Oppimistavoitteet
- Selitä DNA:n replikaatioprosessi prokaryooteissa
- Keskustele eri entsyymien ja proteiinien roolista tämän prosessin tukemisessa
DNA:n replikaatiota on tutkittu erittäin hyvin prokaryooteissa ensisijaisesti genomin pienen koon ja saatavilla olevien mutanttien vuoksi.E. coliSiinä on 4,6 miljoonaa emäsparia yhdessä pyöreässä kromosomissa ja kaikki se replikoituu noin 42 minuutissa, alkaen yhdestä replikaation aloituskohdasta ja edeten ympyrän ympäri molempiin suuntiin. Tämä tarkoittaa, että noin 1000 nukleotidia lisätään sekunnissa. Prosessi on melko nopea ja tapahtuu ilman monia virheitä.
DNA:n replikaatiossa käytetään suurta määrää proteiineja ja entsyymejä, joista jokaisella on kriittinen rooli prosessin aikana. Yksi keskeisistä toimijoista on DNA-polymeraasientsyymi, joka tunnetaan myös nimellä DNA pol, joka lisää yksitellen kasvavaan DNA-ketjuun nukleotideja, jotka ovat komplementaarisia templaattijuosteen kanssa. Nukleotidien lisääminen vaatii energiaa; tämä energia saadaan nukleotideista, joihin on kiinnittynyt kolme fosfaattia, samalla tavalla kuin ATP, johon on kiinnittynyt kolme fosfaattiryhmää. Kun fosfaattien välinen sidos katkeaa, vapautuva energia käytetään muodostamaan fosfodiesterisidos tulevan nukleotidin ja kasvavan ketjun välille. Prokaryooteissa tunnetaan kolme päätyyppiä polymeraaseja: DNA pol I, DNA pol II ja DNA pol III. Nyt tiedetään, että DNA pol III on DNA-synteesiin tarvittava entsyymi; DNA pol I ja DNA pol II tarvitaan ensisijaisesti korjaamiseen.
Mistä replikointikoneisto tietää, mistä aloittaa? Osoittautuu, että on olemassa spesifisiä nukleotidisekvenssejä, joita kutsutaan replikaation aloituspisteiksi, joissa replikaatio alkaa. SisäänE. coli,jolla on yksi replikaation aloituskohta yhdessä kromosomissa (kuten useimmat prokaryootit), se on noin 245 emäsparia pitkä ja siinä on runsaasti AT-sekvenssejä. Tietyt proteiinit, jotka sitoutuvat tähän kohtaan, tunnistavat replikaation aloituskohdan. Entsyymi nimeltähelicasepurkaa DNA:ta katkaisemalla vetysidokset typpipitoisten emäsparien välillä. Tätä prosessia varten tarvitaan ATP-hydrolyysi. Kun DNA avautuu, Y-muotoiset rakenteet kutsuvatreplikointihaarukatmuodostuvat. Replikaation aloituskohtaan muodostuu kaksi replikointihaarukkaa, jotka laajenevat kaksisuuntaisesti replikaation edetessä.Yksijuosteisia sitovia proteiinejapäällystää yksittäiset DNA-säikeet replikaatiohaarukan lähellä estämään yksijuosteista DNA:ta kiertymästä takaisin kaksoiskierteeksi. DNA-polymeraasi pystyy lisäämään nukleotideja vain 5'-3'-suunnassa (uusi DNA-juoste voidaan pidentää vain tähän suuntaan). Se vaatii myös vapaan 3'-OH-ryhmän, johon se voi lisätä nukleotideja muodostamalla fosfodiesterisidoksen 3'-OH-pään ja seuraavan nukleotidin 5'-fosfaatin välille. Tämä tarkoittaa olennaisesti, että se ei voi lisätä nukleotideja, jos vapaata 3'-OH-ryhmää ei ole saatavilla. Miten se sitten lisää ensimmäisen nukleotidin? Ongelma ratkaistaan alukkeen avulla, joka tarjoaa vapaan 3'-OH-pään. Toinen entsyymi, RNAprimase, syntetisoi RNA-alukkeen, joka on noin viidestä kymmeneen nukleotidia pitkä ja komplementaarinen DNA:lle. Koska tämä sekvenssi käynnistää DNA-synteesin, sitä kutsutaan asianmukaisestipohjamaali. DNA-polymeraasi voi nyt pidentää tätä RNA-aluketta lisäämällä yksitellen nukleotideja, jotka ovat komplementaarisia templaattijuosteen kanssa (Kuva 14.14).
