שכפול DNA: מנגנונים, בפרוקריוטות ואוקריוטות - ביולוגיה - 2025

השכפול של דנ"א (חומצה דאוקסיריבונוקלאית) הוא להעתיק את הגנום, כלומר, את כל המידע הגנטי של הדנ"א של אורגניזם לייצר בשני עותקים זהים. לגנום יש את המידע הדרוש לבניית אורגניזם שלם.

לפני חלוקת תאים מתרחשת שכפול DNA. באמצעות מיוזה מיוצרים גמטות להתרבות מינית. באמצעות מיטוזה, מתרחשים החלפת תאים (למשל עור ודם) והתפתחות (למשל, רקמות ואיברים).

מקור: אני, מדפרימה

הכרת מבנה ה- DNA מאפשרת לנו להבין כיצד מתרחשת שכפולו. מבנה ה- DNA מורכב מסליל כפול, המורכב משתי שרשראות אנטי-פארארליות של נוקלאוטידים רצופים, שבסיסיהם החנקניים משלימים זה את זה בצורה ספציפית.

במהלך שכפול, כל גדיל של גדיל ה- DNA הכפול משמש כתבנית לביוסינתזה של גדיל חדש. לשתי השרשראות שזה עתה סונתזו יש בסיסים המשלימים לבסיסי שרשרת התבנית: אדנין (A) עם תימין (T), וציטוזין (C) עם גואנין (G).

אנזימים וחלבונים שונים מעורבים בשכפול ה- DNA. לדוגמה, פתיחת הסליל הכפול של ה- DNA, שמירה על ה- DNA פתוח והוספת deoxyribonucleosides-5′-Triphosphate (dNTP) ליצירת הגדיל החדש.

שכפול ה- DNA הוא שמרני למחצה

בהתבסס על מבנה ה- DNA, ווטסון וקריק הציעו כי שכפול ה- DNA מתרחש באופן חצי שמרני. זה הוכיח על ידי מסלסון וסטהל על ידי תיוג ה- DNA של קולי Escherichia עם איזוטופ החנקן הכבד, ¹⁵ N, בעקבות מספר דורות אחר דפוס החלוקה במדיום תרבות עם חנקן קל, ¹⁴ נ.

מסלסון וסטהל מצאו שבדור הראשון, שתי מולקולות ה- DNA של הבת כוללות מולקולה שכותרתה עם שרשרת עם האיזוטופ הכבד של החנקן ואחרת עם האיזוטופ הקל. שלא כמו מולקולת ה- DNA האבית, ששני הגדילים היו עם תווית עם האיזוטופ הכבד, ¹⁵ נ.

בדור השני 50% ממולקולות ה- DNA היו כמו אלה של הדור הראשון, ובשאר 50% היו רק חנקן קל. הפרשנות של תוצאה זו היא שלסליל הכפול לבת יש שרשרת הורים (שמתפקדת כתבנית) ושרשרת חדשה.

מנגנון ההעתקה השמרני למחצה כולל הפרדת גדילי DNA וזיווג בסיס משלים באמצעות זיווג נוקליאוטידים רצוף, ומייצר שני מסוקים כפולים לבת.

שכפול סוללה

התחלת שכפול DNA בחיידקים

DNA חיידקי מורכב מכרומוזום מעגלי ויש לו רק אתר מוצא שכפול אחד. מאתר זה, הביוסינתזה של שתי רשתות הבת מתרחשת דו כיוונית, ויוצרת שני מזלגות שכפול הנעים בכיוונים מנוגדים למקור. בסופו של דבר, סיכות השיער נפגשות, ומשלימות את השכפול.

שכפול מתחיל בקשירת חלבוני DnaA לאתר המוצא. חלבונים אלה מהווים בתורם מורכבות. לאחר מכן, חלבוני HU ו- IHF, בין השאר, מתחברים יחד, אשר יחד מכופפים את ה- DNA, וגורמים להפרדה של שני גדילי ה- DNA באזור העשיר בתמין ואדנין.

