מולקולת DNA היא מבנה שנמצא על כרומוזום. כרומוזום אחד מכיל מולקולה אחת כזו המורכבת משני גדילים. שכפול DNA הוא העברת מידע לאחר רבייה עצמית של חוטים ממולקולה אחת לאחרת. זה טבוע גם ב-DNA וגם ב-RNA. מאמר זה דן בתהליך של שכפול DNA.
מידע כללי וסוגי סינתזת DNA
ידוע שהחוטים במולקולה מעוותים. עם זאת, כאשר מתחיל תהליך שכפול הדנ א, הם נואשים, ואז עוברים לצדדים, ועותק חדש מסונתז על כל אחד מהם. בסיום, מופיעות שתי מולקולות זהות לחלוטין, שכל אחת מהן מכילה חוט אם ובת. סינתזה זו נקראת חצי שמרנית. מולקולות DNA מתרחקות, בעודן נשארות בצנטרומר בודד, ולבסוף מתפצלות רק כאשר הצנטרומר הזה מתחיל להתחלק.
סוג אחר של סינתזה נקרא reparative. הוא, שלא כמו הקודם,קשור לכל שלב תאי, אך מתחיל כאשר מתרחש נזק ל-DNA. אם הם נרחבים מדי, התא בסופו של דבר מת. עם זאת, אם הנזק הוא מקומי, אז זה ניתן לתיקון. בהתאם לבעיה, גדילים בודדים או שניים של DNA נתונים לשיקום. זו, כפי שהיא מכונה גם, סינתזה לא מתוכננת אינה אורכת זמן רב ואינה דורשת עלויות אנרגיה גדולות.
אבל כאשר מתרחשת שכפול DNA, הרבה אנרגיה, חומר נצרך, משך הזמן שלו נמתח במשך שעות.
הכפילות החוזרת מחולקת לשלוש תקופות:
- initiation;
- elongation;
- termination.
בוא נסתכל מקרוב על רצף שכפול הדנ א הזה.
Initiation
יש כמה עשרות מיליוני זוגות בסיסים ב-DNA האנושי (יש רק מאה ותשעה בבעלי חיים). שכפול DNA מתחיל במקומות רבים בשרשרת מהסיבות הבאות. בערך באותו זמן, שעתוק מתרחש ב-RNA, אך הוא מושעה בכמה מקומות נפרדים במהלך סינתזת ה-DNA. לכן, לפני תהליך כזה, מצטברת כמות מספקת של חומר בציטופלזמה של התא על מנת לשמור על ביטוי גנים וכדי שהפעילות החיונית של התא לא תופרע. לאור זאת, התהליך צריך להתבצע במהירות האפשרית. השידור בתקופה זו מתבצע, והתמלול אינו מתבצע. מחקרים הראו ששכפול DNA מתרחש בבת אחת בכמה אלפי נקודות - אזורים קטנים עם מסויםרצף של נוקלאוטידים. אליהם מצטרפים חלבוני יוזם מיוחדים, שבתורם מצטרפים אנזימים אחרים של שכפול DNA.
מקטע ה-DNA שבו מתרחשת סינתזה נקרא רפליקון. זה מתחיל מנקודת ההתחלה ומסתיים כאשר האנזים משלים את השכפול. העתק הוא אוטונומי, וגם מספק לתהליך כולו תמיכה משלו.
התהליך לא יכול להתחיל מכל הנקודות בו-זמנית, איפשהו שהוא מתחיל מוקדם יותר, איפשהו מאוחר יותר; יכול לזרום בכיוון אחד או שניים מנוגדים. אירועים מתרחשים בסדר הבא כשהם נוצרים:
- מזלג לשכפול;
- פריימר RNA.
מזלג שכפול
חלק זה הוא התהליך שבו מסונתזים גדילים דאוקסיריבונוקליים על גדילי ה-DNA המנותקים. המזלגות יוצרים את מה שנקרא עין שכפול. קודמת לתהליך סדרה של פעולות:
- שחרור מקשירה להיסטונים בנוקלאוזום - אנזימי שכפול DNA כגון מתילציה, אצטילציה וזרחון מייצרים תגובות כימיות הגורמות לחלבונים לאבד את המטען החיובי שלהם, מה שמקל על שחרורם;
- Despiralization הוא השחרור הנחוץ כדי לשחרר את השרשורים;
- שבירת קשרי מימן בין גדילי DNA;
- ההתבדלות שלהם בכיוונים שונים של המולקולה;
- קיבוע על ידי חלבוני SSB.
RNA primer
הסינתזה מבצעתאנזים הנקרא DNA פולימראז. עם זאת, הוא לא יכול להתחיל את זה בעצמו, אז אנזימים אחרים עושים את זה - RNA פולימראזות, הנקראים גם פריימרים של RNA. הם מסונתזים במקביל לגדילי deoxyribonucleic על פי העיקרון המשלים. לפיכך, ההתחלה מסתיימת בסינתזה של שני פריימרים של RNA על שני גדילי DNA שנשברו ומנותקים בכיוונים שונים.
