Was ist DNA? Was ist DNA-Replikation? DNA-Struktur

Was ist DNA? Was ist DNA-Replikation?

Was ist DNA?

Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist eine Nukleinsäure, die aus drei Komponenten besteht: einem Desoxyribose-Zucker, einem Phosphat und einer stickstoffhaltigen Base. Desoxyribonukleinsäure, DNA ist das genetische Material, über das eine Zelle definiert wird. Es ist ein langes Molekül, das einzigartige Codes enthält, die Anweisungen für die Synthese aller Körperproteine ​​​​geben.

DNA-Struktur

  • Das Strukturmodell der DNA wurde ursprünglich von James Watson und Francis Click vorgeschlagen.
  • Sie fanden heraus, dass DNA eine doppelhelikale Struktur mit zwei gepaarten DNA-Strängen mit komplementären Nukleotidsequenzen ist.
  • Das doppelsträngige DNA-Molekül hat zwei spiralförmige Nukleinsäureketten, die in eine Doppelhelixform verdreht sind. Die Verdrillung verleiht der DNA ihre Kompaktheit.
  • DNA besteht aus Millionen von Nukleotiden. Nukleotide sind Moleküle, die aus Desoxyribose-Zucker bestehen, mit einer Phosphatgruppe und einer daran gebundenen Nukleobase.
  • Jedes Nukleotid ist eng mit einem komplementären Nukleotid auf dem gegenüberliegenden Strang gepaart, dh Adenin (A) gepaart mit Thymin (T) oder Guanin (G) gepaart mit Cytosin (C), und daher dient die Sequenz eines Strangs als Matrize für den neuen Strang, der während der Replikation gebildet wird.
  • Nukleotide sind in Strängen über Phosphodiesterbindungen aneinander gebunden, die ein Zucker-Phosphat-Rückgrat bilden.
  • Sie bilden eine Bindung, die zwischen dem dritten Kohlenstoffatom des aus einem Zucker bestehenden Desoxyribose-Zuckers besteht, daher wird er als 3′ (drei Primzahlen) und dem fünften Kohlenstoffatom eines anderen Zuckers am nächsten Nukleotid als 5′ (fünf .) bezeichnet Primzahl).
  • Jeder Teil der Sequenz kann verwendet werden, um seine benachbarte Nukleotidsequenz während der Replikation zu erzeugen oder zu erkennen.
  • Die DNA passt in den Kern, indem sie eng in enge Spulen gepackt ist, die als Chromatine bekannt sind. Die Chromatine kondensieren bei der Zellteilung zu den Chromosomen.
  • Vor der DNA-Replikation lockern sich die Chromatine und geben der Replikationsmaschinerie Zugang zu den DNA-Strängen.
Was ist DNA? Was ist DNA-Replikation? DNA-Struktur

Was ist DNA-Replikation?

  • Dies ist ein komplexer Prozess, der während der Zellteilung (Interphase, S-Phase) stattfindet, wobei die DNA Kopien (Duplikate) anfertigt, bevor sich die Zelle durch Mitose und Meiose teilt.
  • Die DNA-Replikation ist ein semikonservativer Prozess, bei dem ein Elternstrang (Templat) verwendet wird, um einen neuen komplementären Tochterstrang unter Verwendung mehrerer Proteinelemente zu synthetisieren, zu denen Enzyme und RNA-Moleküle gehören.
  • Der DNA-Replikationsprozess verwendet DNA-Polymerase  als Hauptenzym zur Katalyse der Verbindung von Desoxyribonukleosid-5′-triphosphaten (dNTPs), die eine wachsende DNA-Kette bilden.
  • Andere Proteine ​​sind auch für die Initiierung des Prozesses und das Kopieren von DNA beteiligt, zusammen mit Korrekturlesefunktionen, um sicherzustellen, dass der Replikationsprozess genau abläuft.
  • Daher ist die DNA-Replikation ein Prozess, der identische DNA-Helices aus einem einzelnen Strang des DNA-Moleküls erzeugt.
  • Die DNA-Replikation ist ein wesentlicher Mechanismus zur Verbesserung des Zellwachstums, der Reparatur und der Reproduktion eines Organismus.
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Der Mechanismus der DNA-Replikation

Zusammenfassung : Die DNA-Replikation erfolgt in drei Hauptschritten.

