ДНК Реплікація: Моторний Запас Копіювання Життя

Відкриття подвійного спираля

ДНК реплікація починається з місця реплікації, специфічної послідовності, де зв’язуються і залучають фермент хелази ініціаторні білки. Хелаза — це молекулярний двигун, який розриває водневі зв’язки, що утримують дві комплементарні нитки разом, розкручуючи подвійну спіраль і створюючи Y-подібний реплікаційний риф. Оскільки ДНК є правоїhanded спіраллю, розкручування її попереду риф змушує спіраль ще більше скручуватися вгору — напругу знімає топоізомераза, яка обрізає та відновлює нитку, щоб дозволити накопиченню суперкотуванні розсіюватися. Білки зв’язування з одноланцюговою ДНК потім покривають відкриті одноланцюгові нитки, щоб запобігти їхньому розриву перед копіюванням.

Правило, що визначає все: лише 5' до 3'

Ензим, який фактично будує нову ДНК – ДНК-полімераза III – може додавати нуклеотиди лише до вільної 3’ гідроксильної кінцівки існуючої нитки — він може подовжувати ланцюг від 5' до 3', ніколи не навпаки. Це одне механічне обмеження змушує весь механізм реплікації мати асиметричну конструкцію, оскільки дві матричні нитки проходять антипаралельно одна одній.

матрична (лідируюча): 3' — — — — — — — — — 5' нова лідируюча нитка: 5' — — — — — — — — — 3' безперервне синтезування матрична (залишкова): 5' — — — — — — — — — 3' нова залишкова нитка: 3'←фраг 3'←фраг 3'←фраг (будується у коротких зворотніх шматочках, потім з’єднується) На лідируючій нитці матрична нитка випадково йде в напрямку, що дозволяє ДНК-полімеразі III безперервно слідувати за розбіжним краєм, потрібен лише один РНК-промінь, який закладається раз примазою на початку. На залишковій нитці матрична нитка йде в неправильному напрямку для безперервного синтезу, тому клітина копіює її назад короткими імпульсами.

template (leading):  3' — — — — — — — — — 5'   (fork moves →)
new leading strand:  5' — — — — — — — — — 3'   continuous synthesis

template (lagging):  5' — — — — — — — — — 3'   (fork moves →)
new lagging strand:      3'←frag  3'←frag  3'←frag   (built in short
                                                        backward-facing
                                                        pieces, then joined)

Окзаказькі фрагменти та відстаюча нитка

Кожного разу, коли відгалуження виявляє свіжий шматок відстаючої нитки шаблону, праймеза укладає коротку РНК-праймер, а ДНК-полімераза III подовжує його до тих пір, поки вона не зустрічає РНК-праймер попереднього фрагменту – це називається окзаказьким фрагментом, приблизно 100–200 нуклеотидів у людських клітинах (і 1000–2000 у бактеріях). Інший фермент, ДНК-полімераза I, видаляє кожен РНК-праймер і заповнює отриманий проміжок ДНК, а ДНК-лігаз приєднує останні фрагменти, утворюючи останній фосфодіестерний зв’язок. У результаті відстаюча нитка зшита з десятків окремо розпочатих і окремо завершених шматків – механічно не така акуратна, як лідируюча, але хімічно однакова після того, як виконано приєднання лігазою.

Швидкість, точність та редагування

Людина-копіювальник рухається приблизно з 50 нуклеотидами за секунду — повільніше порівняно з бактеріальним DNA полімеразом III, який може перевищувати 1000 нуклеотидів на секунду, оскільки євкріотична ДНК спіралюється навколо білків гістону, які тимчасово відсуваються попереду воронки. Людські хромосоми компенсують це тисячами початків одночасно, а не покладаючись на одну воронку для покриття всього геному. Точність забезпечується двошарною системою контролю помилок: DNA полімераз III має вбудований 3' до 5' екзонуклеазу, який перевіряє та видаляє будь-яку невідповідність безпосередньо, а окрема система ремонту невідповідностей сканує готовий ланцюг після цього. Разом це знижує кінцеву частоту помилок до приблизно однієї помилки на кожен мільярд копіюваних пар баз.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте DNA Replication і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.