antyrównoległa, to znaczy, że jedna nić jest zorientowana w kierunku od 5' do 3', a druga jest zorientowana w kierunku od 3' do 5'. Podczas replikacji jedna nić, która jest komplementarna do nici rodzicielskiego DNA od 3' do 5', jest syntetyzowana w sposób ciągły w kierunku widełek replikacyjnych, ponieważ polimeraza może dodawać nukleotydy w tym kierunku. Ta ciągle syntetyzowana nić jest znana jako nić wiodąca. Druga nić, komplementarna do rodzicielskiego DNA od 5' do 3', odrasta od widełek replikacyjnych, więc polimeraza musi wrócić do widełek replikacyjnych, aby rozpocząć dodawanie zasad do nowego startera, ponownie w kierunku od widełek replikacyjnych . Dzieje się tak, dopóki nie natknie się na wcześniej zsyntetyzowaną nić, a następnie ponownie się cofnie. W tych etapach powstają małe fragmenty sekwencji DNA zwane fragmentami Okazaki, każdy oddzielony starterem RNA. Nić zawierająca fragmenty Okazaki nazywana jest nicią opóźnioną i mówi się, że jej synteza jest nieciągła.

Po syntezie przez polimerazę DNA III, startery są usuwane w wyniku działania egzonukleazy polimerazy DNA I, a luki są wypełniane. Nacięcia pozostające pomiędzy nowo zsyntetyzowanym DNA (który zastąpił starter RNA) a wcześniej zsyntetyzowanym DNA są uszczelnione przez enzym ligazę DNA, która katalizuje tworzenie kowalencyjnego wiązania fosfodiestrowego pomiędzy końcem 3'-OH jednego fragmentu DNA a końcem fosforanowym 5' drugiego fragmentu, stabilizując szkielet cukrowo-fosforanowy cząsteczki DNA.

Replikacja u eukariontów

Genomy eukariotyczne są znacznie bardziej złożone i większe niż genomy prokariotyczne i zazwyczaj składają się z wielu chromosomów liniowych. Na przykład ludzki genom ma 3 miliardy par zasad na haploidalny zestaw chromosomów, a 6 miliardów par zasad jest wstawianych podczas replikacji. Na każdym chromosomie eukariotycznym istnieje wiele źródeł replikacji. Ludzki genom ma od 30 000 do 50 000 miejsc startu replikacji. Szybkość replikacji wynosi około 100 nukleotydów na sekundę — 10 razy wolniej niż replikacja prokariotyczna.

Zasadnicze etapy replikacji u eukariontów są takie same jak u prokariotów. Zanim replikacja będzie mogła się rozpocząć, DNA musi zostać udostępnione jako matryca. DNA eukariotyczny jest silnie skręcone i upakowane, co ułatwia wiele białek, w tym histony. Po rozpoczęciu replikacji, w procesie podobnym do tego występującego u prokariotów, eukariotyczne polimerazy DNA ułatwiają wydłużanie. Nić wiodąca jest syntetyzowana w sposób ciągły przez enzym polimerazę eukariotyczną pol δ, podczas gdy nić opóźniona jest syntetyzowana przez pol ε. Enzym rybonukleaza H (RNaza H) zamiast polimerazy DNA, jak u bakterii, usuwa starter RNA, który następnie zastępuje się nukleotydami DNA. Pozostałe luki są zamykane przez ligazę DNA.

Podobnie jak u prokariotów, eukariotyczna polimeraza DNA może dodawać nukleotydy tylko w kierunku od 5' do 3'. W nici wiodącej synteza trwa aż do końca chromosomu lub innego widełek replikacyjnych przebiegających w przeciwnym kierunku. Na nici opóźnionej DNA jest syntetyzowane w krótkich odcinkach, z których każdy jest inicjowany przez oddzielny starter. Kiedy widełki replikacyjne dotrą do końca chromosomu liniowego, nie ma miejsca na wykonanie startera dla fragmentu DNA, który ma zostać skopiowany, na końcu chromosomu. Końce te pozostają zatem niesparowane i z biegiem czasu mogą się stopniowo skracać w miarę dalszego podziału komórek.

Replikacja DNA

Replikacja DNA polega na oddzieleniu dwóch nici podwójnej helisy, przy czym każda nić służy jako matryca, z której wyłania się nowy komplementarny ...

