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

Репликация ДНК происходит путем синтеза новых нитей ДНК с использованием существующих цепей в качестве матрицы. Каждая из двух новых двойных спиралей содержит исходную нить-матрицу и вновь синтезированную дочернюю нить, поэтому этот процесс известен как полуконсервативная репликация. Чтобы начать репликацию, фермент геликаза раскручивает спираль ДНК и разрывает водородные связи между двумя нитями.Затем он разделяет отдельные нити, образуя Y-образную структуру известную как репликационная вилка, где к нитям-матрицам могут получить доступ дополнительные ферменты. Другой фермент, праймаза добавляет короткие фрагменты РНК, называемые праймерами, на каждую нить матрицы. Эти праймеры необходимы для синтеза ДНК, поскольку ДНК-полимераза может только добавлять нуклеотиды к существующей нити.ДНК-полимераза присоединяется к растущим дочерним нитям обеих нитей ДНК-матрицы. Добавление нуклеотидов регулируется последовательностью исходной нити ДНК в соответствии с правилами спаривания ДНК. Синтез одной из дочерних нитей, ведущей, происходит в направлении движения репликационной вилки.Другая нить, отстающая, синтезируется в противоположном направлении. Это приводит к тому, что ведущая нить синтезируется как непрерывный полимер, тогда как отстающая нить синтезируется как короткие фрагменты. Это происходит потому, что ДНК может быть синтезирована только в направлении от 5'до 3'Перед добавлением к растущему полимеру нуклеотиды существуют в виде дезоксирибонуклеозидтрифосфатов с тремя фосфатами, присоединенными пятому атому углерода на сахаре.Этот свободный нуклеотидтрифосфат реагирует с 3'гидроксильными группами. Это ОН, который присоединен к третьему углероду сахара в конце растущей нити. Реакция вызывает высвобождение пирофосфата и образование фосфодиэфирной связи между двумя нуклеотидами.После синтеза новых нитей, РНКазы Н или дополнительных вариантов ДНК-полимеразы удаляют праймеры и синтезируют ДНК на их месте. Затем промежутки между фрагментами закрываются ДНК-лигазой для создания непрерывной нити. Добавление нуклеотидов продолжается до тех пор, пока две вилки репликации не встретятся друг с другом, что приведет к завершению репликации.

<ol>
	<li>Прай, Л. (2008) Основные молекулярные события репликации ДНК. Природообразование 1(1):99 </li>
</ol>