Visuaalinen yhteys
Taiteen yhteys
Kuva14.14 Replikaatiohaarukka muodostuu, kun helikaasi erottaa DNA-säikeet replikaation aloituskohdassa. DNA:lla on taipumus kiertyä enemmän replikaatiohaarukan edellä. Topoisomeraasi katkaisee ja uudistaa DNA:n fosfaattirungon replikaatiohaarukan edellä, mikä lievittää tästä superkiertymisestä aiheutuvaa painetta. Yksijuosteiset sitovat proteiinit sitoutuvat yksijuosteiseen DNA:han estämään heliksin muodostumista uudelleen. Primase syntetisoi RNA-alukkeen. DNA-polymeraasi III käyttää tätä aluketta tytär-DNA-juosteen syntetisoimiseen. Johtavassa juosteessa DNA syntetisoidaan jatkuvasti, kun taas jäljessä olevalla juosteella DNA syntetisoidaan lyhyinä osuuksina, joita kutsutaan Okazaki-fragmenteiksi. DNA-polymeraasi I korvaa RNA-alukkeen DNA:lla. DNA-ligaasi sulkee Okazaki-fragmenttien väliset raot yhdistäen fragmentit yhdeksi DNA-molekyyliksi. (luotto: Mariana Ruiz Villarealin teoksen muutos)
Eristät solukannan, jossa Okazaki-fragmenttien yhteenliittyminen on heikentynyt, ja epäilet, että replikaatiohaarukasta löytyvässä entsyymissä on tapahtunut mutaatio. Mikä entsyymi mutatoituu todennäköisimmin?
Replikaatiohaarukka liikkuu nopeudella 1000 nukleotidia sekunnissa. DNA-polymeraasi voi ulottua vain 5'-3'-suunnassa, mikä aiheuttaa pienen ongelman replikaatiohaarukassa. Kuten tiedämme, DNA:n kaksoiskierre on anti-rinnakkais; eli yksi säie on suunnassa 5' - 3' ja toinen on suunnattu 3' - 5' suuntaan. Yksi juoste, joka on komplementaarinen 3'-5'-emä-DNA-juosteen kanssa, syntetisoituu jatkuvasti kohti replikaatiohaarukkaa, koska polymeraasi voi lisätä nukleotideja tähän suuntaan. Tämä jatkuvasti syntetisoitunut säie tunnetaan nimelläjohtava säie. Toinen juoste, joka on komplementaarinen 5'-3'-emä-DNA:lle, on pidennetty poispäin replikaatiohaarukasta pieninä fragmentteina, jotka tunnetaan nimelläOkazaki-fragmentteja, joista jokainen vaatii alukkeen synteesin aloittamiseksi. Okazaki-fragmentit on nimetty japanilaisen tiedemiehen mukaan, joka löysi ne ensimmäisenä. Säike, jossa on Okazaki-fragmentteja, tunnetaan nimelläjäljessä oleva säie.
