DNA Replication: آليات تكرار الحمض النووي

بعض من أهم أساليب تكرار الحمض النووي هي كما يلي!

تكاثر الحمض النووي في حقيقيات النواة هو semiconservative ، شبه متقطعة وثنائية الاتجاه مقارنة مع semiconservative ، ثنائية الاتجاه ومستمرة في prokaryotes.

Image Courtesy: dbriers.com/tutorials/wp-content/uploads/2012/12/DNA_replication_split.png

يحدث تكرار الحمض النووي خلال المرحلة S من دورة الخلية. إنها عملية معقدة متعددة الخطوات تتطلب أكثر من اثنتي عشرة إنزيمات وعوامل بروتينية. يبدأ في مكان معين يسمى أصل النسخ المتماثل أو أوري. الحمض النووي البكتيري والفيروسي له أصل واحد للتكرار. يعمل كوحدة نسخ متماثلة أو نسخة متماثلة.

في الحمض النووي حقيقية النواة هناك عدد من أصول التكرار. لديها عدة أجزاء متماثلة أو النسخ المتماثلة ، أي multirepliconic. في غياب ori ، لن يحدث النسخ المتماثل. إن متطلب الناقل الخاص بتكنولوجيا الحمض النووي المؤتلف هو الحصول على أصل التكرار.

تكرار الحمض النووي هو باهظ للغاية. إن الإنزيم الرئيسي لتكرار الحمض النووي هو بوليميراز الدنا المعتمد على الدنا. تكرار الحمض النووي هو سريع جدا. يتطلب تكرار الحمض النووي لـ E. coli بـ 4.6 x 10 ⁶ bp 19 دقيقة.

على متوسط ​​معدل البلمرة من القواعد هو 2000 سنة في الثانية في كل اتجاه. يتطلب النسخ المتماثل طاقة وفيرة تأتي من انهيار ثلاثي الفوسفات من ديوكسي ريبونوكليوتيد.

يحدث النسخ المتماثل كما يلي:

1. تفعيل Deoxyribonucleotides:

تحدث ديوكسيريبونوكليوتيدات أو مونوكوسفيتيد ديوكسيريبونوكليوسيد بحرية داخل النواة. هم من أربعة أنواع - deAMP (deoxyadenosine monophosphate) ، deGMP (deoxyguanosine monophosphate) ، deCMP (deoxycytidine monophosphate) و deTMP (deoxythymidine monophosphate). ﻓﻬﻲ ﻣﺼﻨﻮﻋﺔ ﻣﻦ اﻟﻔﻮﺳﻔﺎت اﻷوﻟﻴﺔ وﺗﺘﻐﻴﺮ إﻟﻰ اﻷﺷﻜﺎل اﻟﻨﺸﻄﺔ اﻟﺘﻲ ﻟﺪﻳﻬﺎ ﺛﻼﺛﺔ ﺑﻘﺎﻳﺎ اﻟﻔﻮﺳﻔﺎت ﺑﺪﻻً ﻣﻦ واﺣﺪة. مطلوب الانزيمات الفوسفوريلاز جنبا إلى جنب مع الطاقة.

النوكليوتيدات phosphorylated هي deATP (deoxyadenosine triphosphate) ، deGTP (deoxyguanosine triphosphate) ، deCTP (deoxycytidine triphosphate) و deTTP (deoxythymidine triphosphate). هذه triphosphates من القواعد تخدم الغرض المزدوج. أنها بمثابة الركيزة وكذلك توفير الطاقة من أجل البلمرة من النيوكليوتيدات.

2. التعرض من الحمض النووي السلاسل:

يعمل إنزيمات helicase (أونسينداز) فوق موقع أوري ويفكك (يزيل) خيوط الدنا عن طريق تدمير روابط الهيدروجين. يتم تثبيت الخيوط المنفصلة عن طريق بروتينات ربط مفردة مجدولة (SS BPs) أو بروتينات تثبيت الحلزون. الفك يخلق التوتر في الجزء غير المكوّن من خلال تشكيل المزيد من supercoils. يتم تحرير التوتر بواسطة إنزيمات توبويزوميراز.

فهي تتسبب في خدش وربط خيط DNA. جنبا إلى جنب مع topoisomerase ، تمتلك البكتيريا انزيم آخر يسمى DNA gyrase الذي يمكن أن يدخل supercoils سلبية (يعتقد العمال الأكبر سنا أن gyrase يعمل على حد سواء ل helicase و topoisomerase).

