Wykład 2

Replikacja DNA

Replikacja DNA 

1

Replikacja: 

kopiowanie (podwojenie) 

własnego DNA przez komórkę. 

Replikacja jest konieczna dla 

przekazania informacji komórkom 

potomnym.

Zachodzi w 

fazie S cyklu 

komórkowego.

Replikacja DNA 

2

Replikacja DNA ma charakter 

semikonserwatywny

: jedna nić nowego DNA 

pochodzi z DNA wyjściowego, druga jest nowa. 

Teoretycznie możliwa jest 

również replikacja 

konserwatywna 

i 

dyspersywna. 

Badania prowadzone u 

Prokaryota przez Meselsona 

i Stahla (1958) wykluczyły 

takie możliwości.

Eksperyment Meselsona i Stahla

E. coli hodowane w

medium znakowanym 15N

Pokolenie 0

E. coli znakowane N15

dodane do medium

znakowanego 14N

Pokolenie 1

Pokolenie 2

Pokolenie 3

Ekstrakcja DNA i

wirowanie w gradiencie

15N/15N

15N/14N

15N/14N

15N/14N

14N/14N

14N/14N

Replikacja DNA 

2

Etapy replikacji:
• rozwarcie struktury podwójnej 

helisy
• dobudowanie 

komplementarnych zasad 

(nukleotydów) i utworzenie dwu 

nowych nici (wiodącej i 

opóźnionej)
• splecenie nowych i starych nici

Miejsca inicjacji replikacji

Replikacja rozpoczyna się w specyficznych 

miejscach inicjacji nazywanych 

ori 

(

ang. origin). 

U Prokaryota występuje jedno takie miejsce u 

Eukaryota jest ich wiele. 

Miejsca inicjacji replikacji są bogate w pary

 A-T

. Są 

one związane dwoma wiązaniami wodorowymi, co 

ułatwia ich rozdzielnie (w porównaniu do par C-G).

Miejsca inicjacji rozpoznawane są przez białka 

inicjujące replikację.

Inicjacja replikacji E. coli

Replikacja zaczyna się od rozpoznania przez białko 

DnaA 

miejsca inicjacji replikacji (Ori C u E. coli). 

W chromosomie bakterii E. coli jest jedno miejsce Ori C. 
Agregat 30-40 cząsteczek białka DnaA przyłącza się do 
sekwencji 9-nukleotydowych, DNA owija się wokół 
kompleksu białka Dna A.

Ori C (245 pz)

3 x GATCTNTTNTT TT

4 x TTATNCANA

Kontynuacja replikacji E. coli

Silne naprężenia DNA 
powodują rozrywanie 
wiązań wodorowych w 
obrębie powtórzeń 13-
nukleotydowych.

Kolejne przyłączane 
białka to: 

DnaB

 (helikaza) – w 

kompleksie z białkiem 
DnaC (tworzą 
heksamery)

Prymaza 

– synteza 

starterów RNA

Widełki replikacyjne

Replikacja może zachodzić w sposób ciągły jedynie dla 

nici 

wiodącej

 (o orientacji 5’ – 3’). W 

nici opóźnionej

 (3’ – 5’) nowa 

nić DNA syntetyzowana jest w odcinkach (fragmenty Okazaki). 

Zarówno w organizmach prokariotycznych jak i w eukariotycznych 
replikacja odbywa się w obrębie 

widełek replikacyjnych

. 

Replisom

 – zespół białek biorących udział w procesie replikacji DNA. 

W skład replisomu wchodzą: 

• 

Gyraza 

(topoizomeraza) – przecina chwilowo jedną (I DNA 

topoizomeraza) lub dwie (II DNA topoizomeraza) nici DNA 

umożliwiając swobodną rotację („problem zwinięcia”)

• 

Helikaza 

– rozrywa wiąz. H i rozwijaja podwójną helisę DNA.

• 

Prymaza 

– dokonujesyntezy primerów, co pozwala na syntezę 

fragmentów Okazaki. 

• 

Polimerazy DNA 

– dokonują syntezy nowych nici DNA,  

sprawdzają poprawność procesu, dokonują korekty, uzupełniają luki 

po starterach.

