- La replicazione del DNA è semi-conservativa
- Replicazione della batteria
- Inizio della replicazione del DNA nei batteri
- Biosintesi dei filamenti di DNA figlie nei batteri
- Un complesso di enzimi è responsabile della replicazione del DNA nei batteri
- I trifosfati desossiribonucleotidi sono usati dalla DNA polimerasi
- Meccanismi che garantiscono la fedeltà della replicazione del DNA
- Replicazione del DNA negli eucarioti
- La replicazione del DNA nel ciclo cellulare eucariotico e
- Replicazione delle estremità dei cromosomi negli eucarioti
- Le funzioni di altre DNA polimerasi negli eucarioti
- Replicazione del DNA negli archeobatteri
- Riferimenti
La replicazione del DNA (acido desossiribonucleico) consiste nel copiare il genoma, cioè tutte le informazioni genetiche nel DNA di un organismo per produrre due copie identiche. Il genoma ha le informazioni necessarie per costruire un organismo completo.
Prima della divisione cellulare, avviene la replicazione del DNA. Attraverso la meiosi, i gameti vengono prodotti per la riproduzione sessuale. Attraverso la mitosi, avvengono la sostituzione cellulare (p. Es., Pelle e sangue) e lo sviluppo (p. Es., Tessuti e organi).
Fonte: io, Madprime
Conoscere la struttura del DNA ci permette di capire come avviene la sua replicazione. La struttura del DNA è costituita da una doppia elica, composta da due catene antiparallele di nucleotidi successivi, le cui basi azotate si completano a vicenda in modo specifico.
Durante la replicazione, ogni filamento del doppio filamento di DNA funge da modello per la biosintesi di un nuovo filamento. Le due catene di nuova sintesi hanno basi complementari alle basi della catena modello: adenina (A) con timina (T) e citosina (C) con guanina (G).
Vari enzimi e proteine sono coinvolti nella replicazione del DNA. Ad esempio, aprendo la doppia elica del DNA, mantenendo aperto il DNA e aggiungendo desossiribonucleosidi-5′-trifosfato (dNTP) per formare il nuovo filamento.
La replicazione del DNA è semi-conservativa
Basandosi sulla struttura del DNA, Watson e Crick hanno proposto che la replicazione del DNA avvenga in modo semi-conservativo. Ciò è stato dimostrato da Meselson e Stahl etichettando il DNA di Escherichia coli con l'isotopo pesante dell'azoto, 15 N, seguendo il modello di distribuzione in un mezzo di coltura con azoto leggero, 14 N per diverse generazioni .
Meselson e Stahl hanno scoperto che, nella prima generazione, le due molecole di DNA figlie avevano ciascuna molecola etichettata con una catena con l'isotopo pesante dell'azoto e un'altra con l'isotopo leggero. A differenza della molecola genitrice del DNA, che aveva entrambi i filamenti etichettati con l'isotopo pesante, 15 N.
Nella seconda generazione, il 50% delle molecole di DNA erano come quelle della prima generazione e l'altro 50% aveva solo azoto leggero. L'interpretazione di questo risultato è che la doppia elica figlia ha una catena genitore (che funge da modello) e una nuova catena.
Il meccanismo di replicazione semi-conservativa comporta la separazione dei filamenti di DNA e l'accoppiamento di basi complementari attraverso l'accoppiamento successivo di nucleotidi, producendo due doppie eliche figlie.
Replicazione della batteria
Inizio della replicazione del DNA nei batteri
Il DNA batterico è costituito da un cromosoma circolare e ha un solo sito di origine della replicazione. Da questo sito, la biosintesi delle due catene figlie avviene in modo bidirezionale, formando due fork di replicazione che si muovono in direzioni opposte all'origine. Alla fine, le forcine si incontrano, completando la replica.
La replicazione inizia con il legame delle proteine DnaA al sito di origine. Queste proteine a loro volta formano un complesso. Quindi le proteine HU e IHF, tra le altre, si uniscono, che insieme piegano il DNA, provocando la separazione dei due filamenti di DNA in una regione ricca di timina e adenina.
Successivamente, le proteine DNaC si legano, il che fa sì che le DNA elicasi si leghino. Aiutano a rilassare il DNA e a rompere i legami idrogeno, formati tra le coppie di basi. Quindi le due catene vengono ulteriormente separate, formando due semplici catene.
La topoisomerasi II, o DNA girasi, si muove davanti alla DNA elicasi, diminuendo le supercoil positive. Le proteine leganti il DNA a filamento singolo (SSB) tengono separati i filamenti di DNA. Quindi, può iniziare la biosintesi della catena figlia.
Biosintesi dei filamenti di DNA figlie nei batteri
L'enzima primasi è responsabile della sintesi di brevi catene di RNA chiamate primer, che sono lunghe 10-15 nucleotidi. La DNA polimerasi inizia ad aggiungere 5′-trifosfato deossinucleosidi (dNTP) all'estremità 3′-OH dello zucchero del primer, dopodiché il filo continua a crescere dalla stessa estremità.
