Struktura i replikacja DNA u bakterii

Wstęp

Makrocząsteczki odgrywające kluczową rolę w przepływie informacji genetycznej u bakterii to DNA, RNA oraz białka.

W pierwszej części prezentacji przedstawiona jest struktura chemiczna DNA.

Druga część prezentacji dotyczy opisu samego procesu replikacji.

Struktura DNA

Część I

Pojedynczy nukleotydDNA

Nukleotyd DNA zawiera trzy składowe:

Grupa fosforanowa: Dezoksyryboza: Zasada azotowa

H

O

CH2

HOHH

HH

O

O

O P

O

O

O

O P

O

HOH

H

H

CH3

O

H

HH

Cykliczny cukier pięciowęglowy.Atomy węgla oznaczone są numerami 1’ do 5’

1

5

+

DNA jest polinukleotydem zbudowanym z serii powtarzających sięelementów strukturalnych. Elementami tymi są nukleotydy.

+

Grupa fosforanowa i dezoksyryboza występują w postaci niezmienionej we wszystkich nukleotydach DNA, natomiast zasady azotowe mogą się różnić. W DNA zasadami tymi mogą być:

Cytozyna (C) Tymina (T) Adenina (A) Guanina (G)H

O

N N

NH2H

H H

CH3

O

N N

OH

H H

H

N

N

N

NH

H

N

H

H

H

H

N

NO

N

NH

NH

Pirymidyny Puryny

Zasady azotowe dzielą się na dwie grupy:Pirymidyny są sześcioczłonowymi pierścieniami zawierającymi atomy węgla i azotu. Do tej grupy należą: cytozyna i tymina, które oznaczane będą następującym symbolem graficznym:Puryny zbudowane są z dwóch sprzężonych pierścieni, sześcio-i pięcioczłonowego, zawierających atomy węgla i azotu. Do tej grupy należą adenina i guanina, które oznaczane będą następującym symbolem graficznym:

HOHH

CH2

O

H

HH

Nukleotyd DNA powstaje w wyniku przyłączenia grupy fosforanowej do atomu węgla 5’ dezoksyrybozy oraz jednej z czterech zasad azotowych do atomu węgla 1’ dezoksyrybozy.

5

O

O

O P

O

1Pokazana struktura stanowi jeden nukleotyd. Nić DNA składa się z wielu nukleotydów połączonych ze sobą wiązaniami fosfodiestrowymi.

C

O

O

O P

O

H

O

O

O P

O

H

OCH2

HHH

H

OCH2

HHH

C

A

HOH

Nukleotyd

Nukleotyd

Wiązaniefosfodiestrowe

Wiązania te powstają między atomemwęgla 3’ dezoksyrybozy jednego nukleotydu i grupą fosforanową sąsiedniego nukleotydu. W efekcie powstaje łańcuch naprzemiennie położonych grup fosforonawych i resztcukrowych i odstających od niego zasad azotowych.

Cząsteczka DNA składa się z dwóch nici splecionych wokół siebie,tworząc podwójną helisę. Jej kształt przypomina skręconą drabinę, w której poręcze stanowią łańcuchy cukrowo-fosforanowe, a zasadyazotowe są jej szczeblami.Wiązania wodorowe miedzy zasadami utrzymują obie nici razem ze sobą.

Łańcuch cukrowo-fosforanowy

G C

A T

C G

T A

T A

C G

Wiązania wodorowe

Cytozyna tworzy zawsze parę z guaniną, z trzema wiązaniami wodorowymi pomiędzy nimi, a adenina sparowana jest zawsze z tyminą za pomocą dwóch wiązań wodorowych.Ta reguła znana jest jako reguła komplementarności. Zgodnie z nią dwie nici DNA są wzajemnie komplementarne.

Komplementarne zasady

Jedna nić DNA może przebiegać w kierunku 5’ do 3’ lub 3’ do 5’. Wcząsteczce DNA jeśli kierunek jednej nici jest od 5’ do 3’ końca, druga nić musi mieć kierunek od 3’ do 5’ końca.

Nici DNA przebiegają w przeciwnych kierunkach względem siebie,czyli są antyrównoległe.

G

C

A

T

C

G

T

A

T

A

C

G

kierunek 5’ do 3’

kierunek 3’ do 5’

Określenie kierunku dla danej nici ustalane jest na podstawie tego co znajduje się na jej końcu. Koniec nici zawierający grupę fosforanową określany jest jako koniec 5’, ponieważ grupa ta przyłączona jest do węgla 5’ reszty cukrowej. Koniec zawierający grupę OH jest 3’ końcem, gdyż grupa ta przyłączona jest do węgla 3’reszty cukrowej.