• 

Ligaza 

– łączy fragmenty Okazaki na nici opóźnionej

• 

Białka wiążące pojedynczą nić 

(

SSB

 - ang. Single Strand 

Binding proteins) – wiążą się z rozplecionymi nićmi DNA, stabilizuję 

je i zapobiegają tworzeniu struktury spinki do włosów.

Replisom

Replikacja u Prokaryota

Replikacja u Prokaryota zaczyna się w jednym miejscu 

DNA.
W komórkach E. coli szybkość replikacji wynosi około 

1000 pz/s.

Wielkość fragmentów Okazaki u Prokaryota wynosi 

1000-2000 nuklotydów.

Nowy DNA syntetyzowany jest zawsze 

w kierunku od 5’ do 3’. 

Replikacja u Eucaryota

Replikacja u Eukaryota zaczyna 

się w wielu miejscach DNA.
Powstałe 

replikony

 rozszerzają 

się, łączą i powstają kopie DNA.
Wielkość fragmentów Okazaki u 

Eukaryota waha się w 

granicach 100-200 

nukleotydów. 
Szybkość replikacji wynosi 

około 100 pz/s. 
Dzieje się tak ze względu na 

powolność procesu rozplatania 

nukleosomów.

12

Korekta poprawności replikacji

Kontrola poprawności kolejności wprowadzonych 

nukleotydów odbywa się podczas replikacji.
Polimerazy DNA (np. Pol I) posiadają aktywność 

egzonukleazową (3’-5’), która umożliwia im usuwanie 

nieprawidłowo wprowadzonych nukleotydów i 

zastępowanie ich prawidłowymi.

Egzonukleaza

 – enzym posiadający zdolność do hydrolizy 

wiązania fosfodiestrowego na końcu 3’ lub 5’ łańcucha 

DNA.

Endonukleaza

 – enzym posiadający zdolność do hydrolizy 

wiązania fosfodiestrowego wewnątrz łańcucha DNA.

Szacuje się, że 1:5 000 000 wprowadzanych nukleotydów 

jest nieprawidłowy (10

9

).

Schemat działania polimerazy

P

P

T

A

G

C

T

A

G

C

G

C

G

G

A

C P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

T

P

P

P

5’

3’

5’

3’

polimeraza DNA

nukleotyd

P

P

T

A

G

C

T

A

G

C

G

C

G

G

A

C P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

5’

3’

5’

3’

T

P

P

P

wydłużenie

P

P

T

A

G

C

T

A

G

C

G

C

G

G

A

C P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

5’

3’

5’

T

P

P

P

3’

P

P

T

A

G

C

T

A

G

C

G

C

G

G

A

C P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

5’

3’

5’

T

P

3’

P

A

P

P

P

G

P

G

P

P

T

A

G

C

T

A

G

C

G

C

G

G

A

C P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

5’

3’

5’

T

P

P

P

3’

P

P

P

A

błąd wydłużenia

korekta

wydłużenie

Polimeraza DNA I E. coli

Polimeraza DNA I

 – kodowana jest przez gen 

polA,  katalizuje reakcję przyłączenia 5’-

trójfosforanów (dATP, dGTP, dCTP, dTTP,) do 

grupy 3’-OH tworzącego się łańcucha DNA. 
Odgrywa ona istotną rolę w procesie 

naprawy DNA i degradacji kwasów 

nukleinowych. 
Łańcuch polimerazy DNA I (103 kD) może być 

przecięty przez proteazę na dwa fragmenty: 

68 

kDa 

i 

35 kDa

. 

Fragment 

68 kDa 

oprócz aktywności polimerazy 

działa również jako 3’-5’ egzonukleaza (kontrola 

poprawności wbudowania nukleotydów). 

35 kDa

35 kDa

5’

3’

5’

3’

3’

5’

3’

5’

przemieszczenie pęknięcia

(

)

nick translation

Fragment

 35 kDa 

przecina wiązania oddalone o kilka nukleotydów od 

końca 5’ (usuwa startery RNA i uzupełnia przerwy po usunięciu 

startera). 

Usuwa też dimery pirymidynowe powstające na skutek działania UV. 

Przemieszczenie luki katalizowane przez 35 kDa fragment.

