Enzymes involved in DNA replication Enzyme Role Helicase or DnaB ...

Report 5 Downloads 47 Views
Enzymes  involved  in  DNA  replication   Enzyme   Role   Helicase  or  DnaB   Unwinds  DNA,  breaks  H-­‐bonds  to  separate  the  two  strands   -­‐  Requires  energy  –  hydrolyses  NTPs  to  NDPs  +  Pi   -­‐  Arrives  in  the  initiation  complex,  present  throughout  replication   Single  stranded  binding   Stabilises  strands  and  keeps  strands  apart   protein  (SSBP)   -­‐  Binds  to  single-­‐stranded  DNA   Topoisomerases   Untangles  and  relaxes  the  DNA   Type  I  –  cut  one  strand  of  backbone,  allowing  other  strand  to  pass  through  gap,   then  reform   -­‐  Energy  from  potential  energy  stored  in  the  twisted  DNA   Type  II  –  cuts  both  strands  and  introduces  negative  supercoiling,  then  reform   -­‐  Energy  source  is  required   Primase  (type  of  RNA   Lays  down  short  RNA  primers  for  DNA  pol  III  at  initiation  and  the  lagging  strand   polymerase)   -­‐  Provides  the  3’OH  required  by  DNA  polymerase   DNA  polymerase  III   Copies  the  bulk  of  the  DNA  –  adds  nucleotides  to  synthesising  strand     DNA  polymerase  I   Removes  primer  and  fills  in  the  gaps  in  the  lagging  strand   Ligase   Seals  sugar-­‐phosphate  backbone     -­‐ dNTP  –  nucleoside  triphosphate  for  DNA  (deoxyribose)   -­‐ NTP  –  for  RNA  –  nucleotide  triphosphate  (ribose)     Polymerases   -­‐ All  polymerases  (DNA  and  RNA)  have  5’  →  3’  polymerase  activity   o Make  new  DNA  strand  in  5’  →  3’  direction  from  a  DNA  template   o Can  ONLY  add  to  existing  3’OH   o dNTP  substrate     -­‐ DNA  polymerases  need  a  primer   o Short  fragment  of  single-­‐stranded  nucleic  acid  bound  to  template   o Provides  a  3’OH  to  make  the  next  addition   § Cancer  drug  –  omit  the  3’OH  and  terminate  elongation   -­‐ RNA  polymerases   o Make  RNA  copy  from  a  DNA  template  in  5’  →  3’  direction   o No  primer  required,  use  NTPs  as  substrate   -­‐ All  DNA  (not  RNA)  polymerases  have  a  3’  →  5’  exonuclease  activity  –  proof  reading     o Cleaves  backbone,  removes  recently  added  nucleotide  if  not  complementary  to  template   o DNA  pol  I  (but  not  III)  also  has  a  5’  →  3’  exonuclease  activity  to  remove  primer     -­‐ DNA  pol  III  –  main  replication  enzyme   o Catalyses  formation  of  phosphodiester  bond  between  5’P  on  incoming,  and  existing  3’OH   § Results  in  new  nucleotide  being  added  to  growing  chain,  and  removal  of  two   phosphate  groups  from  that  new  NTP/dNTP     o Processivity  due  to  donut-­‐like  pair  of  β  subunits  which  clap  the  enzyme  to  DNA   § Remains  tightly  associated  with  template  through  many  nucleotide  additions   -­‐ DNA  pol  II,  IV  and  V  –  repair  enzymes                    

DNA  Polymerase  I   -­‐ Discovery  of  DNA  pol  I  –  incorporation  of  radioactive  [32P]dTTP  into  DNA     o Assay  found  that  the  product  DNA  reflected  the  base  composition  of  the  template  DNA,   not  the  relative  conc.  of  the  4  nucleotides   o Proof  that  template  was  being  copied,  not  just  making  a  random  DNA  polymer   -­‐ Why  DNA  pol  I  is  not  the  main  replication  enzyme     o Doesn’t  work  fast  enough     o Not  processive  enough  (falls  off  after  20  bases)   o No  effect  on  rate  of  E.  coli  replication       Replication  process   -­‐ Full  blown  replication  occurs  only  once,  just  before  cell  division   -­‐ Replication  stages  –  initiation,  elongation,  termination   -­‐ Strands  always  built  from  5’  →  3’  direction   o Add  nucleotides  to  3’  end  of  the  template  strand   -­‐ Leading  strand  (parent  strand  3’  →  5’  orientation)   o Synthesized  continuously  in  5’  →  3’  direction   1. RNA  primase  used  at  the  beginning  (only  once)   2. DNA  polymerase  III  adds  bases  continuously   -­‐ Lagging  strand  (parent  strand  5’  →  3’  orientation)   o Synthesized  discontinuously  in  shorter  multiple  pieces  (Okazaki  fragments)   o Direction  of  synthesis  is  opposite  to  the  direction  of  the  growing  replication  fork   o Template  must  wrap  around  –  approach  DNA  pol  III  assembly  from  the  opposite  direction   1. Primase  reads  DNA  template  and  attaches  a  short  complementary  RNA  primer   § Each  fragment  requires  a  new  primer   2. DNA  pol  III  extends  primed  segments  –  forms  Okazaki  fragments   3. DNA  pol  I  performs  “nick  translation”  when  Okazaki  fragment  is  complete   § Removes  primer  (using  5’  →  3’  exonuclease  activity)   § Fills  in  gap  (using  5’  →  3’  polymerase  activity  and  proof  reading  activity)   § However,  still  leaves  a  break  in  the  backbone   4. DNA  ligase  joins  gaps  together   § Seals  sugar-­‐phosphate  backbone  by  reforming  the  phosphodiester  bond   § Requires  energy  source  –  NAD  in  E.  coli;  ATP  in  higher  organisms   § DNA  pol  I  cannot  join  the  nick:   • Relies  on  hydrolysis  of  pyrophosphate  from  dNTPs  to  form  the   phosphodiester  bond   • Not  adding  another  nucleotide  here