Johtava juoste voidaan pidentää yhdellä alukkeella, kun taas jäljessä oleva juoste tarvitsee uuden alukkeen jokaista lyhyttä Okazaki-fragmenttia varten. Jäljellä olevan säikeen kokonaissuunta on 3' - 5' ja johtavan säikeen suunta 5' - 3'. Proteiini nimeltäliukuva puristinpitää DNA-polymeraasin paikallaan, kun se jatkaa nukleotidien lisäämistä. Liukupuristin on renkaan muotoinen proteiini, joka sitoutuu DNA:han ja pitää polymeraasin paikallaan.Topoisomeraasiestää DNA:n kaksoiskierteen ylikiertymisen replikaatiohaarukan eteen DNA:n avautuessa; se tekee sen aiheuttamalla tilapäisiä koloja DNA-kierteeseen ja sulkemalla sen sitten uudelleen. Synteesin edetessä RNA-alukkeet korvataan DNA:lla. Alukkeet poistetaan DNA pol I:n eksonukleaasiaktiivisuuden vaikutuksesta ja aukot täytetään deoksiribonukleotideilla. Juuri syntetisoidun DNA:n (joka korvasi RNA-alukkeen) ja aiemmin syntetisoidun DNA:n väliin jäävät lovet sulkevat DNA-entsyymi.ligaasijoka katalysoi fosfodiesterisidoksen muodostumista yhden nukleotidin 3'-OH-pään ja toisen fragmentin 5'-fosfaattipään välillä.
Kun kromosomi on täysin replikoitunut, kaksi DNA-kopiota siirtyvät kahteen eri soluun solunjakautumisen aikana. DNA:n replikaatioprosessi voidaan tiivistää seuraavasti:
- DNA purkautuu replikaation aloituspisteessä.
- Helikaasi avaa DNA:ta muodostavat replikaatiohaarukat; nämä ovat kaksisuuntaisia.
- Yksijuosteiset sitovat proteiinit peittävät DNA:n replikaatiohaarukan ympärillä estääkseen DNA:n kelaamisen takaisin.
- Topoisomeraasi sitoutuu replikaatiohaarukkaa edeltävälle alueelle superkiertymisen estämiseksi.
- Primaasi syntetisoi DNA-juosteen kanssa komplementaarisia RNA-alukkeita.
- DNA-polymeraasi alkaa lisätä nukleotideja alukkeen 3'-OH-päähän.
- Sekä jäljessä olevan että johtavan säikeen venyminen jatkuu.
- RNA-alukkeet poistetaan eksonukleaasiaktiivisuudella.
- Aukot täytetään DNA-pol:lla lisäämällä dNTP:itä.
- Kahden DNA-fragmentin välinen rako tiivistetään DNA-ligaasilla, joka auttaa fosfodiesterisidosten muodostumisessa.
Taulukko 14.1tiivistää prokaryoottisen DNA:n replikaatioon osallistuvat entsyymit ja kunkin toiminnot.
| Prokaryoottisen DNA:n replikaatio: entsyymit ja niiden toiminta | |
|---|---|
| Entsyymi/proteiini | Erityinen toiminto |
| DNA pol I | Eksonukleaasiaktiivisuus poistaa RNA-alukkeen ja korvaa sen vasta syntetisoidulla DNA:lla |
| DNA pol II | Korjaustoiminto |
| DNA pol III | Pääentsyymi, joka lisää nukleotideja 5'-3'-suunnassa |
| Helicase | Avaa DNA-kierteen katkaisemalla vetysidoksia typpipitoisten emästen välillä |
| Ligase | Tiivistä Okazaki-fragmenttien väliset raot ja muodostaa yhden jatkuvan DNA-juosteen |
| primase | Syntetisoi RNA-alukkeita, joita tarvitaan replikaation aloittamiseen |
| Liukuva puristin | Auttaa pitämään DNA-polymeraasin paikallaan, kun nukleotideja lisätään |
| Topoisomeraasi | Auttaa lievittämään DNA:n stressiä purkautuessa aiheuttamalla taukoja ja sulkemalla sitten DNA:n uudelleen |
| Yksijuosteiset sitomisproteiinit (SSB) | Sitoutuu yksijuosteiseen DNA:han estääkseen DNA:n kelaamisen takaisin. |
Pöytä 14.1
Linkki oppimiseen
Linkki oppimiseen
Tarkista koko DNA:n replikaatioprosessitässä.
