חומצות גרעין ממלאות תפקיד חשוב בהבטחת הפעילות החיונית של תאים של אורגניזמים חיים. נציג חשוב של קבוצה זו של תרכובות אורגניות הוא ה-DNA, הנושא את כל המידע הגנטי ואחראי לביטוי התכונות הדרושות.
מהו שכפול?
בתהליך חלוקת התא יש צורך להגדיל את כמות חומצות הגרעין בגרעין כדי שלא ייווצר איבוד מידע גנטי בתהליך. בביולוגיה, שכפול הוא שכפול של DNA באמצעות סינתזה של גדילים חדשים.
המטרה העיקרית של תהליך זה היא להעביר מידע גנטי לתאי בת ללא שינוי ללא כל מוטציות.
אנזימים וחלבונים של שכפול
ניתן להשוות שכפול של מולקולת ה-DNA לכל תהליך מטבולי בתא, הדורש את החלבונים המתאימים. מאחר שכפול הוא מרכיב חשוב בחלוקת תאים בביולוגיה, לכן מעורבים כאן פפטידים עזר רבים.
DNA פולימראז הוא האנזים השכפול החשוב ביותר שאחראילסינתזה של שרשרת הבת של חומצה דאוקסיריבונוקלאית. בציטופלזמה של התא, בתהליך השכפול, חובה נוכחות של טריפוספטים גרעיניים, המביאים את כל בסיסי הגרעין
הבסיסים האלה הם מונומרים של חומצת גרעין, ולכן כל השרשרת של המולקולה בנויה מהם. DNA פולימראז אחראי על תהליך ההרכבה בסדר הנכון, אחרת כל מיני מוטציות בלתי נמנעות.
- פרימאז הוא חלבון שאחראי ליצירת פריימר בשרשרת תבנית ה-DNA. פריימר זה נקרא גם פריימר, יש לו מבנה של RNA. לאנזים DNA פולימראז חשובה נוכחותם של מונומרים ראשוניים, שמהם מתאפשרת סינתזה נוספת של כל שרשרת הפולינוקלאוטידים. פונקציה זו מבוצעת על ידי הפריימר והאנזים המתאים לו.
- Helicase (helicase) יוצר מזלג שכפול, שהוא התבדרות של שרשראות מטריקס על ידי שבירת קשרי מימן. זה מקל על פולימראזות להתקרב למולקולה ולהתחיל בסינתזה.
- טופואיזומראז. אם אתה מדמיין מולקולת DNA כחבל מעוות, כשהפולימראז נע לאורך השרשרת, יווצר מתח חיובי עקב פיתול חזק. בעיה זו נפתרת על ידי טופואיזומראז, אנזים שמפרק את השרשרת לזמן קצר ופורש את כל המולקולה. לאחר מכן, האזור הפגוע נתפר שוב, וה-DNA אינו נלחץ.
- חלבוני Ssb מתחברים כמו אשכולות לגדילי DNA במזלג השכפול כדי למנוע היווצרות מחדש של קשרי מימן לפני סוף תהליך השכפול.
- ליגה. תפקוד האנזיםמורכב בתפירת שברי Okazaki על הגדיל המשוער של מולקולת ה-DNA. זה קורה על ידי חיתוך פריימרים והכנסת מונומרים מקוריים של חומצה דאוקסיריבונוקלאית במקומם.
בביולוגיה, שכפול הוא תהליך מורכב רב-שלבי שחשוב ביותר בחלוקת תאים. לכן, השימוש בחלבונים ואנזימים שונים הכרחי לסינתזה יעילה ונכונה.
מנגנון שכפול
יש 3 תיאוריות שמסבירות את תהליך שכפול ה-DNA:
- שמרני קובע שלמולקולת בת אחת של חומצת הגרעין יש אופי מטריציוני, והשנייה מסונתזת לחלוטין מאפס.
- שמרני למחצה שהוצע על ידי ווטסון וקריק ואושר ב-1957 בניסויים ב-E. Coli. תיאוריה זו אומרת שלשתי מולקולות ה-DNA הבת יש גדיל אחד ישן ואחד שסונתז לאחרונה.
- מנגנון הפיזור מבוסס על התיאוריה שלמולקולות הבת יש חלקים מתחלפים לכל אורכם, המורכבים ממונומרים ישנים וחדשים כאחד.
מודל חצי שמרני מוכח כעת מדעית. מהו שכפול ברמה המולקולרית? בהתחלה, ההליקאז שובר את קשרי המימן של מולקולת ה-DNA, ובכך פותח את שתי השרשראות לאנזים הפולימראז. האחרונים, לאחר היווצרות זרעים, מתחילים בסינתזה של שרשראות חדשות בכיוון 5'-3'.
התכונה של אנטי-מקביליות של DNA היא הסיבה העיקרית להיווצרות של גדילים מובילים ומאחרים. על הגדיל המוביל, DNA פולימראז נע ברציפות, תוך כדי הפיגורהוא יוצר שברי אוקאזאקי, אשר יחוברו יחדיו על ידי ליגאזה בעתיד.
תכונות של שכפול
כמה מולקולות DNA יש בגרעין לאחר שכפול? התהליך עצמו מרמז על הכפלה של הסט הגנטי של התא, ולכן, במהלך התקופה הסינתטית של מיטוזה, לקבוצה הדיפלואידית יש פי שניים מולקולות DNA. ערך כזה מסומן בדרך כלל כ-2n 4c.
בנוסף למשמעות הביולוגית של שכפול, מדענים מצאו יישום של התהליך בתחומים שונים של רפואה ומדע. אם בביולוגיה שכפול הוא שכפול של DNA, אז במעבדה, הרבייה של מולקולות חומצת גרעין משמשת ליצירת כמה אלפי עותקים.
שיטה זו נקראת תגובת שרשרת הפולימראז (PCR). המנגנון של תהליך זה דומה לשכפול in vivo, לכן, נעשה שימוש באנזימים ומערכות חיץ דומות למהלכו.
מסקנות
לשכפול חשיבות ביולוגית רבה עבור אורגניזמים חיים. העברת המידע הגנטי במהלך חלוקת התא אינה שלמה ללא שכפול של מולקולות DNA, ולכן העבודה המתואמת של אנזימים חשובה בכל השלבים.
