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.

Część I Struktura DNA

+ + DNA jest polinukleotydem zbudowanym z serii powtarzających się elementów strukturalnych. Elementami tymi są nukleotydy. H O CH2 OH P Pojedynczy nukleotyd DNA + Nukleotyd DNA zawiera trzy składowe: Grupa fosforanowa: Dezoksyryboza: Zasada azotowa O P 5 H OH CH3 O + 1 Cykliczny cukier pięciowęglowy. Atomy węgla oznaczone są numerami 1’ do 5’

Cytozyna (C) Tymina (T) Adenina (A) Guanina (G) 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 NH2 CH3 O N H H N H N O 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:

Nukleotyd DNA powstaje w wyniku przyłączenia grupy fosforanowej do atomu węgla 5’ dezoksyrybozy oraz jednej z czterech zasad azotowych do atomu węgla 1’ dezoksyrybozy. O P 5 C H OH CH2 O 1 Pokazana struktura stanowi jeden nukleotyd. Nić DNA składa się z wielu nukleotydów połączonych ze sobą wiązaniami fosfodiestrowymi. O P H CH2 C A Nukleotyd Wiązania te powstają między atomem węgla 3’ dezoksyrybozy jednego nukleotydu i grupą fosforanową sąsiedniego nukleotydu. W efekcie powstaje łańcuch naprzemiennie położonych grup fosforonawych i reszt cukrowych i odstających od niego zasad azotowych. Wiązanie fosfodiestrowe Nukleotyd OH

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 zasady azotowe są jej szczeblami. Wiązania wodorowe miedzy zasadami utrzymują obie nici razem ze sobą. G C A T C G T A Łańcuch cukrowo- fosforanowy Komplementarne zasady 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.

Nici DNA przebiegają w przeciwnych kierunkach względem siebie, czyli są antyrównoległe. kierunek 5’ do 3’ kierunek 3’ do 5’ O P koniec 5’ OH koniec 3’ G C A T C G T A Jedna nić DNA może przebiegać w kierunku 5’ do 3’ lub 3’ do 5’. W cząsteczce DNA jeśli kierunek jednej nici jest od 5’ do 3’ końca, druga nić musi mieć kierunek od 3’ do 5’ końca. 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.

Przegląd struktury DNA: Łańcuch cukrowo-fosforanowy Wiązania fosfodiestrowe Zasady azotowe Nukleotyd Wiązania wodorowe Komplementacja Koniec 5’ Koniec 3’ koniec 3’ H O P CH2 OH Komplementarne zasady koniec 5’ C A T G Wiązanie fosfodiestrowe Nukleotyd Wiązania wodorowe koniec 5’ 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. Chromosom bakteryjny DNA Gen = odcinek DNA kodujący jakiś funkcjonalny produkt Plazmidy Chromosom = łańcuch genów i białek Bakterie posiadają zazwyczaj pojedynczy kolisty chromosom związany 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.

Część II Replikacja DNA u bakterii

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

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. Antyrównoległość Dwie nici DNA są ukierunkowane antyrównolegle względem siebie. Podczas gdy jedna ukierunkowana jest od końca 5’ do 3’, druga przebiega w kierunku 3’ do 5’. Komplementarne zasady G C A T C G T A 5’ do 3’ 3’ do 5’ Wiązania wodorowe

Proces replikacji rozpoczyna się w chromosomie bakteryjnym w miejscu występowania specyficznej sekwencji nukleotydowej, określanej jako origin. Enzymy zwane helikazami rozpoznają tę sekwencję i wiążą się z tym miejscem. G A C T Origin Widełki replikacyjne Chromosom bakteryjny Helikazy rozplatają dwie nici DNA poprzez rozerwanie wiązań wodorowych, 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.

3’ 5’ 3’ 5’ Wolne trójfosforany nukleozydów występujące w cytoplazmie komplementarnie przyłączają się do odpowiadających im zasad wchodzących w skład pojedynczej nici macierzystej. 3’ T P G T 5’ C P G A G C A C G A P C A Wiązanie fosfodiestrowe T T 3’ G C T G A C 5’ 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.

Ligaza DNA RNA Primer 5’ 3’ 3’ 5’ Nić macierzysta Polimeraza DNA posiada dwie istotne cechy charakterystyczne: 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 nowej nici. A C Ligaza DNA RNA Primer A C P C 5’ 3’ T G C T G 3’ 5’ A C T G P A Nić macierzysta 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.

tylko od 5’ do 3’ ligaza DNA RNA Primer Nić wiodąca 5’ 3’ 3’ 5’ 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). A C 5’ 3’ tylko od 5’ do 3’ ligaza DNA RNA Primer A C Nić wiodąca 5’ 3’ T G C T G 3’ 5’ A C T G Nić macierzysta

3’ Nić wiodąca 5’ 5’ 3’ 5’ Nić opóźniona 3’ 3’ 5’ 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. 3’ G T Nić wiodąca 5’ C 5’ A G C A 3’ 5’ T Nić opóźniona 3’ G C 3’ T G A C 5’ 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). Fragment Okazaki ligaza DNA Nić opóźniona 5’ 3’ G C G C A T C G A A C C T G 5’ 3’ T G A C Nić macierzysta Primer zostaje strawiony przez polimerazę DNA i zastąpiony analogicznym odcinkiem DNA. Wszystkie fragmenty Okazaki są następnie połączone przez ligazę DNA. W efekcie powstaje kompletna nowa nić biegnąca w kierunku 3’-5’.

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

Chromosom bakteryjny ma kolisty kształt. Proces replikacji rozpoczyna 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 miejsca origin. 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 procesu replikacji.

Dziękuję za uwagę