FAQs
14.4 DNA:n replikaatio prokaryooteissa - Biologia | OpenStax? ›
The DNA replication in prokaryotes takes place in the following place: The two strands of DNA unwind at the origin of replication. Helicase opens the DNA and replication forks are formed. The DNA is coated by the single-strand binding proteins around the replication fork to prevent rewinding of DNA.
What is the DNA replication in prokaryotes? ›The DNA replication in prokaryotes takes place in the following place: The two strands of DNA unwind at the origin of replication. Helicase opens the DNA and replication forks are formed. The DNA is coated by the single-strand binding proteins around the replication fork to prevent rewinding of DNA.
What is the rate of DNA replication in prokaryotes? ›Prokaryotic DNA is replicated by DNA polymerase III in the 5′ to 3′ direction at a rate of 1000 nucleotides per second.
How does DNA replication differ in prokaryotes? ›Both eukaryotic and prokaryotic DNA polymerases build off RNA primers made by primase. Eukaryotic DNA replication requires multiple replication forks, while prokaryotic replication uses a single origin to rapidly replicate the entire genome. DNA replication always occurs in the nucleus.
Do eukaryotic cells have 14 DNA polymerases? ›The number of DNA polymerases in eukaryotes is much more than prokaryotes: 14 are known, of which five are known to have major roles during replication and have been well studied. They are known as pol α, pol β, pol γ, pol δ, and pol ε. The essential steps of replication are the same as in prokaryotes.
Where does DNA replication occur in prokaryotic cells? ›While prokaryotic cells have just one point of origin and replication occurs in the cytoplasm, eukaryotic cells have more than one point of origin (as many as 100,000 in human beings) and replication takes place in the nucleus.
Where and when does DNA replication occur in a prokaryotic cell? ›DNA replication is the process of creating two identical daughter strands of DNA. DNA replication occurs in the nucleus in eukaryotic cells and in the nucleoid region in prokaryotic cells. DNA replication occurs in S phase during the cell cycle prior to cell division.
Is DNA replication slower in prokaryotes? ›There are a number of reasons why DNA replication is so much faster in prokaryotes than eukaryotes. The main reason why DNA replication is faster in prokaryotes than eukaryotes is because the DNA in prokaryotes is very simple. Prokaryotic DNA does not have histones and is not very densely packed.
Is prokaryotic DNA replication faster? ›Since prokaryotic cells typically have only a single, circular chromosome, they can replicate faster than eukaryotic cells. In fact, a prokaryotic cell can undergo two rounds of DNA replication before the cell, itself, has divided. This means that DNA replication can occur during cell division in prokaryotes.
How long is DNA in prokaryotes? ›Most prokaryotes contain a single circular chromosomal DNA molecule that is highly compacted inside the cell. In fact, if you were to stretch out the chromosome in a bacterium, it would be about 1.4 millimetres long, compared to the bacterium itself that can vary from 0.2 to 2.0 micrometres long!
What is unique about prokaryotic DNA replication? ›
DNA replication begins at an origin of replication. There is only one origin in prokaryotes (in E. coli, oriC) and it is characterized by arrays of repeated sequences.
How is DNA different in prokaryotes and eukaryotes? ›Prokaryotes contain circular DNA in addition to smaller, transferable DNA plasmids. Eukaryotic cells contain mitochondrial DNA in addition to nuclear DNA. Eukaryotes separate replicated chromosomes by mitosis, using cytoskeletal proteins, whereas prokaryotes divide more simply via binary fission.
How is DNA replication in prokaryotes vs eukaryotes similar? ›These are some of the similarities between prokaryotic and eukaryotic DNA replication: Both processes occur before nuclear division. Both processes involve double-stranded DNA. Both are multi-step processes carried by DNA polymerases.
How many DNA polymerases are found in prokaryotes? ›Prokaryotes contain five different types of DNA polymerase.
