13.5: שכפול בפרוקריוטים

סקירה כללית

לשכפול DNA יש שלושה שלבים עיקריים: התחלה, התארכות וסיום. שכפול בפרוקריוטים מתחיל כאשר חלבוני יוזם נקשרים למקור השכפול היחיד (ori) על הכרומוזום המעגלי של התא. לאחר מכן, השכפול ממשיך סביב כל מעגל הכרומוזום לכל כיוון משני מזלגות שכפול, וכתוצאה מכך נוצרות שתי מולקולות DNA.

חלבונים רבים עובדים יחד כדי לשכפל את הכרומוזום

השכפול מתואם ומתבצע על ידי שורה של חלבונים מיוחדים. טופואיזומראז שובר צד אחד של עמוד השדרה הדו-גדילי של ה-DNA הדו-גדילי פוספט-סוכר, מה שמאפשר לסליל ה-DNA להתפרק מהר יותר, בעוד שהליקאז שובר את הקשרים בין זוגות הבסיסים במזלג, ומפריד את ה-DNA לשני גדילי תבנית. חלבונים הקושרים מולקולות DNA חד-גדיליות מייצבים את הגדילים כאשר מזלג השכפול נע לאורך הכרומוזום. ניתן לסנתז DNA רק בכיוון של 5' עד 3', כך שגדיל אחד של התבנית - הגדיל המוביל - מוארך ברציפות, בעוד שהגדיל השני - הגדיל המשוער - מסונתז בחתיכות קצרות יותר של 1000-2000 זוגות בסיסים הנקראים מקטעי אוקזקי.

פולימראזות מרובות לוקחות חלק בהתארכות

חלק גדול מהמחקר להבנת שכפול DNA פרוקריוטי בוצע בחיידק Escherichia coli, אורגניזם מודל נפוץ בשימוש. ל-E. coli 5 פולימראזות DNA: Pol I, II, III, IV ו-V. Pol III אחראי לרוב שכפול ה-DNA. הוא יכול לפלמר בערך 1,000 זוגות בסיסים בשנייה. הקצב המדהים הזה מאפשר למכונות הקיימות בשני מזלגות השכפול לשכפל את כרומוזום ה-E. coli - 4.6 מיליון זוגות בסיסים - תוך כ-40 דקות. DNA פולימראז I גם מאופיין היטב; תפקידו העיקרי הוא להסיר את תַּחַל ה-RNA מההתחלה של מקטעי אוקזקי על הגדיל המשכי.

כאשר החטיבה עולה על כפילות

בתנאי גדילה נוחים, E. coli יתחלק כל 20 דקות, כמחצית מהזמן שלוקח לשכפל את הגנום. איך זה אפשרי כששני תאי הבת חייבים להיות בעלי DNA משלהם? מדענים גילו שהחיידקים יכולים להתחיל סבב נוסף של שכפול DNA ממקור השכפול לפני השלמת הסבב הראשון; המשמעות היא שתאי הבת מקבלים כרומוזום שכבר נמצא בתהליך העתקה ומוכנים להתחלק שוב מהר מאוד.