  1. Öffnung der doppelsträngigen helikalen Struktur der DNA und Trennung der Stränge
  2. Grundierung der Schablonenstränge
  3. Zusammenbau der neu gebildeten DNA-Segmente.
  • Während der DNA-Trennung entrollen sich die beiden Stränge an einer bestimmten Stelle, die als Ursprung bekannt ist . Unter Beteiligung mehrerer Enzyme und Proteine ​​bereiten sie die Stränge für die Duplikation vor (primen).
  • Am Ende des Prozesses beginnt das DNA-Polymerase-Enzym, den Zusammenbau der neuen DNA-Stränge zu organisieren.
  • Dies sind die allgemeinen Schritte der DNA-Replikation für alle Zellen, sie können jedoch je nach Organismus und Zelltyp spezifisch variieren.
  • Enzyme spielen eine wichtige Rolle bei der DNA-Replikation, da sie mehrere wichtige Phasen des gesamten Prozesses katalysieren.
  • Die DNA-Replikation ist einer der wichtigsten Mechanismen der Zellfunktion und daher wurde intensiv geforscht, um ihre Prozesse zu verstehen.
  • Der Mechanismus der DNA-Replikation ist bei Escherichia coli gut verstanden , der auch dem in eukaryontischen Zellen ähnelt.
  • In E. coli wird die DNA-Replikation am oriClocus (oriC) initiiert, an den das DnaA-Protein bindet, während die Hydrolyse von ATP stattfindet.

DNA-Replikationsenzyme und Proteine

DNA-Polymerase

  • DNA-Polymerasen sind Enzyme, die für die Synthese von DNA verwendet werden, indem Nukleotide einzeln an die wachsende DNA-Kette hinzugefügt werden. Das Enzym baut komplementäre Aminosäuren zum Matrizenstrang ein.
  • DNA-Polymerase wird sowohl in prokaryontischen als auch in eukaryontischen Zellen gefunden. Beide enthalten mehrere verschiedene DNA-Polymerasen, die für unterschiedliche Funktionen bei der DNA-Replikation und DNA-Reparaturmechanismen verantwortlich sind.

DNA-Helikase-Enzym

  • Dies ist das Enzym, das an der Entwindung der doppelhelikalen Struktur der DNA beteiligt ist, was den Beginn der DNA-Replikation ermöglicht.
  • Es verwendet Energie, die während der ATP-Hydrolyse freigesetzt wird, um die Wasserstoffbrücke zwischen den DNA-Basen aufzubrechen und die Stränge zu trennen.
  • Dadurch werden an jedem abgetrennten Strang zwei Replikationsgabeln gebildet, die sich in entgegengesetzte Richtungen öffnen.
  • Bei jeder Replikationsgabel muss sich der elterliche DNA-Strang abwickeln, um neue Abschnitte einzelsträngiger Matrizen freizulegen.
  • Das Helikase-Enzym wickelt die Stränge genau ab, während die Topographie auf dem DNA-Molekül beibehalten wird.

DNA-Primase-Enzym

  • Dies ist eine Art von RNA-Polymerase-Enzym, das verwendet wird, um RNA-Primer zu synthetisieren oder zu erzeugen, bei denen es sich um kurze RNA-Moleküle handelt, die als Matrizen für die Initiation der DNA-Replikation fungieren.

DNA-Ligase-Enzym

  • Dies ist das Enzym, das DNA-Fragmente miteinander verbindet, indem es Phosphodiester-Bindungen zwischen Nukleotiden bildet.

Exonuklease

  • Dies ist eine Gruppe von Enzymen, die Nukleotidbasen vom Ende einer DNA-Kette entfernen.

Topoisomerase

  • Dies ist das Enzym, das das Problem des beim Abwickeln verursachten topologischen Stresses löst.
  • Sie schneiden einen oder beide Stränge der DNA, so dass sich der Strang umeinander bewegen kann, um Spannungen abzubauen, bevor er sich wieder mit den Enden verbindet.
  • Und deshalb katalysiert das Enzym den reversiblen Bruch, den es verursacht, indem es die gebrochenen Stränge verbindet.
  • Topoisomerase ist in E. coli auch als DNA-Gyrase bekannt .

Telomerase

  • Dies ist ein Enzym, das in eukaryotischen Zellen vorkommt und den Telomeren der Chromosomen nach der Teilung eine bestimmte DNA-Sequenz hinzufügt, wodurch die Chromosomen im Laufe der Zeit stabilisiert werden.