בשלב הבא נקשרים חלבוני DNaC, הגורמים להיקשרות של מסות ה- DNA. הם עוזרים להרפות DNA ולפרק קשרי מימן, הנוצרים בין זוגות בסיס. אז שתי השרשראות מופרדות עוד יותר ויוצרות שתי שרשראות פשוטות.

טופואיזראז II, או ג'ירז DNA, נע מול מסוק ה- DNA, ומוריד סלילי-על חיוביים. חלבונים קשורים ל- DNA (SSB) חד-גדילים מפרידים בין גדילי ה- DNA. כך, הביוסינתזה של שרשרת הבת יכולה להתחיל.

ביוסינתזה של גדילי ה- DNA של הבת בחיידקים

האנזים פרימזה אחראי על סינתזת שרשראות RNA קצרות הנקראות פריימרים, שאורכן 10-15 נוקלאוטידים. פולימראז DNA מתחיל להוסיף 5′-טריפוספט deoxynucleosides (dNTPs) לקצה 3′-OH של סוכר הפריימר, שאחריו גדיל גדיל ממשיך לצמוח מאותו קצה.

מכיוון שגדלי DNA הם אנטי-פראלאליים, פריימר אחד מסונתז על גדיל המנהיג ופריימרים רבים בגדיל הפיגור. בגלל זה, הביוסינתזה של השרשרת המתעכבת אינה רציפה. למרות שגדלי ה- DNA הם אנטי-פראלליים, מזלג הרפליקציה נע בכיוון אחד בלבד.

פולימראז ה- DNA אחראי להיווצרותם של קשרים קוולנטיים בין נוקליאוטידים סמוכים של השרשראות המסונתזות החדשות, בכיוון 5'®3 ′. באי קולי ישנם חמישה פולימראזות DNA: פולימראזות DNA I ו- III מבצעות שכפול של DNA; ו- DNA פולימראזות II, IV ו- V אחראים לתיקון ושכפול של DNA פגום.

עיקר ההעתקה מתבצעת על ידי DNA פולימראז III, המהווה הולנוזמה שיש לו 10 יחידות משנה שונות עם פונקציות שונות בשכפול ה- DNA. לדוגמא, יחידת המשנה האלפא אחראית ליצור קשרים בין נוקליאוטידים.

קומפלקס של אנזימים אחראי על שכפול ה- DNA בחיידקים

DNA מסוק ופרימזה מצטרפים ליצירת קומפלקס המכונה פרימוזום. זה נע לאורך ה- DNA, פועל בצורה מתואמת כדי להפריד בין שני גדילי ההורים, מסנתז את הפריימרים בכל מרווח מסוים בגדול המושהה.

הפרימוזום נקשר פיזית לפולימראז III של DNA, ויוצר את המשכפל. שני פולימראזות DNA III אחראיות לשכפול ה- DNA של המדריך והשרשראות המתעכבות. ביחס לפולימראז III של ה- DNA, גדיל המושהה יוצר לולאה חיצונית, המאפשרת להוסיף של נוקלאוטידים לחוט זה להתרחש באותו כיוון כמו גדיל המנהיג.

התוספת של נוקלאוטידים לשרשרת המובילה היא רציפה. ואילו בעיכוב זה לא רציף. נוצרים שברי 150 נוקלאוטידים, הנקראים שברי אוקזאקי.

הפעילות האקסונוקליזית 5 ′ -> 3 polymer של פולימראז ה- DNA אחראית לחיסול הפריימרים ולמילוי, הוספת נוקלאוטידים. אנזים ליגז אוטם את הפערים בין שברי. ההעתקה מסתיימת כאשר שני הוו שכפול נפגשים ברצף סיום.

חלבון ה- Tus נקשר לרצף הסיום, ועוצר את תנועת מזלג הכפול. טופואיזומראז II מאפשר הפרדה של שני הכרומוזומים.

Deoxyribonucleotide triphosphates משמשים על ידי פולימראז DNA

Deoxynucleoside Triphosphate (dNTP) מכיל שלוש קבוצות פוספט המחוברות לפחמן 5 of של deoxyribose. ה- dNTPs (dATP, dTTP, dGTP ו- dCTP) נקשרים לשרשרת התבניות בעקבות כלל AT / GC.