Education

JoVE Core

Chemistry

Chemia

Jeden

Biochemistry

Biochemia

KEY TERMS AND CONCEPTS

Kluczowe terminy i pojęcia

dna copying: leading and lagging strands

DNA replication copies genetic material before a cell divides. Each original DNA strand serves as a template for a new complementary strand. The result is semiconservative replication, which means each new DNA molecule contains one old strand and one new strand. The two daughter cells then receive DNA with the same sequence.

Replication starts when helicase separates the two strands of the double helix. This creates a Y-shaped replication fork. Primase then adds short RNA primers that give DNA polymerase a place to begin DNA synthesis. In bacteria, the main DNA polymerases are DNA pol I, DNA pol II, and DNA pol III. DNA pol III carries out DNA synthesis, while DNA pol I and DNA pol II mainly help with repair.

DNA pol III adds deoxyribonucleotides one at a time to the 3'-OH end of the growing strand. It can extend DNA only in the 5' to 3' direction. The energy for this process comes from the three phosphate groups on each nucleotide. When a phosphate bond is broken and diphosphate is released, that energy helps form the phosphodiester bond in the DNA backbone.

Because the DNA double helix is antiparallel, the two template strands face opposite directions. The strand copied toward the replication fork is made continuously and is called the leading strand. The other strand is copied away from the fork. It must start over with new primers as the fork opens, so it is made in short stretches called Okazaki fragments. This strand is the lagging strand, and its synthesis is discontinuous.

After DNA pol III finishes, DNA pol I removes the RNA primers in bacteria, and the gaps are filled in. DNA ligase then seals the remaining nicks by forming covalent phosphodiester bonds between adjacent DNA fragments. This step strengthens the sugar-phosphate backbone of the new DNA molecule.

Eukaryotic DNA replication follows the same basic steps, but the genome is larger and more complex. Eukaryotic chromosomes are linear and have many origins of replication. In humans, the genome has 3 billion base pairs per haploid set, and about 6 billion base pairs are copied during replication. Human chromosomes also have about 30,000 to 50,000 origins of replication, and replication occurs at about 100 nucleotides per second, which is much slower than in prokaryotes.

Before replication begins, eukaryotic DNA must be made available as a template. It is tightly packed and supercoiled, and histones help organize this packaging. After initiation, eukaryotic DNA polymerases carry out elongation. Polymerase delta (pol δ) synthesizes the leading strand, and polymerase epsilon (pol ε) synthesizes the lagging strand. RNase H removes the RNA primers, DNA nucleotides replace them, and DNA ligase seals the final gaps. Because eukaryotic DNA polymerase also works only in the 5' to 3' direction, the lagging strand is still made in short pieces. Near the ends of linear chromosomes, there is no place to add a final primer, so these ends remain unpaired and can become shorter over time as cells keep dividing.

DNA Copying: Leading and Lagging Strands

functional groups

Functional Groups in Organic Chemistry

Functional groups in organic chemistry are groups of atoms that give molecules specific properties. When these groups attach to a carbon skeleton, they can change how the molecule behaves. Some functional groups make a molecule hydrophilic, or water-attracting. Others make it hydrophobic, or water-repelling. Functional groups are a key part of organic chemistry and are also found in major biological molecules. They appear in carbohydrates, proteins, lipids, and nucleic acids. Each functional...

structure of lipids

Lipids, Fats, and Cell Membranes

Lipids are nonpolar molecules that do not mix well with water. They are hydrophobic, which means “water fearing,” because they contain mostly nonpolar carbon-carbon and carbon-hydrogen bonds. In cells, lipids store long-term energy as fats, help insulate plants and animals, and form protective water-repellent layers on feathers and fur. They are also part of cell membranes and serve as building blocks for many hormones. Common lipids include fats, oils, waxes, phospholipids, and steroids. A...

chemistry of the cell

Cell Chemistry: Water and Macromolecules

Cell chemistry includes water, organic molecules, and inorganic ions. These materials shape how cells store energy, build structures, and carry out life processes. Most cellular chemistry and metabolism happen in the watery cytoplasm. Water is a key part of the cell because it has special properties tied to its polarity. In a water molecule, hydrogen and oxygen form polar covalent bonds, so the molecule has no net charge but does have a slightly positive end and a slightly negative end. Oxygen...