Schritte/Stufen der DNA-Replikation

Einleitung

  • Dies ist das Stadium, in dem die DNA-Replikation initiiert wird.
  • Die DNA – Synthese wird innerhalb des Matrizenstrangs an einer spezifischen kodierenden Regionsstelle initiiert , die als Ursprünge bekannt ist .
  • Die Ursprungsstellen werden von den Initiatorproteinen angesteuert , die zusätzliche Proteine ​​rekrutieren, die beim Replikationsprozess helfen, einen Replikationskomplex um den DNA-Ursprung herum zu bilden.
  • Es gibt mehrere Ursprungsstellen, an denen die DNA-Replikation initiiert wird, und sie werden alle als Replikationsgabeln bezeichnet.
  • Der gebildete Replikationskomplex enthält das DNA-Helikase-Enzym, dessen Funktion darin besteht, die Doppelhelix aufzuwickeln, wodurch die beiden Stränge freigelegt werden, die als Matrizen für die Replikation dienen.
  • Der Mechanismus des DNA-Helikase-Enzyms besteht darin, das ATP zu hydrolysieren, das verwendet wird, um die Bindungen zwischen den Nukleobasen zu bilden, wodurch die Bindung aufbricht, die die beiden Stränge hält.
  • Darüber hinaus synthetisiert das DNA-Primase-Enzym während der Initiation kleine RNA-Primer, die die Funktion der DNA-Polymerase ankurbeln.
  • Das DNA-Polymerase-Enzym funktioniert durch das Züchten des neuen DNA-Tochterstrangs.

Verlängerung

  • Dies ist die Phase, in der die DNA-Polymerase den neuen DNA-Tochterstrang wachsen lässt, indem sie sich an den ursprünglichen entpackten Matrizenstrang und den initiierenden kurzen RNA-Primer anheftet.
  • Die DNA-Polymerase ist in der Lage, einen neuen Strang zu synthetisieren, der der Matrize entspricht, indem sie den Primer durch Anfügen freier Nukleotide am 3′-Ende verlängert.
  • Eine der Matrizen liest in 3′- bis 5′-Richtung, und daher synthetisiert die DNA-Polymerase den neuen Strang in der 5′- bis 3′-Richtung, der als Leitstrang bekannt ist.
  • Entlang des Matrizenstrangs synthetisiert DNA-Primase einen kurzen RNA-Primer am Anfang der Matrize in 5′-zu-3′-Richtung, der die DNA-Polymerase dazu veranlasst, die Synthese neuer Nukleotide fortzusetzen und den neuen DNA-Strang zu verlängern.
  • Die andere Matrize (5′ bis 3′) wird in antiparalleler Richtung verlängert, indem kurze RNA-Primer hinzugefügt werden, die mit anderen Verbindungsfragmenten gefüllt sind, wodurch der neu gebildete nacheilende Strang gebildet wird. Diese kurzen Fragmente sind als Okazaki-Fragmente bekannt.
  • Die Synthese des nacheilenden Strangs ist diskontinuierlich, da der neu gebildete Strang disjunkt ist.
  • Die RNA-Nukleotide aus den kurzen RNA-Primern müssen entfernt und durch DNA-Nukleotide ersetzt werden, die dann durch das DNA-Ligase-Enzym verbunden werden.

Beendigung

  • Nach der Synthese und Verlängerung sowohl der kontinuierlichen als auch der unterbrochenen Stände entfernt ein als Exonuklease bezeichnetes Enzym alle RNA-Primer aus den ursprünglichen Strängen.
  • Die Primer werden durch die richtigen Nukleotidbasen ersetzt.
  • Während die Primer entfernt wurden, las eine andere Art von Exonuklease die neuen Stände Korrektur, überprüfte, entfernte und ersetzte alle während der Synthese entstandenen Fehler.
  • Das DNA-Ligase-Enzym verbindet die Okazaki-Fragmente, um einen einzigen einheitlichen Strang zu bilden.
  • Die Enden des Elternstrangs bestehen aus einer Wiederholung von DNA-Sequenzen, die als Telomere bekannt sind und als Schutzkappen an den Enden der Chromosomen fungieren und die Verschmelzung benachbarter Chromosomen verhindern.
  • Die Telomere werden von einem speziellen DNA-Polymerase-Enzym namens Telomerase synthetisiert.
  • Es katalysiert die Telomersequenzen am Ende der DNA.
  • Nach Abschluss wickeln sich der Elternstrang und der komplementäre Strang in eine Doppelhelixform, wodurch zwei DNA-Moleküle erzeugt werden, von denen jedes einen Strang des Elternmoleküls und einen neuen Strang passiert.

