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13.5: Replicação em Procariotas
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Replication in Prokaryotes
 
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13.5: Replication in Prokaryotes

13.5: Replicação em Procariotas

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.

Visão Geral

A replicação do DNA tem três passos principais: iniciação, alongamento e término. A replicação em procariotas começa quando as proteínas iniciadoras se ligam à única origem da replicação (ori) no cromossoma circular da célula. A replicação prossegue então em torno de todo o círculo do cromossoma em cada direção a partir de dois garfos de replicação, resultando em duas moléculas de DNA.

Muitas Proteínas Trabalham Juntas Para Replicar o Cromossoma

A replicação é coordenada e realizada por uma série de proteínas especializadas. A topoisomerase quebra um lado do esqueleto de açúcar-fosfato da cadeia dupla do DNA, permitindo que a hélice do DNA se desenrole mais rapidamente, enquanto que a helicase quebra as ligações entre pares de bases no garfo, separando o DNA em duas cadeias molde. Proteínas que se ligam a moléculas de DNA de cadeia simples estabilizam as cadeias à medida que o garfo de replicação viaja ao longo do cromossoma. O DNA só pode ser sintetizado na direção de 5’ a 3’, pelo que uma cadeia do molde—a cadeia contínua—é alongada continuamente, enquanto que a outra cadeia—a cadeia descontínua—é sintetizada em porções mais curtas de 1000-2000 pares de bases chamados fragmentos de Okazaki.

Múltiplas Polimerases Participam do Alongamento

Grande parte da investigação para perceber a replicação do DNA procariótico foi realizada na bactéria Escherichia coli, um organismo modelo comumente usado. E. coli tem 5 DNA polimerases: Pol I, II, III, IV e V. A Pol III é responsável pela maior parte da replicação do DNA. Pode polimerizar cerca de 1.000 pares de bases por segundo. Esse ritmo surpreendente permite que a maquinaria presente nos dois garfos de replicação dupliquem o cromossoma de E. coli—4,6 milhões de pares de bases—em aproximadamente 40 minutos. A DNA polimerase I também é bem caracterizada; o seu papel principal é remover os primers de RNA do início dos fragmentos de Okazaki na cadeia descontínua.

Quando a Divisão Supera a Duplicação

Em condições favoráveis de crescimento, E. coli divide-se a cada 20 minutos, cerca de metade do tempo que leva para replicar o seu genoma. Como é isso possível quando ambas as células filhas devem ter o seu próprio DNA? Os cientistas descobriram que as bactérias podem iniciar outra ronda de replicação de DNA a partir da origem da replicação antes da primeira ronda estar concluída; isso significa que as células filhas recebem um cromossoma que já está em processo de ser copiado e estão preparadas para se dividirem novamente muito rapidamente.

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