Poiché i filamenti di DNA sono antiparalleli, un primer viene sintetizzato sul filamento leader e molti primer sul filamento lag. Per questo motivo, la biosintesi della catena ritardata è discontinua. Sebbene i filamenti di DNA siano antiparalleli, la forcella di replicazione si muove in una sola direzione.
La DNA polimerasi è responsabile della formazione di legami covalenti tra nucleotidi adiacenti delle catene appena sintetizzate, nella direzione 5'®3 ′. In E. coli, ci sono cinque DNA polimerasi: le DNA polimerasi I e III effettuano la replicazione del DNA; e le DNA polimerasi II, IV e V sono responsabili della riparazione e della replicazione del DNA danneggiato.
La maggior parte della replicazione viene eseguita dalla DNA polimerasi III, che è un oloenzima che ha 10 diverse subunità con varie funzioni nella replicazione del DNA. Ad esempio, la subunità alfa è responsabile della creazione di collegamenti tra nucleotidi.
Un complesso di enzimi è responsabile della replicazione del DNA nei batteri
DNA elicasi e primasi si uniscono per formare un complesso chiamato primosoma. Questo si muove lungo il DNA, agendo in modo coordinato per separare i due filamenti parentali, sintetizzando i primer ad ogni certo intervallo sul filamento ritardato.
Il primosoma si lega fisicamente alla DNA polimerasi III e forma il replisoma. Due DNA polimerasi III sono responsabili della replicazione del DNA delle catene guida e ritardate. Rispetto alla DNA polimerasi III, il filamento ritardato forma un anello verso l'esterno, che consente l'aggiunta di nucleotidi a questo filamento nella stessa direzione del filamento guida.
L'aggiunta di nucleotidi alla catena leader è continua. Mentre nel ritardato è discontinuo. Si formano frammenti di 150 nucleotidi di lunghezza, chiamati frammenti di Okazaki.
L'attività esonucleasica 5 ′ -> 3 ′ della DNA polimerasi I è responsabile dell'eliminazione dei primer e del riempimento, aggiungendo nucleotidi. Un enzima ligasi sigilla gli spazi tra i frammenti. La replica termina quando i due hook di replica si incontrano in una sequenza di terminazione.
La proteina Tus si lega alla sequenza di terminazione, arrestando il movimento della forcella di replicazione. La topoisomerasi II consente la separazione dei due cromosomi.
I trifosfati desossiribonucleotidi sono usati dalla DNA polimerasi
Il deossinucleoside trifosfato (dNTP) contiene tre gruppi fosfato attaccati al carbonio 5 'del desossiribosio. I dNTP (dATP, dTTP, dGTP e dCTP) si legano alla catena del modello seguendo la regola AT / GC.
La DNA polimerasi catalizza la seguente reazione: Il gruppo idrossile 3 '(–OH) del nucleotide del filamento in crescita reagisce con l'alfa fosfato del dNTP in entrata, rilasciando pirofosfato inorganico (PPi). L'idrolisi di PPi produce l'energia per la formazione del legame covalente, o legame fosfodiestere, tra i nucleotidi della catena in crescita.
Meccanismi che garantiscono la fedeltà della replicazione del DNA
Durante la replicazione del DNA, la DNA polimerasi III commette un errore di 100 milioni di nucleotidi. Sebbene la probabilità di errore sia molto bassa, esistono meccanismi che garantiscono la fedeltà nella replicazione del DNA. Questi meccanismi sono:
1) Stabilità nell'accoppiamento di base. L'energia di legame idrogeno tra AT / GC è maggiore rispetto alle coppie di basi sbagliate.
2) Struttura del sito attivo della DNA polimerasi. La DNA polimerasi catalizza preferenzialmente le giunzioni nucleotidiche con basi corrette sul filamento opposto. Un cattivo accoppiamento di basi provoca una distorsione della doppia elica del DNA, che impedisce al nucleotide sbagliato di occupare il sito attivo dell'enzima.
3) Test di lettura. La DNA polimerasi identifica i nucleotidi errati incorporati e li rimuove dal filamento figlia. L'attività esonucleasica della DNA polimerasi rompe i legami fosfodiestere tra i nucleotidi all'estremità 3 'del nuovo filamento.
Replicazione del DNA negli eucarioti
A differenza della replica nei procarioti, in cui la replica inizia in un singolo sito, la replica negli eucarioti inizia in più siti di origine e il fork di replica si sposta in modo bidirezionale. Successivamente, tutte le forcine di replicazione si fondono, formando due cromatidi fratelli uniti al centromero.
Gli eucarioti possiedono molti tipi di DNA polimerasi, i cui nomi utilizzano lettere greche. La DNA polimerasi α forma un complesso con la primasi. Questo complesso sintetizza brevi primer costituiti da 10 nucleotidi di RNA seguiti da 20-30 nucleotidi di DNA.