DNA פולימראז מזרז את התגובה הבאה: קבוצת ההידרוקסיל 3 3 (–OH) של נוקליאוטיד גדיל גדל מגיבה עם הפוספט האלפא של dNTP הנכנס, ומשחררת פירופוספט אנאורגני (PPi). ההידרוליזה של PPi מייצרת את האנרגיה ליצירת הקשר הקוולינטי, או הקשר הפוספודיאסטר, בין נוקלאוטידים בשרשרת הגוברת.

מנגנונים המבטיחים את נאמנות שכפול ה- DNA

במהלך שכפול ה- DNA, ה- DNA פולימראז III טועה על ידי 100 מיליון נוקלאוטידים. למרות שההסתברות לטעות נמוכה מאוד, ישנם מנגנונים המבטיחים נאמנות לשכפול ה- DNA. מנגנונים אלה הם:

1) יציבות בזיווג בסיס. אנרגיית קשירת המימן בין AT / GC גבוהה יותר מזוגות בסיס שגויים.

2) מבנה האתר הפעיל של פולימראז DNA. DNA פולימראז מזרז עדיפות צמתים של נוקליאוטידים עם בסיסים נכונים בגדול הנגדי. התאמת בסיס גרועה גורמת לעיוות של הסליל הכפול של ה- DNA, שמונע מהגרעין הלא נכון לתפוס את האתר הפעיל של האנזים.

3) מבחן קריאה. DNA פולימראז מזהה נוקלאוטידים שגויים ומשולבים אותם מגדיל הבת. פעילות האקסונוקליז של פולימראז DNA מפרקת את קשרי הפוספודיאסטר בין נוקלאוטידים בסוף 3 ′ של הגדיל החדש.

שכפול DNA באוקריוטות

בניגוד לשכפול בפרוקריוטות, שם שכפול מתחיל באתר בודד, שכפול באוקריוטות מתחיל במספר אתרי מקור ומזלג השכפול נע בכיוון. לאחר מכן, כל סיכות השיער המשוכפלות מתמזגות, ויוצרות שתי כרומטות אחיות שהצטרפו למרכז.

לאיקריוטים יש סוגים רבים של פולימראז DNA, ששמותיהם משתמשים באותיות יווניות. DNA פולימראז α יוצר קומפלקס עם פרימז. קומפלקס זה מסנתז פריימרים קצרים המורכבים מ 10 נוקליאוטידים של RNA ואחריהם 20 עד 30 נוקליאוטידים של DNA.

בשלב הבא, ε או δ פולימראז DNA מזרז את התארכות גדיל הבת מהפריימר. DNA פולימראז ε מעורב בסינתזה של השרשרת המובילה ואילו פולימראז DNA DNA מסנתז את השרשרת המפגרת.

פולימראז DNA (DNA) מאריך את שבר אוקזאקי משמאל עד שהוא מגיע לפריימר ה- RNA מצד ימין ומפיק דש קצר של הפריימר. שלא כמו פרוקריוטות, בהן פולימראז DNA מסלק את הפריימר, באיוקריוטות אנזים אנדונוקליז דש מסלק את פריימר ה- RNA.

לאחר מכן, ליגזה של DNA אוטמת את שברי ה- DNA הסמוכים. השלמת השכפול מתרחשת עם ניתוק חלבונים ממזלג השכפול.

שכפול של דנ"א במחזור התא האיקריוטים

שכפול באיקריוטים מתרחש בשלב ה- S של מחזור התא. מולקולות ה- DNA המשוכפלות מופרשות לשני תאי בת במהלך המיטוזה. שלבי ה- G1 וה- G2 מפרידים בין שלב ה- S למיטוזה. ההתקדמות בכל שלב של מחזור התא מווסתת מאוד על ידי קינאזים, פוספטאזים ופרוטאזות.