Репликация ДНК

DNA Replication

Репликация ДНК включает в себя разделение двух нитей двойной спирали, каждая из которых служит шаблоном, из которого копируется новая дополнительная нить.  После репликации каждая двуцепочечная ДНК включает в себя одну родительскую или «старую» нить и одну «новую» нить. Это называется полусерворепликацией. Полученные в результате молекулы ДНК имеют одинаковую последовательность и разделяются поровну на две дочерние клетки. 
 Репликация в прокариотах 
 При репликации ДНК используется большое количество белков и ферм. Фермент геликаза разделяет две нити ДНК. По мере движения геликазы вдоль ДНК она разделяет две нити, образуя Y-образную структуру, известную как вилы репликации. После этого фермент Primase добавляет короткие участки РНК, известные как праймеры, для начала синтеза ДНК ДНК полимеразой ДНК, фермент, ответственный за синтез ДНК. У бактерий известны три основных типа ДНК-полимеразы: ДНК-пол I, ДНК-пол II и ДНК-пол III ДНК-пол III — это фермент, необходимый для синтеза ДНК; ДНК-пол I и ДНК-пол II в первую очередь необходимы для ремонта. ДНК-пол III добавляет дезоксирибонуклеотиды, каждый из которых дополняет нуклеотид в шаблонной ветви, по одному в группу 3’-OH растущей цепочки ДНК. ДНК-полимераза III может распространяться только в направлении от 5 до 3’. Добавление этих нуклеотидов требует энергии. Эта энергия присутствует в связях трех фосфатных групп, прикрепленных к каждому нуклеотиду, подобно тому, как энергия хранится в фосфатных связях аденисина трифосфата (АТФ). Когда связь между фосфатиками разорвана и происходит высвобождение дифосфата, высвобождаемая энергия позволяет сформировать ковалентную фосфодиестную связь путем синтеза дегидратации. 
 Двойная спираль ДНК является антипараллельной; то есть одна нить ориентирована в направлении от 5’ до 3’, а другая направлена в направлении от 3’ до 5’. Во время репликации одна нить, которая дополняет родительскую ДНК 3’ – 5’, непрерывно синтезируется в направлении вилы репликации, потому что полимераза может добавить нуклеотиды в этом направлении. Эта непрерывно синтезированная нить известна как ведущая. Другая нить, дополняющая родительскую ДНК от 5 до 3’, растет от вилки репликации, поэтому полимераза должен переместиться назад в сторону вилки репликации, чтобы начать добавлять основания к новой грунтовке, снова в направлении от вилки репликации. Она делает это до тех пор, пока не ударится по ранее синтезированной ветви, а затем снова не сдвинется назад. Эти шаги производят небольшие фрагменты последовательности ДНК, известные как фрагменты Оказаки, каждый из которых отделен грунтовкой для РНК. Нить с осколками Оказаки известна как запаздывающаяся нить, и, как говорят, ее синтез беспрерывен. 
 После синтеза ДНК-полимеразой III, грунтовки удаляются экнуклеазной активностью ДНК-полимераза I, и пробелы заполняются. Зарубки, которые остаются между вновь синтезированной ДНК (которая заменила грунтовку для РНК) А ранее синтезированная ДНК герметизируется лигазой ДНК фермента, которая катализирует образование ковалентной фосфодиестовой связи между концом 3’-OH одного фрагмента ДНК и концом 5’ фосфатов другого фрагмента, стабилизируя сахаро-фосфатную магистраль молекулы ДНК. 
 Репликация в эукариотах 
 Эукариотические геномы гораздо сложнее и крупнее, чем у прокариотических геномов, и обычно состоят из нескольких линейных хромосом. Например, геном человека имеет 3 миллиардов пар основание на гаплоидный набор хромосом, а 6 миллиардов пар основание вставляются во время репликации. На каждой эукариотической хромосоме существует множество источников репликации; геном человека имеет от 30,000 до 50,000 истоков репликации. Скорость репликации составляет приблизительно 100 нуклеотидов в секунду, что в 10 раз медленнее, чем при прокариотической репликации. 
 Основные этапы репликации в эукариотах те же, что и в прокариотах. Прежде чем начать репликацию, необходимо сделать ДНК доступной в качестве шаблона. Эукариотическая ДНК очень суперспиральная и упакованная, чему способствует множество белков, в том числе гистоны. После начала репликации в процессе, аналогичном обнаружению у прокариот, удлинению способствуют эукариотические ДНК-полимеразы. Ведущая нить непрерывно синтезируется эукариотическим полимеразным энзимом pol δ, в то время как запаздывающие нити синтезируются pol ε. Фермент рибонукласа H (RNase H) вместо ДНК-полимеразы, как и у бактерий, удаляет грунтовку РНК, которая затем заменяется нуклеотами ДНК. Зазоры, которые остаются загерметизированными лигазой ДНК. 
 Как и у прокариот, эукариотическая ДНК-полимераза может добавлять нуклеотиды только в направлении от 5 до 3’. В ведущей ветви синтез продолжается до тех пор, пока он не достигнет конца хромосомы или другой вилки репликации, прогрессирующей в противоположном направлении. На запаздывающие жилы синтезируется ДНК короткими растяжками, каждая из которых инициируется отдельной грунтовкой. Когда вилы репликации достигают конца линейной хромосомы, нет места для создания грунтовки для копирования фрагмента ДНК в конце хромосомы. Таким образом, эти концы остаются непарными, и со временем они могут становиться все короче, по мере того как клетки продолжают делить. 
 Этот текст адаптирован из <a href="https://openstax.org/books/microbiology/pages/11-2-dna-replication"> Openstax, микробиология, глава 11.2: Репликация ДНК</a>.

Репликация ДНК включает в себя разделение двух нитей двойной спирали, при этом каждая цепь служит матрицей, из которой новая комплементарная ...

Education

JoVE Core

Chemistry

Химия

Один

Biochemistry

Биохимия

KEY TERMS AND CONCEPTS

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

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