Successivamente, ε o δ DNA polimerasi catalizza l'allungamento del filamento figlia dal primer. La DNA polimerasi ε è coinvolta nella sintesi della catena leader, mentre la DNA polimerasi δ sintetizza la catena ritardata.
La DNA polimerasi δ allunga il frammento di Okazaki a sinistra fino a raggiungere il primer RNA a destra, producendo un breve lembo del primer. A differenza dei procarioti, dove una DNA polimerasi rimuove il primer, negli eucarioti un enzima di endonucleasi Flap rimuove il primer RNA.
Successivamente, una ligasi di DNA sigilla i frammenti di DNA adiacenti. Il completamento della replicazione avviene con la dissociazione delle proteine dalla forcella di replicazione.
La replicazione del DNA nel ciclo cellulare eucariotico e
La replicazione negli eucarioti avviene nella fase S del ciclo cellulare. Le molecole di DNA replicate vengono secrete in due cellule figlie durante la mitosi. Le fasi G1 e G2 separano la fase S e la mitosi. La progressione attraverso ogni fase del ciclo cellulare è altamente regolata da chinasi, fosfatasi e proteasi.
Nella fase G1 del ciclo cellulare, il complesso di riconoscimento dell'origine (OCR) si lega al sito di origine. Ciò induce il legame delle elicasi MCM e di altre proteine, come Cdc6 e Cdt1, per formare un complesso di pre-replicazione (preRC). L'elicase MCM si lega alla catena di guida.
Nella fase S, preRC diventa un sito di replica attivo. Le proteine OCR, Cdc6 e Cdt1 vengono rilasciate e l'elicasi MCM si muove nella direzione da 3 'a 5'. Una volta che la replica è terminata, verrà riavviata nel ciclo cellulare successivo.
Replicazione delle estremità dei cromosomi negli eucarioti
Le estremità dei cromosomi sono note come telomeri, che consistono in sequenze tandem ripetute e una regione 3 'che sporge, da 12 a 16 nucleotidi di lunghezza.
La DNA polimerasi non è in grado di replicare l'estremità 3 'dei filamenti di DNA. Ciò è dovuto al fatto che la DNA polimerasi può sintetizzare il DNA solo nella direzione 5'-3 'e può solo allungare i fili preesistenti, senza essere in grado di sintetizzare un primer in questa regione. Di conseguenza, i telomeri si accorciano ad ogni ciclo di replicazione.
L'enzima telomerasi previene l'accorciamento dei telomeri. La telomerasi è un enzima che possiede proteine e subunità di RNA (TERC). Quest'ultimo si lega alle sequenze ripetute del DNA e consente alla telomerasi di legarsi all'estremità 3 'del telomero.
Una sequenza di RNA dietro il sito di giunzione funge da modello per la sintesi di una sequenza di sei nucleotidi (polimerizzazione) all'estremità del filamento di DNA. L'allungamento dei telomeri è catalizzato dalle subunità della telomerasi, chiamata trascrittasi inversa della telomerasi (TERT).
Dopo la polimerizzazione, avviene la traslocazione, consistente nel movimento della telomerasi verso una nuova estremità della catena del DNA, unendo altri sei nucleotidi fino alla fine.
Le funzioni di altre DNA polimerasi negli eucarioti
La DNA polimerasi β gioca un ruolo importante nella rimozione delle basi errate dal DNA, ma non è coinvolta nella replicazione del DNA.
Molte DNA polimerasi scoperte appartengono al gruppo delle polimerasi "replicanti la translesione". Queste polimerasi sono responsabili della sintesi di filamenti complementari in una regione di DNA danneggiato.
Esistono diversi tipi di polimerasi "replicanti la translesione". Ad esempio, la DNA polimerasi η può replicarsi sui dimeri di timina, che sono prodotti dalla luce UV.
Replicazione del DNA negli archeobatteri
La replicazione del DNA archeobatterico è simile a quella degli eucarioti. Ciò è dovuto a quanto segue: 1) le proteine che partecipano alla replicazione sono più simili a quelle degli eucarioti rispetto a quelle dei procarioti; e 2) sebbene esista un solo sito di replicazione come nei procarioti, la sua sequenza è simile al sito di origine degli eucarioti.
La somiglianza nella replicazione tra Archea ed eucarioti supporta l'idea che entrambi i gruppi siano filogeneticamente più legati l'uno all'altro che ai procarioti.
Riferimenti
- Brooker, RJ 2018. Analisi e principi genetici. McGraw-Hill, New York.
- Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetica - dai geni ai genomi. McGraw-Hill, New York.
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- Lewis, R., 2015. Concetti e applicazioni della genetica umana. McGraw-Hill, New York.
- Pierce, BA 2005. Genetica - un approccio concettuale. WH Freeman, New York.