Replikacja DNA
W kolistym DNA u E.coli dwukierunkowa replikacja prowadzi do powstania struktury theta. U bakterii tej są trzy polimerazy DNA: I, II i III. Polimeraza DNA III działa w widełkach replikacyjnych dając nowe nukleotydy. W celu zajścia replikacji podwójna helisa DNA jest rozwijana przez helikazę i stabilizowana przez białko SSB (Single stranded binding).
Pomiędzy syntezą DNA na obu niciach istnieją wyraźne różnice. Synteza na nici wiodącej 5'-3' przebiega w sposób ciągły, gdyż jest koniec 3'OH, do którego można dodać nowy nukleotyd. Na drugiej nici DNA jest syntetyzowane fragmentami, ponieważ nie ma końca 3'OH konieczne jest zsyntetyzowanie małego primera RNA, aby dostarczyć wolne grupy 3'OH. Po syntezie primeru enzym primaza jest zastępowana przez polimerazę DNA III, która dodaje nukleotydy do momentu dojścia do uprzednio zsyntetyzowanego DNA. Wtedy polimeraza DNA III jest odłączana a pojawia się polimeraza DNA I, która poza zdolnością do syntezy DNA, może usuwać polimer RNA znajdujący się prze nią. Po usunięciu polimera polimeraza DNA I jest uwalniana i ostatnie wiązanie fosfodiestrowe powstaje przy pomocy ligazy DNA.
TRANSKRYPCJA DNA
Przeniesienie informacji z DNA na RNA nazywa się transkrypcją. Powstająca cząsteczka RNA to informacyjny RNA, czyli messenger RNA (mRNA). Jest on jednoniciowy. Synteza RNA zachodzi wyłącznie na jednej nici DNA- nici kodującej, poczynając od końca 3'; mRNA jest więc komplementarny w stosunku do nici kodującej. W wyniku transkrypcji zostaje skopiowana sekwencja zasad występująca wyłącznie w DNA. Enzymem katalizującym syntezę mRNA jest polimeraza RNA. Ponadto do rozpoczęcia syntezy RNA potrzebny jes jeszcze czynnik sigma (σ) Czynnik bierze udział w rozpoznaniu promotora, czyli sekwencji startowej na transkrybowanych DNA. W czasie transkrypcji podwójna helisa musi ulec rozwinięciu. Synteza RNA zostaje zakończona, gdy polimeraza dotrze do sekwencji DNA zwanej terminatorem.
TRANSLACJA
Przetłumaczenie sekwencji zasad w RNA na sekwencję aminokwasów w białku nazywamy translacją .
KOD GENETYCZNY
Każdy gen jest określony sekwencją DNA. Przekaz informacji od zapisu nukleotydowego do aminokwasów odbywa się za pomocą kodu. Sekwencja trzech nukleotydów, zwana trypletem lub kodonem, określa aminokwas, a sekwencja trypletów w kwasie nukleinowym określa sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Niektóre trójki zasad mają specjalne znaczenie : AUG koduje metioninę i służy jako kodon startowy, trójki UAA, UAG, UGA to kodony „nonsensowe” lub inaczej kodony stop (nie kodują aminokwasów)- sygnalizująkoniec translacji jakiegoś odcinka mRNA.
SYNTEZA BIAŁEK
Aminokwasy są włączone do łańcucha polipeptydowego w kolejności określającej sekwencję trójek w mRNA. W procesie tym bierze udział mRNA, transportujący RNA (tRNA), rybosomy, różne enzymy, ATP i inne czynniki. W pierwszym etapie aminokwasy są arylowane przez ATP, w wyniku czego powstaje aminoacyl- AMP. Reszta aminocylowa zostaje następnie przeniesiona z AMP na końcowy nukleotyd tRNA. Aktywacja i połączenie aminokwasu z właściwym tRNA są przeprowadzone [rzez enzym - właściwą syntezę aminoacyle tRNA , która rozpoznaje zrówno aminokwas jak i odpowiadający mu tRNA. Każdemu aminokwasowi odpowiada swoista synteza aminoacyle tRNA. Niektórym aminokwasom odpowiada więcej kodonów; odpowiada im też większa liczba tRNA. Właściwa synteza może może też przyłączyć więcej rodzajów tRNA. Każdy tRNA zawiera region nazwany antykodonem, który jest komplementarny do właściwego trypletu (kodonu) mRNA. Przyłączenie aminokwasów zachodzi na rybosomach, które przesuwają się wzdłuż mRNA, poczynając od jego końca 5'-OH. Aminokwasy zostają poprzez tRNA ułożone w odpowiedniej kolejności i połączone wiązaniem peptydowym. Do danego mRNA może przyłączyć się kilka rybosomów, tak że mRNA stanowi matrycę do syntezy kilku polipeptydów. Kompleks złożony z mRNA i rybosomów nazywa się polisomom.
TRANSKKRYPCJA
U bakterii pojedyncza molekuła mRNA często koduje więcej niż jedno białko ze względu na występowanie grup genów zwanych operonami. Polimeraza RNA transkrybuje wtedy wszystkie geny z danego operonu na pojedynczą molekułę mRNA (tak zwane policystroniczne mRNA).