Okazaki-Fragmente

  • Die beiden DNA-Stränge verlaufen in entgegengesetzte oder antiparallele Richtungen, und daher erfordert die kontinuierliche Synthese der beiden neuen Stränge an der Replikationsgabel, dass ein Strang in 5’to3to-Richtung synthetisiert wird, während der andere in entgegengesetzter Richtung, 3’to ., synthetisiert wird 5′.
  • DNA-Polymerase kann jedoch nur die Polymerisation der dNTPs nur in 5′- nach 3′-Richtung katalysieren.
  • Dies bedeutet, dass der andere gegenüberliegende neue Strang anders synthetisiert wird. Aber wie?
  • Durch das Zusammenfügen diskontinuierlicher kleiner DNA-Stücke, die ausgehend von der Bewegungsrichtung der Replikationsgabel rückwärts synthetisiert werden. Diese kleinen Stücke oder Fragmente des neuen DNA-Strangs werden als Okasaki-Fragmente bezeichnet.
  • Die Okasaki-Fragmente werden dann durch die Wirkung von DNA-Ligase verbunden, die einen intakten neuen DNA-Strang bildet, der als Lagging-Strang bekannt ist.
  • Die nachlaufende Phase wird nicht durch den Primer synthetisiert, der die Synthese des Leitstrangs initiiert.
  • Stattdessen dient ein kurzes RNA-Fragment als Primer (RNA-Primer) für die Initiierung der Replikation des nacheilenden Strangs.
  • RNA-Primer werden während der Synthese von RNA gebildet, die de novo initiiert wird, und ein Enzym, das als Primase bekannt ist, synthetisiert diese kurzen RNA-Fragmente, die 3 bis 10 Nukleotide lang sind und komplementär zum nacheilenden Strang-Templat an der Replikationsgabel sind.
  • Die Okazaki-Fragmente werden dann durch die Verlängerung der RNA-Primer durch DNA-Polymerase synthetisiert.
  • Der neu synthetisierte nacheilende Strang enthält jedoch eine RNA-DNA-Verbindung, die die kritische Rolle der RNA bei der DNA-Replikation definiert.

Replikationsgabelbildung und ihre Funktion

  • Die Replikationsgabel ist der Ort der aktiven DNA-Synthese, an dem sich die DNA-Helix abwickelt und Einzelstränge der DNA replizieren.
  • Mehrere Ursprungsorte repräsentieren die Replikationsgabeln.
  • Die Replikationsgabel wird während der DNA-Strang-Entwindung durch das Helikase-Enzym gebildet, das den Replikationsursprung freilegt. Ein kurzer RNA-Primer wird durch Primase synthetisiert und Elongation durch DNA-Polymerase durchgeführt.
  • Die Replikationsgabel bewegt sich in Richtung der Neustrangsynthese. Die neuen DNA-Stränge werden in zwei Orientierungen synthetisiert, dh in 3′- bis 5′-Richtung, dem führenden Strang, und in der 5′- bis 3′-Richtung, dem nacheilenden Strang.
  • Die beiden Seiten des neuen DNA-Strangs (führender und nacheilender Strang) werden in zwei entgegengesetzte Richtungen von der Replikationsgabel aus repliziert.
  • Daher ist die Replikationsgabel bidirektional.

Replikationsgabelbildung und ihre Funktion

  • Die Replikationsgabel ist der Ort der aktiven DNA-Synthese, an dem sich die DNA-Helix abwickelt und Einzelstränge der DNA replizieren.
  • Mehrere Ursprungsorte repräsentieren die Replikationsgabeln.
  • Die Replikationsgabel wird während der DNA-Strang-Entwindung durch das Helikase-Enzym gebildet, das den Replikationsursprung freilegt. Ein kurzer RNA-Primer wird durch Primase synthetisiert und Elongation durch DNA-Polymerase durchgeführt.
  • Die Replikationsgabel bewegt sich in Richtung der Neustrangsynthese. Die neuen DNA-Stränge werden in zwei Orientierungen synthetisiert, dh in 3′- bis 5′-Richtung, dem führenden Strang, und in der 5′- bis 3′-Richtung, dem nacheilenden Strang.
  • Die beiden Seiten des neuen DNA-Strangs (führender und nacheilender Strang) werden in zwei entgegengesetzte Richtungen von der Replikationsgabel aus repliziert.
  • Daher ist die Replikationsgabel bidirektional.

Warum ist die DNA-Replikation wichtig?

