Back to chapter

13.5:

שכפול בפרוקריוטים

JoVE Core
Biology
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Biology
Replication in Prokaryotes

Languages

Share

בפרוקריוטים, שכפול הדנ”א מתחיל כאשר חלבונים ייזמו לאגד את המקור של השכפול, אזור קטן של DNA המכיל רצף מסוים של בסיסים, יצירת מורכבת. קומפלקס זה מסייע להפריד את הדנ”א. ואז האנזים DNA הליקאז נקשר אליו וממשיך להפיג את הדנ”א על ידי שבירת קשרי המימן בין הגדילים המשלימים.האזורים החדשים שנפתחו הם התייצבו על ידי יחיד חלבונים דנ”א מחייב. כל אחד יכול כעת לשמש כתבנית לסינתזה של פתיל חדש של דנ”א. ההתרה והסינתזה נמשכות בשני הכיוונים מהמקור, יצירת שני מזלגות שכפול.מול המזלגות, אנזימים טופואיזומראזים מאגדים את ה-DNA ולהפחית את הזן ה-torsional כאשר המולקולה משתחררת. לאחר שהגדילים מופרדים, עוד אנזים, Primase, מסנתז RNA פריימר, קטע קצר של רנ”א המשלים לרצף הדנ”א. פריימר מספק מקום עבור אנזים פולימרז DNA להוסיף נוקליאוטידים משלימים את רצף DNA, יצירת גדיל DNA חדש בתהליך הנקרא התארכות.פולימראז דנ”א מסנתז דנ”א בחמשת הפריים עד שלושה כיוונים ראשוניים של המולקולה, כך סינתזה של גדיל זה, החוט המוביל, ממשיך בהתמדה. החוט השני, החולשה המפגרת, נמצא בכיוון הפוך. כתוצאה מכך, DNA מסונתז בקטעים קצרים שנקרא שברי Okazaki, מוארך מ RNA פריימר נוספים לאחור מהכיוון הכללי של התנועה של מזלג שכפול.לאחר מכן הRNA פריימרים מוסרים על ידי אנזימים כגון RNAs, הוחלף ב-DNA, ואת שברי הדנ”א מחוברים יחד על ידי ליגז DNA אנזים, יצירת גדיל מתמשך. שכפול דנ”א מתקדם סביב המולקולה כולה, וכתוצאה מכך שתי מולקולות דנ”א עגול. זה נחשב תהליך סמיקונסרווטי, כי כל מולקולה מכילה גדיל ישן אחד וחוט חדש אחד.

13.5:

שכפול בפרוקריוטים

Overview

DNA replication has three main steps: initiation, elongation, and termination. Replication in prokaryotes begins when initiator proteins bind to the single origin of replication (ori) on the cell’s circular chromosome. Replication then proceeds around the entire circle of the chromosome in each direction from two replication forks, resulting in two DNA molecules.

Many Proteins Work Together to Replicate the Chromosome

Replication is coordinated and carried out by a host of specialized proteins. Topoisomerase breaks one side of the double-stranded DNA phosphate-sugar backbone, allowing the DNA helix to unwind more rapidly, while helicase breaks the bonds between base pairs at the fork, separating the DNA into two template strands. Proteins that bind single-stranded DNA molecules stabilize the strands as the replication fork travels along the chromosome. DNA can only be synthesized in the 5’ to 3’ direction, so one strand of the template—the leading strand—is elongated continuously, while the other strand—the lagging strand—is synthesized in shorter pieces of 1000-2000 base pairs called Okazaki fragments.

Multiple Polymerases Take Part in Elongation

Much of the research to understand prokaryotic DNA replication has been performed in the bacterium Escherichia coli, a commonly-used model organism. E. coli has 5 DNA polymerases: Pol I, II, III, IV, and V. Pol III is responsible for the majority of DNA replication. It can polymerize about 1,000 base pairs per second. This astonishing pace allows the machinery present at the two replication forks to duplicate the E. coli chromosome—4.6 million base pairs—in roughly 40 minutes. DNA polymerase I is also well-characterized; its primary role is to remove the RNA primers from the start of Okazaki fragments on the lagging strand.

When Division Outpaces Duplication

Under favorable growth conditions, E. coli will divide every 20 minutes, about half the amount of time that it takes to replicate the genome. How is this possible when both daughter cells must have their own DNA? Scientists found that the bacteria can begin another round of DNA replication from the origin of replication before the first round is complete; this means that daughter cells receive a chromosome that is already in the process of being copied and are prepared to divide again very quickly.