LAC OPERON U E.COLI
Pierwszym poznanym mechanizmem regulacji peronowej u bakterii jest proces rozkładu laktozy u E.coli. Laktoza jest disacharydem ulegającym rozłożeniu na dwa cukry składowe: galaktozę i glukozę, pod wpływem enzymu beta-galaktozydazy. Jeśli w środowisku nie ma laktozy w komórce E.coli znajduje się tylko kilka cząstek tego enzymu. Natomiast w momencie, gdy w środowisku znajduje się laktoza, w komórce pojawiają się tysiące cząsteczek beta-galaktozydazy. Dodatkowo zwiększa się w komórce ilość pozostałych enzymów zaangażowanych w szlak laktozowy (galaktozydopermeazy i transacetylazy galaktozydowej). Każdy z tych enzymów jest kodowany przez oddzielny gen jednak ich ekspresja ulega wspólnej regulacji. Geny tych trzech enzymów znajdują się w jednym liniowym odcinku na chromosomie E.coli zostały oznaczone według kolejności występowania: Z- beta-galaktozydaza ; Y- beta galaktozydopermeaza (białko transportowe); A- transacetylaza galaktozydowa. Ekspresja wszystkich trzech genów podlegać może jednocześnie indukcji przez cząsteczkę laktozy. Na tej podstawie stwierdzono że przed tymi genami musi znajdować niezależny element genetyczny, który reguluje ich ekspresję. Okazało się że w regulacji bierze udział kilka genów:
*Gen regulowany który koduje cząsteczkę represora zdolną do przejścia w inne miejsce, do operatora, gdzie indukuje ona sygnał wyłączający oeron ;
*gen operatora,który otrzymał sygnał wyłączający z represora
*trzy geny kodujące białka, które są transkrybowane na jedno mRNA
*miejsce promotora (częściowo nachodzące na gen operatorowy), gdzie przyłącza się RNA polimeraza i indukuje syntezę mRNA
Gen regulatorowy produkuje cząsteczkę represora, która może przenieść się do miejsca występowania operatora, przyłączyć się do niego i zahamować transkrypcję genów strukturalnych w tym operonie. Ma to miejsce, kiedy w środowisku nie ma laktozy. Jeżeli w środowisku obecna jest laktoza, represor wiąże się z nią i przyjmuje inny kształt, który nie pozwala na połączenie się z operatorem. Promotor pozostaje odsłonięty, wiąże się z polimerazą RNA i dochodzi do ekspresji genów, które następnie prowadzą do rozkładu laktozy. Sytuacja staje się bardziej skomplikowana, gdyż komórka bakteri może jednocześnie otrzymać laktozę i glukozę. Dla bakterii korzystniejsze jest rozłożenie glukozy niż laktozy, ponieważ glukoza może być natychmiast zużyta w metabolizmie, a laktoza musi zostać najpierw rozłożona w skomplikowanych reakcjach chemicznych. Powstał mechanizm tzw. represji katabolicznej, która umożliwia bakterii zużywanie na początku glukozy nawet gdy jest to laktoza. Mechanizm represji katabolicznej opiera się na fakcie \, że polimeraza RNA łączy się z promotorem w operonie lac dużo lepiej w obecności specyficznego białka CAP (catabolite gene activator protein), które musi być związane ze specyficznym miejscem DNA położonym w pobliżu tzw. CBS (CAP binding site).
Białko CAP wiąże się z tym miejscem, jeśli do tego białka przyłączą się cząsteczki cAMP, co zachodzi przy braku glukozy.
Jeżeli natomiast glukoza znajduje się w pożywce, spada poziom cAMP, białko CAP zmienia kształt, nie wiąże się z CBS, polimeraza RNA gorzej wiąże się z promotorem i synteza enzymów szlaku laktozowego zostaje spowolniona.
Model regulacji rozkładu laktozy w operonie lac jest jednym z wielu jakie funkcjonują w komórkach bakteryjnych. Jest to przykład pozytywnej regulacji ekspresji, gdyż obecność substratu w pożywce indukuje produkcję enzymów.
REKOMBINACJA DNA U BAKTERII
Proces rekombinacji jest to przeprowadzenie wymiany pomiędzy homologicznymi odcinkami DNA. Jest to podstawowy mechanizm wymiany genów pomiędzy chromosomami w żywych organizmach powoduje on zwiększenie różnorodności genetycznej a ponadto w sytuacjach ekstremalnych przy dużym zniszczeniu DNA umożliwia przeżycie organizmu.
W organizmach bakteryjnych rekombinacja zachodzi na trzy sposoby:
* KONIUGACJA;
*TRANSFORMACJA;
*TRANSDUKCJA.
KONIUGACJA
Koniugacja u bakterii jest to proces transferu genetycznego zachodzący podczas kontaktu dwóch komórek. Przenoszonym materiałem genetycznym może być plazmid lub fragment chromosomu, który jest transferowany dzięki plazmidowi. W koniugacji jedna z komórek tzw. donor przekazuje informację genetyczną komórce biorcy. Komórka dawcy posiada specyficzną strukturę powierzchniową tzw. pilus płciowy, który pozwala na kontakt pomiędzy komórkami. Natomiast komórka biorcy posiada na swej powierzchni specyficzne receptory dla pilusa płciowego.