Инициация репликации и подготовка матрицы
Удвоение бактериальной хромосомы не может начаться в случайном месте. Местом посадки репликативного комплекса служит строго определенный участок — origin (точка начала). Специфическая последовательность нуклеотидов в этой зоне способствует первоначальному расплетанию двойной спирали. Из этого участка могут начать движение одна или сразу две репликативные вилки, и процесс будет продолжаться вплоть до полного удвоения всей молекулы.
Для успешного разделения цепей материнской ДНК работает целая команда белков:
- Хеликаза — фермент, который физически расплетает двойную спираль в точке ветвления. Этот процесс требует значительных затрат энергии.
- Топоизомераза (гираза) — снимает структурное напряжение и предотвращает образование вторичных завитков (суперспирализацию) перед идущей вилкой.
- SSB-белки (Single-Strand Binding proteins) — немедленно связываются с оголенными одноцепочечными участками. Они не дают ДНК снова схлопнуться в спираль и надежно защищают уязвимые нити от разрушения нуклеазами.
Биохимический механизм синтеза и роль праймера
Непосредственный синтез новых цепей осуществляет фермент ДНК-полимераза. Однако этот фермент имеет важное биохимическое ограничение: он способен присоединять новые нуклеотиды исключительно к 3’-гидроксильной группе (3’-концу) уже существующей цепочки. ДНК-полимераза не умеет начинать синтез «с нуля».
Для старта ей требуется специальная затравка — праймер. Эту роль берет на себя короткая цепочка РНК, которая полностью комплементарна матрице ДНК. Синтезирует эту затравку фермент ДНК-праймаза (или РНК-праймаза). Уникальность праймазы в том, что она способна начать синтез РНК на одноцепочечной ДНК без какой-либо предварительной опоры. В результате на 5’-конце каждой новой цепи всегда изначально присутствуют рибонуклеотиды, и лишь после их закладки ДНК-полимераза может приступить к полноценному достраиванию нити.
Асимметрия репликативной вилки
Поскольку две цепи в молекуле ДНК антипараллельны друг другу, а синтез может идти исключительно в направлении от 5' к 3'-концу, процессы на двух нитях протекают принципиально по-разному. В репликативной вилке выделяют две цепи:
- Ведущая цепь (Leading strand). Здесь направление синтеза полностью совпадает с вектором расплетания спирали. Поэтому ДНК-полимераза движется вслед за хеликазой непрерывно, собирая длинную цельную нить.
- Отстающая цепь (Lagging strand). На этой нити направление синтеза противоположно направлению движения репликативной вилки. Синтез вынужден идти прерывисто, отдельными короткими участками, которые получили название фрагменты Оказаки.
Созревание отстающей цепи и деление клетки
Чтобы отстающая цепь превратилась в полноценную непрерывную молекулу, она должна пройти стадию созревания. Сначала из нее удаляются все РНК-затравки, которые использовались для старта каждого фрагмента Оказаки. Образовавшиеся пустые бреши с высокой точностью застраиваются ДНК-полимеразой. На финальном этапе фермент ДНК-лигаза сшивает разрозненные фрагменты в единую ковалентную цепь.
Завершение цикла репликации хромосомы является сигналом к началу деления бактериальной клетки. У бактерий сегрегация (расхождение) нуклеоида происходит без участия веретена деления, характерного для эукариот. Вновь синтезированные нити ДНК прикрепляются к цитоплазматической мембране. Существует строгая пространственная связь между этими точками прикрепления и зоной активного роста клеточной стенки. По мере того как мембрана растет, она физически «растаскивает» две закрепленные копии генома в разные стороны к полюсам будущих дочерних клеток. Такое бинарное деление в конечном итоге обеспечивает рост бактериальной популяции в геометрической прогрессии.
Хеликаза — Хакер (взламывает и расплетает спираль). Топоизомераза — Тормоз (тормозит суперспирализацию, снимает напряжение). Праймаза — Первый (кладет первую затравку). Полимераза — Прораб (строит основную цепь). Лигаза — Лента (склеивает фрагменты Оказаки).
Вопросы с занятий и экзамена
Почему ДНК-полимераза не может инициировать синтез самостоятельно?
Биохимический механизм работы ДНК-полимеразы требует наличия свободного 3’-конца (3’-гидроксильной группы) для присоединения нового нуклеотида. Поэтому ей всегда нужна стартовая площадка в виде РНК-праймера, синтезируемого праймазой.
Что такое фрагменты Оказаки?
Это короткие участки новой ДНК, которые синтезируются на отстающей цепи. Их прерывистое образование связано с тем, что синтез идет в направлении 5'→3', что противоположно направлению расплетания репликативной вилки.
Как копии хромосомы расходятся по клеткам, если у бактерий нет веретена деления?
Синтезированные копии ДНК прикрепляются к цитоплазматической мембране. За счет активного роста мембраны и клеточной стенки между точками прикрепления хромосомы физически разносятся в разные стороны формирующихся дочерних клеток.
Что ещё разобрать по теме
- Особенности строения и нуклеотидная последовательность участка origin
- Детальный состав комплекса из более чем 20 ферментов, обеспечивающих удвоение
- Механизм удаления РНК-затравок при созревании отстающей цепи
- Динамика движения двух репликативных вилок навстречу друг другу на кольцевой хромосоме
- Математические аспекты геометрической прогрессии при бинарном делении популяции
Разберите тему целиком в курсе «Микробиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Репликация ДНК у бактерий» и ещё 4 383 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 141 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Физиология микробов»
Бесплатные видеоуроки: микробиологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.