O

O

O P

O

O

O

OP

O

koniec 5’

koniec 5’

OH

OH

koniec 3’

koniec 3’

H

O

O

O P

O

H

OCH2

HHH

O

O

O P

O

H

OCH2

HHHH

O

O

O P

O

H

OCH2

HHH

HOH

O

H

O

O

OP

H

OCH2

H HH

O

O

OP

O

H

OCH2

H H HH

O

O

OP

O

H

OCH2

H HH

H OH

Przegląd struktury DNA:Łańcuch cukrowo-fosforanowyWiązania fosfodiestroweZasady azotoweNukleotydWiązania wodoroweKomplementacjaKoniec 5’Koniec 3’

Wiązanie fosfodiestrowe

C

A

T

A

T

G

Nukleotyd

Wiązania wodorowe

Komplementarne zasady

koniec 5’

koniec 5’

koniec 3’

koniec 3’

Termin gen odnosi się do odcinka DNA lub sekwencji nukleotydów,która koduje jakiś funkcjonalny produkt białkowy. Termin chromosom odnosi się do długiego łańcucha genów i związanych z nim białek.

Bakterie posiadają zazwyczaj pojedynczy kolisty chromosomzwiązany w jednym lub wielu miejscach z błoną plazmatyczną.Jest on zbudowany z jednej cząsteczki kolistego DNA oraz białek.Chromosom jest zwinięty i ściśle upakowany w komórce tak, że zajmuje on zaledwie najwyżej 10% całkowitej objętości komórki.Poza chromosomem bakterie mogą dodatkowo zawierać jeden lub więcej plazmidów.

Gen = odcinek DNA kodujący jakiś funkcjonalny produkt

Chromosom = łańcuch genów i białek

Chromosom bakteryjny

Plazmidy

DNA

Replikacja

DNA u bakterii

Część II

Większość informacji genetycznej u bakterii zawarta jest w pojedynczym kolistym chromosomie zbudowanym z DNA i białek.Ta informacja musi być rozdzielona równomiernie między dwie komórki potomne. Jest to możliwe ponieważ DNA jest cząsteczką zdolną do samopowielania i może utworzyć dokładne kopie siebie przed podziałem komórki.Każda z takich dwóch kopii przekazywana jest do każdej z dwóch komórek potomnych.

Proces reprodukcji u bakterii ma charakter binarny. Oznacza to, że jedna komórka dzieli się dając dwie identyczne komórki potomne.

Komplementarne zasady

Wiązania wodorowe

5’ d

o 3’

3’ do 5’

G C

A T

C G

T A

T A

C G

Struktura DNA odgrywa ważną rolę w procesie replikacji. Jego dwie ważne cechy, o których należy pamiętać, to:

•Komplementarność Dwie nici DNA są wzajemnie komplementarne . Adenina (A) zawsze sparowana jest przez tyminę (T), a naprzeciwko guaniny (G) jest zawsze cytozyna (C). Dwie nici DNA połączone są ze sobą za pomocą wiązań wodorowych utworzonych między komplementarnymi zasadami azotowymi.

•AntyrównoległośćDwie nici DNA są ukierunkowane antyrównolegle względem siebie. Podczas gdy jedna ukierunkowana jest od końca 5’ do 3’, drugaprzebiega w kierunku 3’ do 5’.

Proces replikacji rozpoczyna się w chromosomie bakteryjnym w miejscu występowania specyficznej sekwencji nukleotydowej,określanej jako origin. Enzymy zwane helikazami rozpoznają tęsekwencję i wiążą się z tym miejscem.

Helikazy rozplatają dwie nici DNA poprzez rozerwanie wiązańwodorowych, które je spinają. Miejsce, w którym nici DNA są rozplatane i zasady azotowe stają się dostępne, zwane jest widełkami replikacyjnymi. Białka stabilizujące taką jednoniciową postać DNA wiążą się do każdej z rozdzielonych nici zapobiegając ich ponownemu spontanicznemu spleceniu.

Chromosom bakteryjny

OriginG

A

C

A

TC T G

G

A

CC T G

Widełki replikacyjne

Wolne trójfosforany nukleozydów występujące w cytoplazmie komplementarnie przyłączają się do odpowiadających im zasad wchodzących w skład pojedynczej nici macierzystej.

Trójfosforan nukleozydu różni się od nukleotydu tylko tym, że posiada trzy grupy fosforanowe zamiast jednej. To czyni go bardzo reaktywną cząsteczką z powodu dużego nagromadzenia ładunków ujemnych. Kiedy dopasuje się we właściwy sposób do komplementarnej zasady, zostaje wbudowany do nowo tworzonej nici przez enzym zwany polimerazą DNA. Ten enzym katalizuje hydrolizę dwóch reszt fosforanowych podczas dodawania nukleotydu do nowej nici, tworząc jednocześnie wiązanie fosfodiestrowe.