Polimeraza DNA III E. coli

Polimeraza DNA III składa się z wielu podjednostek (900 kDa).
Posiada strukturę asymetrycznego dimeru, jednocześnie replikuje 
dwie nici DNA.
W rdzeniu () podjednostka ma aktywność polimerazy,  to 

egzonukleaza 3’-5’. Podjednostki  odpowiedzialne są za dimeryzację.











 







’













Działanie polimerazy DNA III

Nić opóźniona DNA jest zapętlona, co pozwala 
polimerazie III DNA prowadzić replikację 
jednocześnie na obu niciach. 

3’
5’

5’

3’

Polimeraza I II DNA

Nić opóźniona

Nić wiodąca

5’

Polimerazy DNA - porównanie

Polimeraza I Polimeraza II

Polimeraza III

Wielkość (kDa)

103

90

rdzeń,(130,27, 5, 10)

Gen

polA

polB

polC

Ilość/komórkę

400

-

10-20

Polimeraza 5’-3’

+

+

+

Egzonukleaza 

3’-5’

+

+

+

Egzonukleaza 

5’-3’

+

-

-











Lokalizacja

jądro

jądro

jądro

jądro

mitochondri

a

Funkcja
podstawow

a

synteza 

starterów

synteza 

DNA

naprawa 

DNA

naprawa 

DNA

replikacja

Inne 

funkcje

-

egzonuklea

za 3’-5’

egzonuklea

za 3’-5’

egzonuklea

za 3’-5’

Topoizomerazy DNA

CH

CH

OH

(-)

(-)

(-)

(+)

• Topoizomeraza I 

u E. coli relaksuje ujemne 

superskręty kolistej cząsteczki DNA. 

T. I 

łączy się z DNA za pośrednictwem tyrozyny 

i przecina jedną nić.

• Topoizomeraza II

 relaksuje ujemne i 

dodatnie superskręty DNA. 

T. II 

łączy się z dwoma nićmi i przecina obie. 

Przekształca superskręty dodatnie na ujemne. 

T. II 

pozwala również na rozdzielenie nici 

potomnych po replikacji.

Wysoka wierność replikacji – jeden błąd na około 

10

9

 replikowanych pz.

Błędy  mogą  się  pojawiać  częściej  ze  względu  na  obecność 
tautomerycznych 

(iminowych 

bądź 

enolowych) 

form 

zasad 

purynowych i pirymidynowych (jedna na 10

4

 – 10

5

 pz). 

Mechanizm  korekcji  jest  konieczny  by  utrzymać  wysoką  wierność 

replikacji.

N

C

N

C

C

C

O

N

H

H

H

H

H

C
C N

C

N

N

C

N

C

H

O

N

H

H

H

H

cytozyn
a

guanina

N

C

N

C

C

C

O

N

H

H

H

H

H

C
C N

C

N

N

C

N

C

N

H

H

H

H

H

imino cytozyna (forma 
tautomeryczna)

adenin
a

 

Mutacje, tautomeria 

1

21

Mutacje, tautomeria 

2

Terminacja replikacji DNA 

1

Zatrzymanie replikacji u Procaryota odbywa się po napotkaniu 

przez helikazę DNA 

rejonu terminacji

 (350 pz). 

W chromosomie E. coli występuje sześć regionów terminacji: 

TerA, TerD, TerE (aktywne w jednej orientacji) i TerB, TerC, TerF 

(aktywne w orientacji przeciwnej). 
Sekwencje Ter mają długość 23 pz. 
W procesie terminacji uczestniczy tez 

białko Tus

. Jest ono 

inhibitorem helikazy DNA.

TerA

TerD

TerE

TerC

TerB

TerF

Obszar, w którym następuje 

terminacja jest szczególnie 

podatny na występowanie delecji. 

U Eucaryota nie występują regiony 

terminacji. 

Replikacja kończy się w momencie 

spotkania sąsiednich oczek replikacyjnych 

oraz po osiągnięciu rejonów telomerów. 

Terminacja replikacji DNA 

2

Koniec replikacji kolistego DNA to dwa identyczne koła. 
Problem pojawia się przy zakończeniu replikacji liniowych 
chromosomów organizmów eukariotycznych. 

Na ostatnim 
fragmencie nici 
opóźniającej się nie 
można utworzyć 
startera RNA i dlatego 
ta nić jest krótsza po 
replikacji.