הארכה
תקופה זו מתחילה בהוספת נוקלאוטיד וקצה 3' של פריימר ה-RNA, המתבצע על ידי ה-DNA פולימראז שהוזכר כבר. לראשון היא מצמידה את הנוקלאוטיד השני, השלישי וכן הלאה. הבסיסים של הגדיל החדש מחוברים לשרשרת האם באמצעות קשרי מימן. מאמינים שסינתזה של חוטים מתקדמת בכיוון 5'-3'.
כאשר היא מתרחשת לכיוון מזלג השכפול, הסינתזה ממשיכה ברציפות ומתארכת תוך כדי. לכן, חוט כזה נקרא מוביל או מוביל. פריימרים של RNA כבר לא נוצרים עליו.
עם זאת, בגדיל האימהי הנגדי, נוקלאוטידים של DNA ממשיכים להיצמד לפריימר ה-RNA, ושרשרת ה-deoxyribonucleic מסונתזת בכיוון ההפוך ממזלג השכפול. במקרה זה, זה נקרא פיגור או פיגור.
על הגדיל המשכי, סינתזה מתרחשת באופן חלקי, כאשר, בסוף קטע אחד, סינתזה מתחילה באתר אחר סמוך באמצעות אותו פריימר RNA. לפיכך, ישנם שני שברים על הגדיל המפגר המחוברים על ידי DNA ו-RNA. הם נקראים שברי Okazaki.
ואז הכל חוזר על עצמו.ואז סיבוב נוסף של הסליל מתפרק, קשרי המימן נשברים, הגדילים מתפצלים לצדדים, הגדיל המוביל מתארך, הפרגמנט הבא של פריימר ה-RNA מסונתז על זה המפגר, ואחריו שבר אוקאזאקי. לאחר מכן, על הגדיל המשכי, נהרסים פריימרים של ה-RNA, ושברי ה-DNA משולבים לאחד. אז במעגל הזה קורה בו זמנית:
- יצירת פריימרים חדשים של RNA;
- סינתזה של שברי אוקאזאקי;
- הרס של פריימרים של RNA;
- איחוד מחדש לשרשרת אחת.
סיום
התהליך נמשך עד ששני מזלגות שכפול נפגשים, או שאחד מהם מגיע לקצה המולקולה. לאחר שהמזלגות נפגשים, גדילי הבת של ה-DNA מחוברים באמצעות אנזים. במקרה שהמזלג עבר לקצה המולקולה, שכפול ה-DNA מסתיים בעזרת אנזימים מיוחדים.
תיקון
בתהליך זה, ניתן תפקיד חשוב לשליטה (או תיקון) של שכפול. כל ארבעת סוגי הנוקלאוטידים מסופקים לאתר הסינתזה, ועל ידי זיווג ניסוי, DNA פולימראז בוחר את אלו הדרושים.
הנוקלאוטיד הרצוי חייב להיות מסוגל ליצור קשרי מימן רבים כמו אותו נוקלאוטיד על גדיל תבנית ה-DNA. בנוסף, חייב להיות מרחק קבוע מסוים בין עמודי השדרה של הסוכר-פוספט, המקביל לשלוש טבעות בשני בסיסים. אם הנוקלאוטיד לא יעמוד בדרישות אלו, החיבור לא יתרחש.
הבקרה מתבצעת לפני הכללתו בשרשרת ולפניהכללת הנוקלאוטיד הבא. לאחר מכן, נוצר קשר בעמוד השדרה של הסוכר פוספט.
וריאציה מוטציונית
למנגנון שכפול ה-DNA, למרות אחוז הדיוק הגבוה, יש תמיד הפרעות בחוטים, הנקראות בעיקר "מוטציות גנים". לאלף זוגות בסיסים לערך יש שגיאה אחת, הנקראת שכפול קונוריאנטי.
זה קורה מסיבות שונות. למשל, בריכוז גבוה או נמוך מדי של נוקלאוטידים, דמינציה של ציטוזין, נוכחות מוטגנים באזור הסינתזה ועוד. במקרים מסוימים, ניתן לתקן שגיאות על ידי תהליכי תיקון, במקרים אחרים, התיקון הופך לבלתי אפשרי.
אם הנזק נגע במקום לא פעיל, לשגיאה לא יהיו השלכות חמורות כאשר מתרחש תהליך שכפול ה-DNA. רצף הנוקלאוטידים של גן מסוים עשוי להופיע עם אי התאמה. אז המצב שונה, וגם המוות של התא הזה וגם המוות של האורגניזם כולו יכולים להפוך לתוצאה שלילית. כמו כן יש לקחת בחשבון שמוטציות גנים מבוססות על שונות מוטציות, מה שהופך את מאגר הגנים לפלסטיק יותר.
מתילציה
בזמן הסינתזה או מיד אחריה, מתרחשת מתילציה של שרשרת. מאמינים שבבני אדם תהליך זה נחוץ על מנת ליצור כרומוזומים ולווסת את שעתוק הגנים. בחיידקים, תהליך זה משמש להגנה על ה-DNA מפני חיתוך על ידי אנזימים.
