Quá trình nhân đôi DNA

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Buớc tưới chuyển hướng Bước tới tìm kiếm
Dnareplication.png

Trong sinh học phân tử, quá trình nhân đôi DNA hay tổng hợp DNA là một cơ chế sao chép các phân tử DNA xoắn kép trước mỗi lần phân bào. Kết quả của quá trình này là tạo ra hai phân tử DNA gần như giống nhau hoàn toàn, chỉ sai khác với tần số rất thấp (thông thường dưới một phần vạn, xem thêm đột biến). Có được như vậy là do cơ chế nhân đôi thực hiện dựa trên nguyên tắc bổ sung, và tế bào có hệ thống tìm kiếm và sửa chữa các sai hỏng DNA hoạt động hiệu quả.

Nguyên tắc[sửa | sửa mã nguồn]

Quá trình nhân đôi DNA ở tế bào sinh vật nhân sơ, sinh vật nhân thực và DNA của virut (dạng sợi kép) đều theo nguyên tắc bổ sung và bán bảo toàn.

Chứng minh quá trình nhân đôi DNA được thực hiện theo nguyên tắc bán bảo toàn: phương pháp sử dụng đồng vị phóng xạ. (Xem thêm https://www.youtube.com/watch?v=r-Kugn_xYAw)

Quá trình nhân đôi[sửa | sửa mã nguồn]

Mở đầu[sửa | sửa mã nguồn]

Để một tế bào phân chia, trước tiên nó phải nhân đôi DNA của nó. [11] Quá trình này được bắt đầu tại các điểm cụ thể trong DNA, được đặt mục tiêu bởi protein khởi tạo. [4] Trong E. coli, protein này là DnaA; trong nấm men, đây là phức hợp nhận diện gốc. [12] Các chuỗi được sử dụng bởi protein khởi tạo có xu hướng “giàu A,T” (giàu bazơ adeninethymine), bởi vì các cặp A-T có hai liên kết hydro (thay vì ba được hình thành trong một cặp G-X) và do đó dễ tách rời hơn. [13] Khi gốc đã được định vị, những protein khởi tạo này sử dụng các protein khác và tạo thành phức hợp tiền nhân bản, giải phóng DNA sợi kép.

Kéo dài[sửa | sửa mã nguồn]

DNA polymeraza có hoạt tính chiều 5′ –3. Tất cả các hệ thống sao chép DNA đã cho một nhóm hydroxyl 3' tự do trước khi tổng hợp có thể được bắt đầu (lưu ý: khuôn DNA được đọc theo hướng 3′ đến 5' trong khi một mạch mới được tổng hợp theo hướng 5′ đến 3' — thường là đứt đoạn). Bốn cơ chế riêng biệt cho tổng hợp DNA được công nhận:

  1. Tất cả các dạng tế bào sống và nhiều virus DNA, các phageplasmid sử dụng một enzym primaza để tổng hợp một mồi RNA ngắn với một nhóm 3′ OH tự do và sau đó được kéo dài bởi DNA polymeraza.
  2. Các retroelement (bao gồm cả retrovirus) sử dụng một RNA chuyển đổi để sao chép DNA sao chép bằng cách cung cấp một 3 ′ OH tự do được sử dụng cho kéo dài bởi enzym phiên mã ngược.
  3. Trong Virus Adeno và họ φ29 của thể thực khuẩn, nhóm 3 'OH được cung cấp bởi chuỗi bên của một axit amin của bộ gen gắn protein (protein đầu cuối) mà nucleotit được DNA polymeraza thêm vào để tạo thành một đoạn mới.
  4. Trong các virus DNA mạch đơn - một nhóm bao gồm các circovirus, các geminivirus, parvovirus và các loại khác - và nhiều loại thực thể và plasmid sử dụng cơ chế nhân rộng vòng tròn lăn (RCR), endonuclease RCR tạo ra một vết cắt trong chuỗi gen (virus đơn lẻ) hoặc một trong các mạch DNA (plasmid). Đầu 5' của mạch có vết được chuyển sang một dư lượng tyrosine trên nucleaza và nhóm 3 ′ OH tự do sau đó được DNA polymeraza sử dụng để tổng hợp mạch mới.

Đầu tiên là cơ chế này được biết đến nhiều nhất và được sử dụng bởi các sinh vật di động. Trong cơ chế này, một khi hai mạch được tách ra, primaza bổ sung thêm mồi ARN vào các mạch khuôn. Mạch dẫn đầu nhận được một mồi mồi RNA trong khi mạch tụt lại nhận được một số. Mạch dẫn đầu liên tục được kéo dài từ mồi bằng một DNA polymeraza với độ xử lý cao, trong khi đó, mạch bị trễ được mở rộng không liên tục từ mỗi mồi tạo thành các đoạn Okazaki. RNase loại bỏ các đoạn ARN mồi, và một DNA polymeraza có độ xử lý thấp khác với polymeraza nhân bản xâm nhập vào để lấp đầy khoảng trống. Khi điều này hoàn tất, có thể tìm thấy một vết đơn lẻ trên mạch gốc và một số vết trên mạch kia. Ligaza hoạt động để lấp đầy những vết này, do đó hoàn thành phân tử DNA mới được nhân đôi.

