13.5: Replikacja u prokariontów

Przegląd

Replikacja DNA składa się z trzech głównych etapów: inicjacji, wydłużenia i zakończenia. Replikacja u prokariontów rozpoczyna się, gdy białka inicjujące wiążą się z pojedynczym początkiem replikacji (ori) na kolistym chromosomie komórki. Replikacja następnie przebiega wokół całego okręgu 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 wiele wyspecjalizowanych białek. Topoizomeraza łamie jedną stronę dwuniciowego szkieletu DNA fosforanowo-cukrowego, umożliwiając szybsze rozwijanie się helisy DNA, podczas gdy helikaza zrywa wiązania między parami zasad na widelcu, rozdzielając DNA na dwie nici matrycowe. Białka, które wiążą jednoniciowe cząsteczki DNA, stabilizują nici, gdy widełki replikacyjne przemieszczają się 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 kawałkach po 1000-2000 par zasad zwanych fragmentami Okazaki.

Wiele polimeraz bierze udział w wydłużeniu

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 jest odpowiedzialny za większość replikacji DNA. Może polimeryzować około 1,000 par zasad na sekundę. To zdumiewające tempo pozwala maszynerii obecnej w dwóch widełkach replikacyjnych na zduplikowanie chromosomu 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 opóźnionej nici.

Gdy dzielenie wyprzedza duplikację

W sprzyjających warunkach wzrostu E. coli dzieli się co 20 minut, czyli około połowy czasu potrzebnego na replikację 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 są przygotowane do bardzo szybkiego ponownego podziału.