13.5: Replikacja u prokariotów

Przegląd

Replikacja DNA składa się z trzech głównych etapów: inicjacji, elongacji i terminacji. Replikacja u prokariotów rozpoczyna się, gdy białka inicjujące wiążą się z pojedynczym początkiem replikacji (ori) na okrągłym chromosomie komórki. Replikacja przebiega następnie wokół całego koła chromosomu w każdym kierunku od dwóch widełek replikacyjnych, w wyniku czego powstają dwie cząsteczki DNA.

Wiele białek współpracuje ze sobą, aby replikować chromosom

Replikacja jest koordynowana i przeprowadzana przez szereg wyspecjalizowanych białek. Topoizomeraza rozrywa jedną stronę dwuniciowego szkieletu fosforanowo-cukrowego DNA, umożliwiając szybsze rozwijanie helisy DNA, podczas gdy helikaza rozrywa wiązania między parami zasad na widełkach, rozdzielając DNA na dwie nici matrycowe. Białka wiążące jednoniciowe cząsteczki DNA stabilizują nici podczas przemieszczania się widełek replikacyjnych wzdłuż chromosomu. DNA można syntetyzować tylko w kierunku od 5’ do 3’, więc jedna nić matrycy — nić wiodąca — jest wydłużana w sposób ciągły, podczas gdy druga nić — nić opóźniona — jest syntetyzowana w krótszych fragmentach po 1000-2000 par zasad, zwanych Fragmenty Okazakiego.

W wydłużaniu bierze udział wiele polimeraz

Wiele badań mających na celu zrozumienie replikacji prokariotycznego DNA przeprowadzono na bakterii Escherichia coli, powszechnie używanym organizmie modelowym. E. coli ma 5 polimeraz DNA: Pol I, II, III, IV i V. Pol III odpowiada za większość replikacji DNA. Może polimeryzować około 1000 par zasad na sekundę. To zdumiewające tempo pozwala maszynerii znajdującej się na dwóch widełkach replikacyjnych zduplikować chromosom E. coli — 4,6 miliona par zasad — w około 40 minut. Polimeraza DNA I jest również dobrze scharakteryzowana; jego podstawową rolą jest usunięcie starterów RNA z początku fragmentów Okazaki na nici opóźnionej.

Kiedy podział przewyższa powielanie

W sprzyjających warunkach wzrostu E. coli dzieli się co 20 minut, co stanowi około połowę czasu potrzebnego do replikacji genomu. Jak to możliwe, skoro obie komórki potomne muszą mieć własne DNA? Naukowcy odkryli, że bakterie mogą rozpocząć kolejną rundę replikacji DNA od początku replikacji przed zakończeniem pierwszej rundy; oznacza to, że komórki potomne otrzymują chromosom, który jest już w trakcie kopiowania i jest przygotowany do bardzo szybkiego ponownego podziału.

U prokariontów replikacja DNA rozpoczyna się, gdy białka inicjujące wiążą się z początkiem replikacji, małym regionem DNA zawierającym określoną sekwencję zasad, tworząc kompleks.

Kompleks ten pomaga początkowo oddzielić DNA. Następnie enzym helikaza DNA wiąże się z nim i kontynuuje rozwijanie DNA, zrywając wiązania wodorowe między komplementarnymi niciami. Nowo otwarte obszary są stabilizowane przez jednoniciowe białka wiążące DNA. Każdy z nich może teraz służyć jako matryca do syntezy nowej nici DNA.

Odwijanie i synteza przebiega w obu kierunkach od początku, tworząc dwa widełki replikacyjne. Przed widełkami enzymy topoizomerazy wiążą się z DNA i zmniejszają naprężenie skrętne w miarę rozwijania się cząsteczki.

Po rozdzieleniu nici inny enzym, prymaza, syntetyzuje starter RNA, krótki odcinek RNA komplementarny do sekwencji DNA. Starter zapewnia miejsce dla enzymu polimerazy DNA do dodawania nukleotydów komplementarnych do sekwencji DNA, tworząc nową nić DNA w procesie zwanym wydłużeniem.

Polimeraza DNA syntetyzuje DNA w kierunku cząsteczki od pięciu pierwszych do trzech, więc synteza tej nici, nici wiodącej, przebiega w sposób ciągły. Drugie pasmo, pasmo opóźnione, ma przeciwną orientację. W konsekwencji DNA jest syntetyzowane w krótkich fragmentach zwanych fragmentami Okazaki, wydłużonymi z dodatkowych starterów RNA do tyłu od ogólnego kierunku ruchu widełek replikacyjnych.

Startery RNA są następnie wycinane przez enzymy, takie jak RNA, zastępowane DNA, a fragmenty DNA są łączone ze sobą przez enzym ligazę DNA, tworząc ciągłą nić.

Replikacja DNA przebiega wokół całej cząsteczki, w wyniku czego powstają dwie koliste cząsteczki DNA. Jest to proces półkonserwatywny, ponieważ każda cząsteczka zawiera jedną starą nić i jedną nową nić.