Primaza được sử dụng trong quá trình này khác nhau đáng kể giữa vi khuẩn và vi sinh vật / sinh vật nhân chuẩn. Vi khuẩn sử dụng một primaza thuộc họ siêu protein DnaG chứa một tên xúc tác của loại gấp TOPRIM. [14] Vòng TOPRIM chứa một lõi α / β với bốn sợi được bảo tồn trong một cấu trúc liên kết giống như Rossmann. Cấu trúc này cũng được tìm thấy trong các lĩnh vực xúc tác của topoisomerase Ia, topoisomerase II, các protein nucleaza và protein sửa chữa DNA của họ OLD liên quan đến protein RecR.

Các enzym tham gia[sửa | sửa mã nguồn]

Gyraza (còn được gọi là topoisomeraza II): Làm duỗi thẳng phân tử DNA.

Helicase: Tách, cắt các liên kết hidro giữa hai mạch đơn.

DNA polymeraza:

DNA polymeraza I: cắt ARN mồi, tổng hợp mạch polinucleotit mới.

DNA polymeraza II: sửa sai sau khi nối các đoạn okazaki.

DNA polymeraza III: lắp ráp nu, kéo dài mạch đơn mới.

Ligaza: nối các đoạn okazaki.

Primaza (ARN polymeraza):Tổng hợp đoạn mồi.

Ngoài ra còn có:

Prôtêin SSB: giúp hai mạch đơn không bị dính lại vào nhau để các enzym hoạt động.

Telomeraza: hạn chế sự cố đầu mút.Chỉ có trong tinh hoàn và buồng trứng,ở tất cả các tế bào sinh dưỡng enzim này ko hoạt động

Diễn biến[sửa | sửa mã nguồn]

Ở tế bào sinh vật nhân sơ[sửa | sửa mã nguồn]

Bước 1: Tháo xoắn phân tử DNA[sửa | sửa mã nguồn]

Hai mạch đơn của phân tử DNA tách nhau dần tạo nên chạc hình chữ Y để lộ ra hai mạch khuôn tái bản nhờ các enzym tháo xoắn ( helicase).

Bước 2: Tổng hợp mạch DNA mới[sửa | sửa mã nguồn]

Enzym DNA polymeraza sử dụng 2 mạch đơn khuôn tổng hợp nên mạch mới theo NtBS[1].

Vì enzym DNA polymeraza chỉ tổng hợp mạch mới theo chiều 5' - 3' (DNA polymeraza chỉ có thể xúc tác kéo dài mạch mới khi có sẵn đầu 3' OH tự do.) nên trên mạch khuôn có chiều 3'-5', quá trình tổng hợp mạch mới diễn ra liên tục (mạch mới này được gọi là mạch dẫn đầu[2]),trên mạch khuôn 5'-3' quá trình tổng hợp gián đoạn tạo thành các đoạn okazaki. Mạch này tổng hợp gián đoạn và chậm hơn nên gọi là mạch ra chậm (lagging strand)

Sau đó các đoạn okazaki được nối lại với nhau nhờ enzym nối ligaza.

Bước 3: Hai phân tử DNA được tạo thành (kết thúc)[sửa | sửa mã nguồn]

Mạch mới được tổng hợp đến đâu thì 2 mạch đơn xoắn lại đến đó, tạo thành phân tử DNA con. Trong đó có một mạch được tổng hợp còn mạch kia từ DNA ban đầu (nguyên tắc bán bảo toàn).

Ở tế bào sinh vật nhân thực[sửa | sửa mã nguồn]

Sự nhân đôi DNA ở sinh vật nhân thực có cơ chế giống với sự nhân đôi DNA ở sinh vật nhân sơ.

Tuy nhiên, tế bào sinh vật nhân thực có nhiều phân tử DNA có kích thước lớn. Sự nhân đôi DNA xảy ra ở nhiều điểm trong mỗi phân tử DNA tạo ra nhiều đơn vị tái bản và do nhiều loại enzym tham gia.

Ở sinh vật nhân thực, quá trình tổng hợp mạch mới ở vị trí đầu mút của phân tử DNA xảy ra một hiện tượng đặc biệt gọi là sự cố đầu mút[3].

Hình ảnh[sửa | sửa mã nguồn]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Nguyên tắc bổ sung.
  2. ^ leading strand
  3. ^ Do đặc điểm của enzym ADN polymeraza là phải có đoạn ARN mồi mới có thể kéo dài mạch mới. Tuy nhiên ở vị trí đầu mút của ADN, sau khi loại bỏ ARN mồi, do không có đầu 3'OH nên ADN polymeraza không thể tổng hợp đoạn nulêôtit thay thế, kết quả là ADN bị ngắn dần qua các lần sao chép.