  • Die DNA-Replikation findet während der Zellteilung statt und ermöglicht die Vermehrung und Teilung der DNA, indem zwei Kopien des Genoms von einem einzigen Elterngenom erstellt werden.
  • Und daher liegt seine Bedeutung in der Schaffung neuer und nächster DNA-Kopien, die zwei Tochterzellen aus einer einzigen Elternzelle hervorbringen.
  • Jede neue Zelle wird mit ihrem eigenen Genom gebildet.
  • Dies verbessert die Vererbung durch Fortpflanzung und Zellteilung.

DNA-Replikationsstress

Während der DNA-Replikation unterliegen der Prozess und das DNA-Genom verschiedenen Belastungen, die sich aus dem Mechanismus ergeben. diese Belastungen führen zu einer blockierten Replikation und einer blockierten Replikationsgabelbildung. Mehrere Ereignisse tragen zu diesen Belastungen bei, darunter:

  • Ungewöhnliche DNA-Struktur
  • Nicht übereinstimmende Ribonukleotide
  • Spannungen aufgrund gleichzeitiger Replikations- und Transkriptionsmechanismen
  • Unzureichende Verfügbarkeit wichtiger Replikationsfaktoren
  • Fragile Stellen auf dem replizierenden DNA-Strang
  • Überexpression oder konstitutive Aktivierung von Onkogenen
  • Unzugängliche Chromatine

Kinase-regulierende Proteine ​​wie ATM ( ATM-Serin/Threonin-Kinase ) und ATP sind Proteine, die bei der Linderung von Replikationsstress helfen. Diese Proteine ​​werden durch DNA-Schäden rekrutiert und aktiviert.

Angehaltene Replikationsgabeln können zusammenbrechen, wenn sich die regulatorischen Proteine ​​nicht stabilisieren, und wenn dies geschieht, findet die Initiierung von Reparaturmechanismen zum Wiederzusammenbau der Replikationsgabeln statt. Dies hilft, Schäden an den beschädigten DNA-Enden zu beheben.

DNA-Replikation in Eukaryoten (Unterschiede zu Prokaryoten)

Die DNA-Replikation in Prokaryoten und Eukaryoten weist mehrere ähnliche Merkmale und auch Unterschiede auf. Dies hängt von der Zellgröße und Genomgröße ab.

Ähnlichkeiten zwischen prokaryotischer und eukaryotischer DNA-Replikation

  • Der Abwickelmechanismus der DNA vor Beginn der Replikation ist für Prokaryoten und Eukaryoten gleich.
  • In beiden Organismen koordinierte das DNA-Polymerase-Enzym die Synthese neuer DNA-Stränge.
  • Darüber hinaus verwenden beide Organismen das semi-konservative Replikationsmuster, wodurch die führenden und die nacheilenden Stränge in unterschiedliche Richtungen verlaufen. Okasaki-Fragmente bilden den nacheilenden Strang.
  • Schließlich initiieren beide Organismen die DNA-Replikation mit einem kurzen RNA-Primer.

Unterschiede zwischen der DNA-Replikation in Eukaryoten und Prokaryoten

SNEukaryotische DNA-ReplikationProkaryontische DNA-Replikation
1.Aufgrund der Größe von Eukaryoten besitzen sie 25-mal mehr DNAAufgrund ihrer geringen Größe haben sie sehr wenig/wenig DNA
2.Eukaryontische Zellen haben mehrere Ursprungspunkte und verwenden eine unidirektionale Replikation innerhalb des Zellkerns.Prokaryontische Zellen haben einen einzigen Ursprungspunkt und die Replikation erfolgt gleichzeitig in zwei entgegengesetzte Richtungen und findet im Zellzytoplasma statt.
3.Eukaryoten haben vier oder mehr Arten von Polymerasen.Prokaryontische Zellen besitzen einen oder zwei Typen von Polymerasen.
4.Die Replikation eukaryontischer Zellen ist langsamer und dauert bis zu 400 Stunden.Die Replikation in prokaryotischen Zellen ist schneller und dauert bis zu 40 Minuten.
5.Eukaryoten haben einen bestimmten Prozess zur Replikation der Telomere an den Enden ihrer Chromosomen.Prokaryoten haben zirkuläre chromosomale DNA, daher haben sie keine Enden zu synthetisieren.
6.Eukaryontische Zellen unterliegen nur der DNA-Replikation während der S-Phase des Zellzyklus.Die Replikation in Prokaryoten findet fast kontinuierlich statt.

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