What is the structure of the DNA in a prokaryotic cell? ›Prokaryotes contain a single, double-stranded circular chromosome. Eukaryotes contain double-stranded linear DNA molecules packaged into chromosomes. The DNA helix is wrapped around proteins to form nucleosomes.
How many polymerase are in prokaryotic transcription? ›Prokaryotic RNA Polymerase
Four of these subunits, denoted α, α, β, and β' comprise the polymerase core enzyme. These subunits assemble every time a gene is transcribed, and they disassemble once transcription is complete.
The enzyme DNA polymerase replicates both prokaryotic and eukaryotic DNA. The primary distinction between prokaryotic and eukaryotic DNA is that prokaryotic DNA is found in the cytoplasm, whereas eukaryotic DNA is found in the cell's nucleus.
How does DNA replication end in prokaryotes? ›Termination of DNA replication occurs when the two forks meet and fuse, creating two separate double-stranded DNA molecules. In the well-studied bacteria Escherichia coli and Bacillus subtilis, this occurs in the terminus region, which is situated diametrically opposite the origin.
What is the function of DNA polymerase in prokaryotes? ›DNA polymerase III is the main enzyme responsible for replication in prokaryotes. In eukaryotes, DNA polymerase 𝝳 is the main enzyme for replication. DNA polymerase I removes the RNA primer by 5'→3' exonuclease activity and replaces the primer by its polymerase activity in the lagging strand.
What are the three main steps of DNA replication in prokaryotes? ›Replication occurs in three major steps: the opening of the double helix and separation of the DNA strands, the priming of the template strand, and the assembly of the new DNA segment.
Why does replication in prokaryotes differ from replication in eukaryotes? ›
The differences in replication between prokaryotic and eukaryotic organisms are primarily due to variations in genomic size and complexity. The eukaryotic cell has much more DNA than the prokaryotic cell, which is tightly packed as a chromosome in the eukaryotic cell's nucleus.
How fast do prokaryotes replicate? ›Prokaryotes reproduce fast!
For a typical bacterium, that might be closer to 20 minutes! As a matter of fact, the E. coli bacteria that live inside your gut, and that are widely used in laboratory research, can produce a new generation every 17 minutes or so 1start superscript, 1, end superscript.
Prokaryotic cells are much smaller than eukaryotic cells (about 10 times smaller), their small size allows them to grow faster & multiply more rapidly than eukaryotic cells.
Can prokaryotic cells divide quickly? ›The cell division process of prokaryotes, called binary fission, is a less complicated and much quicker process than cell division in eukaryotes. Because of the speed of bacterial cell division, populations of bacteria can grow very rapidly.
Do prokaryotes have shorter DNA? ›Prokaryotes are single-celled organisms that are mainly distinguished from eukaryotes by the absence of a nucleus to contain their DNA. Prokaryotes are usually 10 to 100 times smaller in size than eukaryotes, but for now we'll represent them with a similar size to compare them more easily.
Is prokaryotic DNA shorter? ›Chromosome and plasmids
Eukaryotes like humans, in contrast, tend to have multiple rod-shaped chromosomes and two copies of their genetic material (on homologous chromosomes). Do all prokaryotes have one circular chromosome? Also, prokaryotic genomes are generally much smaller than eukaryotic genomes.
| DNA replication in Prokaryotes | DNA replication in Eukaryotes |
|---|---|
| The rate of prokaryotic DNA replication is 1000 base pairs per second. | The rate of eukaryotic DNA replication is approximately 100 base pairs per second. |
| It is a rapid process. | It is a comparatively slower process. |
Mesosomes serve in DNA replication and guide distribution of duplicated bacterial chromosomes into the two daughter cells during cell division.
How is prokaryotic DNA replication different from eukaryotic quizlet? ›How does DNA replication differ in prokaryotic cells and eukaryotic cells? In most prokaryotic cells, replication starts from a single point, and it continues in two directions until the whole chromosome is copied. In eukaryotic cells, replication may begin in hundreds of places on the DNA molecule.