مع مساعدة من مختلف الانزيمات تصبح كل من خيوط الدنا مفتوحة للتكرار. ومع ذلك ، لا يفتح كامل الحمض النووي في امتداد واحد بسبب متطلبات الطاقة العالية جدا. تستمر نقطة الفصل ببطء باتجاه كلا الاتجاهين. في كل اتجاه ، يعطي مظهر بنية على شكل حرف Y تسمى شوكة النسخ المتماثل (الشكل 6.13 و 6.14).

3. RNA التمهيدي:

من الضروري بدء سلاسل الحمض النووي الجديدة. التمهيدي RNA هو عبارة عن خيط صغير من RNA يتم توليفه في نهاية 5 of من ضفيرة الدنا الجديدة بمساعدة حمض إنزيم RNA polymerase الخاص يسمى Primase. يتكون التمهيدي الرنا على نهاية حرة من طرف واحد وشوكة نهاية حبلا أخرى. تشكيل التمهيدي الرنا يشكل مرحلة البدء في تخليق الحمض النووي لأنه من دون وجود التمهيدي الحمض النووي الريبي ، لا يمكن أن تضيف polysera dna النيوكليوتيدات.

مطلوب إنزيم أكثر تعقيدًا يُسمى primo بعضًا في phage ф x 174 وبعض أنظمة بدائيات النواة الأخرى. في حقيقيات النواة ، يتم تنفيذ وظيفة البرماز بواسطة إنزيم polymerase α. إنه يبني ~ 10 RNA وقاعدة 20-30 من الحمض النووي (لوين ، 2004). بعد بدء سلسلة النوكليوتيدات ، تتم إزالة التمهيدي الرناوي ويتم ملء الفجوة بواسطة بوليميراز الدنا I في بدائيات النواة و polymerase DNA في حقيقيات النواة.

4. polymerases الحمض النووي:

تحتوي بدائيات النواة على ثلاثة أنواع رئيسية من إنزيمات توليف الحمض النووي (DNA) المسمى بالـ DNA Polymerases III و II و I. وكلها تضيف النيوكليوتيدات في الاتجاه 5 - -> 3 on على امتداد 3 ′ -> 5 of من حبلا الوالدين. كما أنها تمتلك 3 '-> 5 ′ نوكلياز النشاط. في حين أن DNA III polymerase تشارك بشكل رئيسي في تكرار الحمض النووي (بالإضافة إلى بلمرة القواعد الجديدة) ، فإن polymerase I هو إنزيم إصلاح رئيسي. بوليميراز الثاني هو انزيم إصلاح طفيف.

الحمض النووي بوليميريز لدي أيضا 5 -> 3 نشاط نوكلياز. في eukaryotes تم العثور على خمسة أنواع من polymerases الحمض النووي - α ، β ، γ ، δ ، و ε ، ولكن الثلاثة الرئيسيين α ، δ و e. يشارك بوليميريز 8 في تكرار الحبلا الرائد. قد يساعد البلمرة في تخليق الضفيرة المتأخرة مع أدوار أخرى. إن polymerase α أكبر وأنزيم رئيسي لتكرار الحمض النووي. جميع polymerases الحمض النووي لديها تكوين من ناحية تجتاح مع الإبهام على جانب واحد ، والأصابع من جهة أخرى ، وموقع الحفاز مثل مقعرة لدمج قالب وأزواج قاعدة.

5. قاعدة الاقتران:

فواصل الحمض النووي المنفصل بينهما في وظيفة شوكة النسخ المتماثل كقوالب. تأتي ترايبوسفات الديوكسيريبونوكسيليوسيد قبالة قواعد النيتروجين لقوالب DNA المكشوفة - deTTP المقابل A ، deCTP المقابل G ، deATP المقابل T و deGTP المقابل C.

يفصل الهجوم النوكليوفيلي بيروفسفات (PPi) من ثلاثي الفوسفات. يتم تأسيس الروابط Phosphodiester. التحلل المائي للبيروفوسفات عن طريق إنزيم بيروفسفاتاز يطلق الطاقة. Deoxyribouncleoide ثلاثي الفوسفات ← Deoxyribouncleoside مونوفوسفات + PPi

يتم استخدام الطاقة في إنشاء روابط الهيدروجين بين النيوكليوتيدات الحرة وقواعد النيتروجين من القوالب.

6. تشكيل سلسلة:

يتطلب ذلك أن يكون بوليميراز III DNA (Kornberg، 1956) في بدائيات النواة والبوليميريز δ / ε في حقيقيات النواة. إن DNA polymerase III عبارة عن إنزيم معقد يحتوي على سبعة وحدات فرعية (a ، β ، ƍ ، ƴ ، € ، θ ، τ). في وجود Mg ²⁺ و ATP (GTP) و TPP و DNA polymerase III ، فإن النيوكليوتيدات المجاورة التي تم العثور عليها مرتبطة بقواعد النيتروجين لكل قالب من سلالة الحمض النووي تؤسس روابط phosphodiester وترتبط بشكل شكلي DNA مكرر.

