Replikacja semikonserwatywna - Semiconservative replication

Replikacja semikonserwatywna opisuje mechanizm replikacji DNA we wszystkich znanych komórkach. Replikacja DNA zachodzi w wielu miejscach początkowych replikacji wzdłuż nici matrycy DNA. Ponieważ podwójna helisa DNA jest rozwijana przez helikazy , replikacja zachodzi oddzielnie na każdej nici matrycowej w kierunkach przeciwrównoległych. Proces ten jest znany jako replikacja semikonserwatywna, ponieważ powstają dwie kopie oryginalnej cząsteczki DNA, każda kopia zachowuje (replikuje) informacje z połowy oryginalnej cząsteczki DNA. Każda kopia zawiera jedną oryginalną nić i jedną nowo zsyntetyzowaną nić. (Obie kopie powinny być identyczne, ale nie jest to do końca zapewnione.) Struktura DNA (rozszyfrowana przez Jamesa D. Watsona i Francisa Cricka w 1953) sugeruje, że każda nić podwójnej helisy służyłaby jako szablon do syntezy nowa nić. Nie było wiadomo, w jaki sposób nowo zsyntetyzowane nici łączą się z nićmi matrycowymi, tworząc dwie cząsteczki DNA o podwójnej spirali.

Odkrycie

Eksperyment Meselsona-Stahla wykorzystujący izotopy do odkrycia replikacji semikonserwatywnej.

Przeprowadzono wiele eksperymentów, aby określić, w jaki sposób DNA ulega replikacji. Model semikonserwatywny był oczekiwany przez Nikołaja Kolcowa, a później poparty eksperymentem Meselsona-Stahla , który potwierdził, że DNA replikuje się semikonserwatywnie, przeprowadzając eksperyment z użyciem dwóch izotopów : azotu-15 (15
n
) i azot-14 (14
n
). Kiedy14
n
 został dodany do ciężkiego 15
n
-15
n
 DNA, hybryda 15
n
-14
n
był widziany w pierwszym pokoleniu. Po drugiej generacji hybryda pozostała, ale lekki DNA (14
n
-14
n
). Wskazuje to, że DNA replikuje się semikonserwatywnie. Ten tryb replikacji DNA pozwalał, aby każda nić potomna pozostawała związana z jej nicią matrycową.

Modele replikacji

Trzy postulowane metody syntezy DNA

Replikacja semikonserwatywna wywodzi swoją nazwę od faktu, że ten mechanizm transkrypcji był jednym z trzech pierwotnie zaproponowanych modeli replikacji DNA :

  • Replikacja semikonserwatywna dałaby dwie kopie, z których każda zawierała jedną z oryginalnych nici DNA i jedną nową nić. Replikacja semikonserwatywna jest korzystna dla naprawy DNA. Podczas replikacji nowa nić DNA dostosowuje się do modyfikacji dokonanych na nici matrycowej.
  • Konserwatywna replikacja pozostawiłaby dwie oryginalne nici DNA matrycy razem w podwójnej helisie i wytworzyłaby kopię złożoną z dwóch nowych nici zawierających wszystkie nowe pary zasad DNA.
  • Replikacja dyspersyjna wytworzyłaby dwie kopie DNA, obie zawierające odrębne regiony DNA złożone z obu oryginalnych nici lub obu nowych nici. Początkowo uważano, że nici DNA są łamane co dziesiątą parę zasad, aby dodać nową matrycę DNA. Ostatecznie całe nowe DNA utworzy podwójną helisę po wielu pokoleniach replikacji.

Separacja i rekombinacja dwuniciowego DNA

Aby zaszła replikacja semikonserwatywna, podwójna helisa DNA musi zostać oddzielona, ​​aby nowa nić matrycy mogła zostać związana z komplementarnymi parami zasad. Topoizomeraza to enzym, który pomaga w rozpakowywaniu i rekombinacji podwójnej helisy. W szczególności topoizomeraza zapobiega superzwijaniu się podwójnej helisy lub zbyt ciasnym nawijaniu. Trzy enzymy topoizomerazy są zaangażowane w tym procesie: typ IA topoizomerazy , typu Ib topoizomerazy i topoizomerazy typu II . Topoizomeraza typu I odwija ​​dwuniciowy DNA, podczas gdy topoizomeraza typu II rozbija wiązania wodorowe łączące komplementarne pary zasad DNA.

Szybkość i dokładność

Szybkość semikonserwatywnej replikacji DNA w żywej komórce mierzono najpierw jako szybkość wydłużenia nici DNA faga T4 w zakażonej fagiem E. coli . W okresie wykładniczego wzrostu DNA w 37°C szybkość wydłużania nici wynosiła 749 nukleotydów na sekundę. Szybkość mutacji na parę zasad na rundę replikacji podczas syntezy DNA faga T4 wynosi2,4 x 10 -8 . Zatem semikonserwatywna replikacja DNA jest zarówno szybka, jak i dokładna.

Aplikacje

Replikacja semikonserwatywna zapewnia wiele korzyści dla DNA. Jest szybki, dokładny i pozwala na łatwą naprawę DNA. Odpowiada również za różnorodność fenotypową u kilku gatunków prokariotycznych. Proces tworzenia nowo zsyntetyzowanej nici z nici matrycowej umożliwia metylację starej nici w innym czasie niż nici nowej. Umożliwia to enzymom naprawczym korektę nowej nici i korygowanie wszelkich mutacji lub błędów.

DNA może mieć zdolność do aktywacji lub dezaktywacji pewnych obszarów na nowo zsyntetyzowanej nici, co umożliwia zmianę fenotypu komórki. Może to być korzystne dla komórki, ponieważ DNA może aktywować korzystniejszy fenotyp, aby pomóc w przeżyciu. Dzięki doborowi naturalnemu w całym gatunku utrzymałby się korzystniejszy fenotyp. Daje to początek idei dziedziczenia lub dlaczego pewne fenotypy są dziedziczone po innych.

Zobacz też

Bibliografia