Chapter 10
Biosynthesis of Nucleic
Acids: Replication
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10-1. Flow of Genetic Information in the Cell
“Central dogma”
“(콕스)분자생물학 ㈜라이프사이언스
10-1. Flow of Genetic Information in the Cell
• Replication: Process of duplication of DNA
- The duplication of DNA, giving rise to a new DNA molecule with the same base sequence,
is necessary whenever a cell divides to produce daughter cells
• Transcription: Process of formation of RNA on a DNA template
- Base sequence of DNA is reflected in the base sequence of RNA
• Translation: Process of protein synthesis
- Amino acid sequence of the protein reflects the sequence of bases in the gene that codes
for that protein
• Reverse transcriptase: Enzyme that directs the synthesis of DNA on an RNA template
- Retroviruses are those viruses in which RNA is the genetic material rather than DNA that
are catalyzed by reverse transcriptase
10-1. Flow of Genetic Information in the Cell
• Mechanisms by which information is transferred in the cell is based on
“Central Dogma”
Figure 10.1 - Mechanisms for Transfer of Information in the Cell
9-2. The Covalent Structrue of Polynucleotides (추가)
1. Component of Nucleotides(추가)
* Nucleic acid
• Nucleic acid: DNA (deoxyribonucleic acid) and RNA (ribonucleic acid)
• Nucleic acid: a biopolymer containing four types of monomer units
(each unit has three essential component)
- a base derived from purine or pyrimidine (nucleobases)
- Sugar (a monosaccharide), either D-ribose or 2-deoxy-D-ribose
- phosphoric acid
•
•
Nucleotide: 인산기, 오탄당, 질소염기 (DNA의 경우-A,T,G,C RNA의 경우-A,U,G,C)
✓
Nucleoside: 오탄당과 질소염기
✓
염기고리 원자들은 당에 연결되어있는 질소부터 번호가 매겨짐
✓
당고리 에 있는 탄소는 번호에 프라임(‘)이 붙음
각 네 종류의 뉴클레오티드만으로도 DNA 및 RNA 서열이 가능한 개수가 매우 다양해서 거의 무
한대에 이르는 고유한 유전정보를 만들 수 있음.
•
DNA와 RNA의 차이는
✓
어떤종류의 오탄당이 있는가?: RNA의 경우 DNA에 비해 당에 하이드록실기 (-OH)가 더있
다. 그래서 DNA는 deoxy~(산소적다는말)
✓
질소염기 구성이 다르다: 티민(T)과 우라실(U)는 메틸기 (-CH3) 차이.
“(콕스)분자생물학 ㈜라이프사이언스
9-2. The Covalent Structure of Polynucleotides (추가)
“(콕스)분자생물학 ㈜라이프사이언스
9-2. The Covalent Structure of Polynucleotides (추가)
Fig. 9.3. Structures of the common nucleobases
9-2. The Covalent Structure of Polynucleotides (추가)
Fig. 9.3. A comparison of the structures of a ribonucleoside
and a deoxyribonucleoside
9-2. The Covalent Structure of Polynucleotides (추가)
2. Polymerization of Nucleotides(추가)
Fig. 9.5. A fragment of an RNA chain
9-3. The Structure of DNA (추가)
“(콕스)분자생물학 ㈜라이프사이언스
9-3. The Structure of DNA (추가)
10-2. Replication of DNA
1. Semiconservative replication (Fig.10.2.)
•
DNA replication involves separation
of the two original strands and
production of two new daughter
strands using the original strands as
templates
•
Each daughter strand contains one
template strand and one newly
synthesized strand
•
DNA 복제는 반보존적
(semiconservative)으로 진행됨.
•
반보전적 복제란 2개의 새로 만들어
진 DNA 분자가 한가닥은 양친으로 부
터 받고, 이와 상보적인 가닥은 새로
합성된 것을 의미함.
10-2. Replication of DNA
Fig. 10.3. Experimental evidence for
Semiconservative Replication
•
Incorporation of isotopic label as sole
nitrogen source (15NH4Cl)
•
Observed that 15N-DNA has a higher
density than 14N-DNA, and the two can
be separated by density-gradient
ultracentrifugation
10-2. Replication of DNA
2. DNA replication is bidirectional (Fig.10.4.)
10-2. Replication of DNA
•
•
•
•
•
DNA double helix unwinds at a
specific point called an origin of
replication
Polynucleotide chains are
synthesized in both direction
from the origin of replication →
DNA replication is bidirectional
in most organisms
At each origin of replication,
there are two replication forks
→ Replication forks: Points at
which new polynucleotide
chains are formed
θ structure : Bubble, or eye, of
newly synthesized DNA between
regions of the original DNA is a
manifestation of the advance of
the two replication forks in
opposite directions
Prokaryotes - One origin of replication and one bubble
Eukaryotes - Several origins of replication and several bubbles
Bidirectional growth of polynucleotide chains represents net chain growth
10-3. DNA Polymerase
3. DNA replication is Semidiscontinuous
• DNA를 합성하는 DNA 중합효소 (DNA polymerase)는 DNA를
오직 5’→3’ 방향으로만 합성함.
• 따라서 딸가닥 (새가지)중 하나는 복제 분기점이 움직이는
방향과 같은방향으로 연속적으로 확장되는 반면에 다른가
닥 (새가지)은 반대방향으로 합성되어야 함. 반대방향으로
합성되는 가닥을 지연가닥 (lagging strand) 이라고 함
• 즉 DNA 합성간격은 복제 분기점이 이동할때마다 다시 시
작되어야 하며, DNA합성을 바로 개시 할 수 없음. 즉 다른
가닥 DNA 사슬은 프리마제 (primase)라는 효소에 의해 합
성되는 짧은 RNA 조각인 프라이머 (primer)로부터 시작되
어야함 (반불연속적, Semidiscontinuous ).