dna base pairing

Chargaff’s Rules and DNA Pairing

Chargaff’s rules and DNA base pairing explain how DNA strands match up. In double-stranded DNA, adenine (A) pairs with thymine (T), and guanine (G) pairs with cytosine (C). Chargaff also found that A equals T, G equals C, and the total amount of purines (A and G) equals the total amount of pyrimidines (C and T). Watson and Crick later showed why these matches matter. A forms two hydrogen bonds with T, while G forms three hydrogen bonds with C. These pairings keep the DNA double helix a...

chemistry of carbohydrates

Carbohydrates as Energy and Storage Molecules

Carbohydrates are important energy sources in human and animal diets. Grains, fruits, and vegetables are natural sources of carbohydrates. They help provide energy to the body, especially through glucose, a simple sugar found in starch and many staple foods. Carbohydrates are identified by the stoichiometric formula (CH2O)n, where n is the number of carbons in the molecule. This means the ratio of carbon to hydrogen to oxygen is usually 1:2:1. The name carbohydrate comes from this pattern,...

protein and protein structure

How Protein Shape Controls Function

Proteins are a major class of organic molecules in living systems, and their shape helps determine what they do. They can act as structural, regulatory, contractile, or protective molecules. They also take part in transport, storage, membranes, toxins, and enzymes. All proteins are polymers of amino acids arranged in a linear sequence. A protein’s function depends on its three-dimensional form. For example, an enzyme works when its active site can bind a specific substrate. If local changes or...

amino acids

Amino Acids and Protein Building

Amino acids are the building blocks of proteins. Each amino acid has the same basic structure. A central carbon atom, called the alpha carbon, is bonded to an amino group, a carboxyl group, and a hydrogen atom. Each amino acid also has an R group, or side chain, attached to the central carbon. The R group is different for every amino acid. It helps determine whether an amino acid is acidic, basic, polar, or nonpolar. Scientists call these molecules amino acids because they contain both amino...

peptide bonds

Peptide Bond Formation and Shape

Peptide bonds join amino acids into peptides and polypeptides. They form when the carboxyl group of one amino acid reacts with the amino group of another. This dehydration reaction releases a water molecule and creates a covalent link. As more amino acids are added, the chain becomes a polypeptide. Each polypeptide has a free amino group at one end. This end is the N-terminal, or amino-terminal. The other end has a free carboxyl group. This end is the C-terminal, or carboxyl-terminal. The...

nucleic acids

DNA and RNA: Genetic Instructions

DNA and RNA are the nucleic acids that store genetic information and help direct cell activity. These macromolecules carry the cell’s genetic blueprint and the instructions it uses to function. DNA is the genetic material in all living organisms, from single-celled bacteria to multicellular mammals. In eukaryotic cells, DNA is found in the nucleus and also in organelles such as chloroplasts and mitochondria. In prokaryotes, DNA is not enclosed in a membrane. The full genetic content of a cell...

dna replication

DNA replication copies genetic material before a cell divides. Each original DNA strand serves as a template for a new complementary strand. The result is semiconservative replication, which means each new DNA molecule contains one old strand and one new strand. The two daughter cells then receive DNA with the same sequence. Replication starts when helicase separates the two strands of the double helix. This creates a Y-shaped replication fork. Primase then adds short RNA primers that give DNA...

from dna to protein

The Genetic Code and Codons

The genetic code and codons explain how cells turn DNA information into proteins. Genes first direct the sequence of mRNA, and mRNA then directs the sequence of amino acids that make up proteins. Specific proteins and RNAs carry out this decoding. Cells copy DNA into mRNA so the original DNA stays protected while the cell uses the message for protein synthesis. Copying DNA to RNA is relatively simple. One nucleotide is added to the mRNA strand for every nucleotide read on the DNA strand.

polymers

Polymer Chains and How They Form

Polymers are long chains of molecules made from repeating units called monomers. The word polymer comes from the Greek words "poly," meaning many, and "mer," meaning parts. Polymers can be found in nature, such as DNA and proteins, or made synthetically, such as plastics. A polymer’s shape helps define its properties. Some polymers form linear chains, while others are branched or arranged in complex networks. Functional groups on a polymer also affect how it behaves. The repeating units in a...

key terms and concepts

Explore how DNA replication uses leading and lagging strands, RNA primers, DNA polymerase, ligase, and semiconservative copying in bacteria and eukaryotes.

DNA Copying: Leading and Lagging Strands | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

DNA Copying: Leading and Lagging Strands

Description

Transcript

Tags