ومع استمرار عملية النسخ المتماثل ، يتم استبعاد مناطق جديدة من دوبال الوالدين بشكل منفصل ، ومن ثم يتم إجراء النسخ المتماثل بسرعة من مكان المنشأ إلى الطرف الآخر. تتم إزالة التمهيدي من الرنا وتملأ الفجوة مع النيوكليوتيدات التكميلية عن طريق بوليميريز الدنا الأول. وبسبب الفتح المتسلسل لسلسلة الدنا المزدوجة وتكرارها لتشكيل سلسلتين ، فإن تكرار الحمض النووي يسمى أيضا تكرار السحاب.

ومع ذلك ، يمكن أن البلمرة الحمض النووي البلمرة النيوكليوتيدات فقط في 5 '→ 3 ′ الاتجاه على 3 ′ -> ′ 5 because لأنه يضيف لهم في نهاية 3.. نظرًا لأن طرفي الحامض النووي يعملان في اتجاهات مضادة للطريق ، فإن القالبين يوفران نهايات مختلفة للتكرار. وهكذا فإن النسخ المتماثل على القالبين يتقدم في اتجاهين متعاكسين. حبلا واحد مع قطبية У -> 5 ′ تشكل حبلا تكميلية بشكل مستمر لأن 3'end من هذا الأخير مفتوح دائما للاستطالة.

يطلق عليه حبلا الرائدة. النسخ المتماثل غير متقطع على القالب الآخر مع قطبية 5 ′ → 3 لأنه يمكن بناء مقطع قصير من حبلا الدنا في 5 ′ → 3 اتجاه بسبب تعرض امتداد صغير من القالب في وقت واحد. تُسمى شرائح قصيرة من الحمض النووي المكرر (بالإنجليزية: Okazaki fragments) (= قطع أوكاساكي ؛ ريجي أوكازاكي ، 1968). كل واحد منهم لديه 1000 - 2000 سنة مضت في بدائيات النواة و 100-200 سنة في حقيقيات النواة.

مطلوب أيضا التمهيدي RNA في كل مرة يتم بناء جزء جديد Okazaki. بعد استبدال برايمر الحمض النووي الريبي مع deoxyribonucleotides والبلمرة ، يتم ضم شظايا أوكازاكي معا عن طريق إنزيم ، DNA ligase (خورانا ، 1967). ويسمى حبلا الحمض النووي مبنية من شظايا أوكازاكي.

ونظرًا لأن خيطًا واحدًا ينمو بشكل مستمر في حين يتشكل الجديلة الأخرى بشكل غير متقطع ، فإن تكرار الحمض النووي يكون شبه متقطع. وحيث أن عملية النسخ تتقدم ثنائية الاتجاه من أصل التكرار أو ori ، فإن حبلا الوالد سيشكل حبلا رئيسيا على جانب واحد وحبلا متخلفا على الجانب الآخر. يحدث العكس على فروع الأم من الجانب الآخر. هذا يساعد في إكمال النسخ المتماثل في نفس الوقت في replicon بأكمله.

7. دليل على قراءة وإصلاح الحمض النووي:

يتم أحيانًا إدخال قاعدة خاطئة أثناء النسخ المتماثل. تردد واحد من عشرة آلاف. الحمض النووي بوليميريز الثالث قادر على الشعور نفسه. يعود ، ويزيل القاعدة الخاطئة ، ويسمح بإضافة قاعدة مناسبة ومن ثم المضي قدما. ومع ذلك ، حتى DNA بوليميريز III غير قادر على تمييز اليوراسيل من الثايمين بحيث يتم دمجه غالبًا في مكان الثايمين. يتم تصحيح مثل هذا التطابق عن طريق عدد من الإنزيمات.

هناك آلية إصلاح منفصلة عن أي ضرر ناتج عن الحمض النووي بسبب الطفرة ، أو التعرض للأشعة فوق البنفسجية أو عدم التوافق الذي يفلت من آلية قراءة الإثبات. يحدث النك أو الفاصل بسبب نوكلياز داخلي بالقرب من منطقة الإصلاح. يزيل DNA polymerase I (Komberg، 1969) النوكليوتيدات غير المتطابقة أو الخاطئة إذا كان موجودًا ويخلق بديلًا صحيحًا باستخدام السلاسة السليمة كقالب. الجزء المختوم حديثا مختوم بالحامض النووي DNA ligase.