• 연속적으로 합성되는 딸가닥은 선도가닥 (leading strand),
불연속적으로 합성되는 딸가닥은 지연가닥 (lagging strand)
이라고 함
• 지연가닥의 일련의 절편을 오카자키 (Reiji Okazaki) 절편이
라고 함
“(콕스)분자생물학 ㈜라이프사이언스
10-3. DNA Polymerase
• DNA is synthesized from its 5’ -> 3’ end (from the 3’ -> 5’ direction of the template)
- the leading strand is synthesized continuously in the 5’ -> 3’ direction toward the replica
tion fork
- the lagging strand is synthesized semidiscontinuously
(Okazaki fragments) also in the 5’ -> 3’ direction, but away from the
replication fork
- lagging strand fragments are joined by the enzyme DNA ligase
Fig. 10.6. Semidiscontinuous model
for DNA replication
10-3. DNA Polymerase
Animation: DNA Replication Review
10-3. DNA Polymerase
Animation: Leading Strand
10-3. DNA Polymerase
Animation: Lagging Strand
10-3. DNA Polymerase
@ DNA polymerase (DNA 중합효소)
• DNA를 합성하는 DNA polymerase (DNA 중합효소)는 DNA를 오직 5’→3’ 방향으로만 합성함.
• DNA 중합효소는 dNTP (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) (deoxyribonucleoside tiphosphates) 를 기질로
사용하여 dNTP가 프라이머 가닥의 3’-OH기에 첨가될 때마다 인산디에스테르결합
(phosphodiester bond)결합을 형성함으로서 주형가닥에 상보적인 염기를 배열하면서 5’→3’
방향으로 신장.
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10-3. DNA Polymerase
@ DNA polymerase는 DNA nuclease(핵산말단분해효소) 활성을
갖고 있다
• 3’→5’ DNA nuclease 기능
✓ DNA 중합효소가 잘못된 염기를 선택하여 합성하는 오
류를 범할때, 100배에서 1000배 정도 이 오류를 개선하
는 효소. DNA 중합효소에 DNA nuclease가 DNA의 3’→5’
방향쪽에 결합해 있음.
✓ DNA중합효소가 C와 T, 잘못된 염기를 선택하여 합성하
는 오류를 범함→틀린짝 3’말단부위로 중합효소가 자
신의 몸을 기울여 DNA nuclease 이곳으로 이동시킴→
DNA nuclease가 C를 가수분해→가수분해된 3’말단에
DNA중합효소가 다시위치함→DNA중합효소가 올바른
뉴클레오타이드 A를 삽입
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10-3. DNA Polymerase
10-3. DNA Polymerase
•
-
DNA polymerase require:
Presence of a primer
All four deoxyribonucleoside triphosphates
dNTP (dTTP, dATP, dGTP, and dCTP)
Mg2+
DNA template
•
-
DNA polymerase function:
Exonuclease activities are part of proofreading-and-repair functions
Proofreading: Removing incorrect nucleotides during DNA replication
Repair: Removing incorrect nucleotides from DNA and replacing them w
ith correct ones
10-3. DNA Polymerase
@ Primer
Short stretch of RNA hydrogen-bonded to the template DNA to which the growing
DNA strand is bonded at the start of synthesis
• DNA 합성 개시에서 형성되는 RNA-DNA 혼성화 구조
@ Primase
catalyzes the copying of a short stretch of the DNA template strand to produce RNA
primer sequence
10-3. DNA Polymerase
@ dNTP (deoxyribonucleoside tiphosphates)
• 각 뉴클레오티드의 전구체는 데옥시뉴클레오시드 5′-삼인산
• dNTP (dATP, dGTP, dCTP, dTTP)라고 명명함.
10-4. Proteins Required for DNA Replication
@ DNA helicase (헬리케이스 )
• 복제중 DNA 이중나선은 helicase에 의해 풀려서 단일가닥이 형성된다.
10-4. Proteins Required for DNA Replication
@ Single Stranded DNA Binding protein (단일가닥 DNA 결합단백질, SSB)
마) 단일가닥 DNA 결합단백질 (SSB)
• 일단 가닥이 분리되면 분리된 가닥에 단일가닥 DNA 결합단백질 (single stranded DNA binding protein, SSB)
이 결합하여 이를 단일가닥으로 유지되게 됨. SSB 는 단일가닥 DNA 결합단백질로서 DNA 복제 과정 및 회복
과정에서 일시적으로 생겨는 DNA와 결합하여 이를 보호함. DNA 가닥의 2차구조를 제거하고 핵산분해효소
활성으로 부터 단일가닥 DNA를 보호함. SSB가 없으면 세포가 죽음
10-4. Proteins Required for DNA Replication
@ Topoisomerase
• DNA 중합효소나 RNA 중합효소의 진행은 이
중가닥의 분리를 수반하여 효소 앞쪽은 꼬
이지만, 뒤쪽은 꼬임이 덜하게 된다.
• 세포에서 전사에 의해 유발된 위상문제는
위상이성질체효소 (topoisomerase)에 의해
해소된다
10-4. Proteins Required for DNA Replication
✓ DNA gyrase : relaxed circular DNA → supercoiled DNA (Figure
10-4. Proteins Required for DNA Replication
10-4. Proteins Required for DNA Replication
10-4. Proteins Required for DNA Replication
10-4. Proteins Required for DNA Replication
Fin.
Questions?
Reference
• Biochemistry (Mark. Campbell, Shawn O. Farrell; 8th )