21.10
Replikacja DNA
Replikacja DNA polega na oddzieleniu dwóch nici podwójnej helisy, przy czym każda nić służy jako matryca, z której kopiowana jest nowa nić komplementa…
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.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why is DNA replication called semiconservative?
DNA replication is semiconservative because each newly formed double helix contains one original template strand and one newly synthesized daughter strand. After replication, the two resulting DNA molecules each preserve one parental strand from the original double helix, ensuring genetic continuity while incorporating new genetic material.
Q2: What role does helicase play in DNA replication?
Helicase unwinds the DNA double helix by breaking hydrogen bonds between the two strands. This separation creates a Y-shaped structure called the replication fork, which exposes the template strands so that other enzymes can access and copy them during DNA synthesis.
Q3: Why are RNA primers necessary for DNA synthesis?
RNA primers are essential because DNA polymerase can only add nucleotides to an existing strand; it cannot initiate synthesis de novo. Primase adds short RNA fragments to each template strand, providing the 3'-OH group that DNA polymerase requires to begin extending the new DNA strand.
Q4: How does the directionality of DNA synthesis affect leading and lagging strand formation?
DNA polymerase synthesizes only in the 5' to 3' direction. The leading strand is synthesized continuously toward the replication fork. The lagging strand grows away from the fork, requiring DNA polymerase to repeatedly restart synthesis, producing short DNA fragments called Okazaki fragments separated by RNA primers.
Q5: What happens to nucleotide triphosphates when they are added to the growing DNA strand?
Nucleotide triphosphates react with the 3'-OH group at the end of the growing strand. This reaction releases pyrophosphate, and the energy from breaking phosphate bonds drives the formation of a phosphodiester bond between nucleotides, linking them together in the DNA backbone.
Q6: How are gaps sealed after DNA polymerase removes RNA primers?
After RNase H or DNA polymerase variants remove RNA primers and fill the gaps with DNA nucleotides, the enzyme DNA ligase seals the remaining nicks. DNA ligase catalyzes the formation of phosphodiester bonds between the 3'-OH end of one DNA fragment and the 5' phosphate end of the adjacent fragment.
Q7: How does eukaryotic DNA replication differ from prokaryotic replication?
Eukaryotic genomes are larger and more complex, with multiple origins of replication per chromosome, whereas prokaryotes have single origins. Eukaryotic replication occurs at approximately 100 nucleotides per second—ten times slower than prokaryotic replication. Despite these differences, the essential enzymatic steps and base pairing and its significance in DNA replication remain fundamentally similar.