GA

C

A

TC T G

G

A

C

CG

3’

5’

5’

3’

T

P

G

A

P

P

CG A C

T

T

PP

PWiązaniefosfodiestrowe

Polimeraza DNA posiada dwie istotne cechy charakterystyczne:

Aby rozpocząć syntezę polimeraza DNA dodaje pierwszy nukleozyd do tzw. primera. Jest to krótki fragment RNA powstały przy udziale enzymu primazy. Primer RNA stanowi łańcuch kilku nukleotydów komplementarnych do nici macierzystej. Polimeraza DNA może wówczas przyłączyć trójfosforan nukleozydu do końca 3’ primera. W dalszym etapie primer zostanie zastąpiony przez analogiczny odcinek DNA, połączony z resztą replikowanej nici przez enzym ligazę DNA.

PPP A

PPP C

Nić macierzysta3’5’ A C T GA C G

RNA Primer

A C

1. Sama nie może inicjować syntezy nowej nici DNA. Enzym ten może jedynie dodawać kolejny nukleotyd do końca 3’ już istniejącej nici. A zatem nie jest w stanie połączyć dwóch pierwszych trójfosforanów nukleozydowych rozpoczynających syntezę nowejnici.

GTCGT A C

Ligaza DNA

5’3’

2. Drugą szczególną cechą jest to, że polimeraza DNA może syntetyzować nową nić tylko w kierunku od 5’ do 3’ końca.Oznacza to, że kolejne nukleotydy mogą być przyłączone jedynie do wolnego końca 3’. Ma to istotne następstwa w procesie replikacji na dwóch antyrównoległych niciach (skierowanych w przeciwnych kierunkach).Należy pamiętać, że syntetyzowana nić musi być skierowana antyrównolegle do matrycowej nici macierzystej. Przebieg syntezy zachodzi łatwo jeśli macierzysta nić ukierunkowana jest od końca 3’ do 5’, gdyż wtedy synteza biegnie w kierunku 5’ do 3’. W tym przypadku polimeraza DNA może w sposób nieprzerwany dołączać kolejne trójfosforany nukleozydów. Taka nić, syntetyzowana od końca 5’ do 3’ określana jest jako nić wiodąca (leading strand).

5’3’ tylko od 5’ do 3’

3’5’ A C T GA C GNić macierzysta

RNA Primer

A CGTCGT A C

ligaza DNA

Nić wiodąca 5’3’

Problem pojawia się przy macierzystej nici ukierunkowanej od 5’do 3’ końca, gdyż nowa, komplementarna do niej nić musi przebiegać w kierunku od 3’ do 5’ końca. Polimeraza DNA nie może przyłączać trójfosforanów nukleozydów w tym kierunku. Musi zatem działać w kierunku przeciwnym do kierunku rozwidlenia nici macierzystych.

GA

C

A

TC T G

G

A

CC T G

3’

3’

5’

5’

3’

5’ Nić wiodąca

5’

3’ Nić opóźniona

Ta replikowana nić nazywana jest nicią opóźnioną (lagging strand), ponieważ jest syntetyzowana w sposób nieciągły w kierunku przeciwnym do kierunku rozwijania się widełek replikacyjnych.Spójrzmy jak przebiega synteza nici opóźnionej.

Na wstępie primaza syntetyzuje krótkie primery RNA, komplementarne do fragmentów macierzystej nici 5’-3’. Następnie polimeraza DNA wydłuża odcinki primerów przez dołączanie wolnych trójfosforanów nukleozydów w powstającej nici, w kierunku od końca 5’ do 3’. Kompleks złożony z primeru RNA i dołączonych do niego dezoksyrybonukleotydów nazywany jest fragmentem Okazaki (od nazwiska ich odkrywcy).

Primer zostaje strawiony przez polimerazę DNA i zastąpiony analogicznym odcinkiem DNA. Wszystkie fragmenty Okazaki sąnastępnie połączone przez ligazę DNA.W efekcie powstaje kompletna nowa nić biegnąca w kierunku 3’-5’.

5’3’ T G A CA G CNić macierzysta C G T

G ANić opóźniona 5’ 3’C CA TT C GG

Fragment Okazaki

A CCG

ligaza DNA

Każda z replikowanych nici splata się z nicią macierzystą, tworząc z nią podwójną helisę. W ten sposób każda nowa cząsteczka DNAzawiera jedną nić macierzystą i jedną świeżo zsyntetyzowaną. Dlatego ten proces nazywany jest replikacją semikonserwatywną.

Replikacja semikonserwatywna

Chromosom bakteryjny ma kolisty kształt. Proces replikacjirozpoczyna się w miejscu zwanym origin. Lecz zamiast syntezy w jednym kierunku wokół całego chromosomu, proces ten zachodzi jednocześnie w obu kierunkach. Określa się to jako replikację dwukierunkową, gdyż w istocie generowane są dwa widełki replikacyjne przesuwające się w przeciwnych kierunkach od miejscaorigin. Widełki te spotykają się w końcu, każdy po przejściu przez swoją część chromosomu. Proces replikacji kończy się kiedy dwa identyczne chromosomy potomne się rozdzielą.

Na chromosomie bakteryjnym może zostać zainicjowanych wiele widełek replikacyjnych co znacznie skraca czas całego procesureplikacji.

Dziękuję za uwagę