Where is the DNA in prokaryotes and eukaryotes? ›DNA in eukaryotic cells is found inside the nucleus, while DNA in prokaryotic cells is located in the cytoplasm.
How does the DNA in a prokaryotic differ from a eukaryote quizlet? ›
Prokaryotic DNA is bound by an organelle, whereas eukaryotic DNA is free floating in the cytoplasm.
What enzymes are involved in DNA replication in prokaryotes and eukaryotes? ›DNA replication occurs in both prokaryotes and eukaryotes in similar steps where DNA unwinding is done with the help of an enzyme DNA helicase and the manufacturing of new DNA strands is accomplished by enzymes known as polymerases.
What enzymes are involved in DNA replication in prokaryotes? ›The enzymes involved in the replication of prokaryotic DNA are DNA polymerase I to III, helicase, ligase, primase, sliding clamp, topoisomerase, and single-strand binding proteins (SSBs).
Where does DNA replication occur in eukaryotic cells? ›DNA is found inside the nucleus of eukaryotes. Inside the nucleus, DNA replication occurs. During the Synthesis stage of the Interphase, this DNA replication takes place.
What describes prokaryotic DNA? ›Prokaryotic DNA:
Is found freely in the cytoplasm (within a region called the nucleoid) Is naked (i.e. not bound with proteins and therefore doesn't form chromatin) Genomes are compact (contain little repetitive DNA and no introns) Contains extra-chromosomal plasmids. Is circular in shape.
In prokaryotic cells, polymerase III is the major replicative polymerase, functioning in the synthesis both of the leading strand of DNA and of Okazaki fragments by the extension of RNA primers. Polymerase I then removes RNA primers and fills the gaps between Okazaki fragments.
Which polymerase do prokaryotes have? ›Prokaryotes utilize one RNA polymerase for all transcription of types of RNA. In contrast, eukaryotes utilize three slightly different RNA polymerases: RNA polymerase I, RNA polymerase II, and RNA polymerase III (8).
Is DNA polymerase 1 in prokaryotes? ›DNA polymerase I (or Pol I) is an enzyme that participates in the process of prokaryotic DNA replication. Discovered by Arthur Kornberg in 1956, it was the first known DNA polymerase (and the first known of any kind of polymerase). It was initially characterized in E. coli and is ubiquitous in prokaryotes.
Is DNA replication in prokaryotes conservative or Semiconservative? ›For most eukaryotes and prokaryotes, the process of DNA synthesis is done semiconservatively.
Is DNA replication in prokaryotic cells conservative? ›DNA replication in prokaryotic cells is conservative. DNA replication in eukaryotic cells is semi-conservative. DNA polymerases of prokaryotes can add nucleotides to both 3' and 5' ends of DNA strands, while those of eukaryotes function only in the 5' → 3' direction.
Which statement about the DNA replication process in prokaryotes is true? ›
The only true statement is that prokaryotic DNA replication is faster than eukaryotic DNA replication.
Is DNA replicated in prokaryotic cell division? ›Prokaryotic DNA Replication is the process by which a prokaryote duplicates its DNA into another copy that is passed on to daughter cells. Although it is often studied in the model organism E. coli, other bacteria show many similarities.
What is a semiconservative replication in prokaryotes? ›This process is known as semi-conservative replication because two copies of the original DNA molecule are produced, each copy conserving (replicating) the information from one half of the original DNA molecule. Each copy contains one original strand and one newly-synthesized strand.
Why is DNA replication faster in prokaryotes? ›Since prokaryotic cells typically have only a single, circular chromosome, they can replicate faster than eukaryotic cells. In fact, a prokaryotic cell can undergo two rounds of DNA replication before the cell, itself, has divided. This means that DNA replication can occur during cell division in prokaryotes.
Is DNA replication in bacteria semi-conservative? ›The models were tested by Meselson and Stahl, who labeled the DNA of bacteria across generations using isotopes of nitrogen. From the patterns of DNA labeling they saw, Meselson and Stahl confirmed that DNA is replicated semi-conservatively.