בשלב G1 של מחזור התא, מתחם זיהוי המקור (OCR) נקשר לאתר המקור. זה משרה את הכריכה של מסודות MCM וחלבונים אחרים, כמו Cdc6 ו- Cdt1, ליצירת קומפלקס שכפול מראש (preRC). מסוק ה- MCM נקשר לשרשרת המדריכים.

בשלב S, preRC הופך לאתר שכפול פעיל. חלבוני ה- OCR, Cdc6 ו- Cdt1 משוחררים והמסאז MCM נע בכיוון 3 ′ עד 5 ′. לאחר סיום השכפול, הוא יופעל מחדש במחזור התאים הבא.

שכפול קצות הכרומוזומים באיקריוטות

קצות הכרומוזומים ידועים כטלומרים, המורכבים מרצפי טנדם חוזרים ונשנים ואזור 3 that שבולט, באורך 12 עד 16 נוקליאוטידים.

DNA פולימראז אינו מסוגל לשכפל את הקצה 3 of של גדילי ה- DNA. זה נובע מהעובדה שפולימראז DNA יכול רק לסנתז DNA בכיוון 5'-3 ', ויכול רק להאריך קווצות קיימות מראש, מבלי שיוכל לסנתז פריימר באזור זה. כתוצאה מכך הטלומרים מתקצרים עם כל סבב שכפול.

האנזים טלומרז מונע את קיצור הטלומרים. טלומרז הוא אנזים שיש לו יחידות חלבון ו- RNA (TERC). זה האחרון נקשר לרצפים החוזרים של DNA ומאפשר לטלמרז להיקשר לקצה 3 של הטלומר.

רצף RNA שמאחורי אתר הצומת מתפקד כתבנית לסינתזה של רצף שישה נוקליאוטידים (פילמור) בסוף גדיל ה- DNA. התארכות הטלומרים מנותזת על ידי יחידות משנה של טלומרז, המכונה טרנסקריפטאז לאחור של telomerase (TERT).

לאחר הפילמור מתרחש טרנסלוקציה, המורכבת מתנועה של טלומרז לקצה חדש של שרשרת ה- DNA, ומצטרפת לשש נוקליאוטידים נוספים עד הסוף.

הפונקציות של פולימראזות DNA אחרות באיקריוטות

ה- DNA פולימראז β ממלא תפקיד חשוב בהסרת בסיסים שגויים מ- DNA, אך הוא אינו מעורב בשכפול ה- DNA.

הרבה פולימראזות DNA שהתגלו שייכות לקבוצת הפולימראזות המשכפלות את ה- translesion. פולימראזות אלה אחראיות על סינתזת גדילים משלימים באזור של DNA פגום.

ישנם כמה סוגים של פולימראזות "המשכפלות translesion". לדוגמא, פולימראז DNA η יכול לשכפל על דימרים תימין, המיוצרים על ידי אור UV.

שכפול DNA בארכיבקטריה

שכפול ה- DNA הארכא-בקטריאלי דומה לזה שבאאוקריוטות. זה נובע מהדברים הבאים: 1) החלבונים המשתתפים בשכפול דומים יותר לאלו של איקריוטות מאשר לאלה של פרוקריוטות; ואף 2) למרות שיש רק אתר שכפול אחד כמו למשל בפרוקריוטים, הרצף שלו דומה לאתר המוצא של האוקריוטות.

הדמיון בשכפול בין הארכיאה לאיקריוטות תומך ברעיון ששתי הקבוצות קשורות פילוגנטיות יותר זו לזו מאשר לאחת מהפרוקריוטות.

הפניות

1. Brooker, RJ 2018. ניתוח ועקרונות גנטיקה. מקגרו היל, ניו יורק.
2. הרטוול, LH, גולדברג, ML, פישר, JA, Hood, L. 2018. גנטיקה - מגנים לגנומים. מקגרו היל, ניו יורק.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. היבטים מהותיים של שכפול ה- DNA. גישה ל- InTech Open, קרואטיה.
4. Lewis, R., 2015. מושגים ויישומים של גנטיקה אנושית. מקגרו היל, ניו יורק.
5. פירס, BA 2005. גנטיקה - גישה רעיונית. WH פרימן, ניו יורק.