معلومة

W2017_Lecture_19_reading - علم الأحياء

W2017_Lecture_19_reading - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

نطاق المشكلة

في هذه الوحدة ، نناقش تكرار الحمض النووي - أحد المتطلبات الرئيسية لنظام حي للتجديد وإنشاء الجيل التالي. دعونا أولاً نفكر بإيجاز في نطاق المشكلة عن طريق القياس الأدبي.

يتكون الجينوم البشري من حوالي 6.5 مليار زوج أساسي من الحمض النووي إذا اعتبر المرء الجينوم ثنائي الصبغة الكامل (أي إذا عدت الحمض النووي الموروث من كلا الوالدين). ستة فاصل خمسة مليارات تبدو كالتالي: 6،500،000،000. هذا رقم كبير. للحصول على فكرة أفضل عما يعنيه هذا الرقم ، تخيل أن حمضنا النووي هو مجموعة من التعليمات المكتوبة لبناء واحد منا. عن طريق القياس يمكننا بعد ذلك مقارنتها بوثيقة مكتوبة أخرى. في هذا المثال نبدأ بالنظر في رواية "الحرب والسلام" لتولستوي ، وهي رواية مألوفة لدى كثير من الناس بسبب طبيعتها الضخمة. تقدر البيانات من ويكيبيديا أن "الحرب والسلام" تحتوي على حوالي 560.000 كلمة. العمل المكتوب الثاني الذي يعرفه الكثيرون هو المجلدات السبعة لـ J.K. رولينج "هاري بوتر". يتحقق هذا العمل في ~ 1،080،000 كلمة (الإحصائيات المرجعية على ويكيبيديا). إذا افترضنا أن متوسط ​​طول الكلمة الإنجليزية هو 5 أحرف ، فإن العملين الأدبيين يبلغ طولهما 2.8 مليون و 5.4 مليون حرف على التوالي. لذلك ، حتى جميع المجلدات السبعة من "هاري بوتر" تحتوي على أكثر من 1000 مرة من الشخصيات أقل من جينوماتنا. ومع ذلك ، فإن عدد الشخصيات في هذه الروايات أقرب بكثير إلى عدد النيوكليوتيدات في جينوم بكتيري نموذجي.

تخيل الآن للحظة تطوير آلة أو عملية ميكانيكية (وليست عملية إلكترونية) تكون مسؤولة عن قراءة هذه الكتب ونسخها. أو تخيل نفسك تنسخ هذه النصوص. ما هي السرعة التي يمكنك القيام بها؟ كم عدد الأخطاء التي من المحتمل أن ترتكبها؟ هل تتوقع أن يكون هناك مفاضلة بين السرعة التي يمكنك بها النسخ والدقة؟ ما نوع الموارد التي تحتاجها هذه العملية؟ كم الطاقة المطلوبة؟ تخيل الآن نسخ شيء أكبر 1000 مرة! أوه ، وللمقياس الجيد فقط ، يحتاج جهازك الميكانيكي التخيلي إلى القيام بعمله على نص بعرض 25 درجة تقريبًا (أي عرض 0.0000000025 مترًا). بالمقارنة ، يبلغ عرض الخط النموذجي المكون من 10 نقاط حوالي 0.00025 مترًا ، أي حوالي 100000 مرة أكبر من عرض زوج قاعدة الحمض النووي.

مع أخذ ذلك في الاعتبار ، تجدر الإشارة إلى أن الخلية البشرية يمكن أن تستغرق حوالي 24 ساعة لتقسيم (لذلك يجب أن يكون تكرار الحمض النووي أسرع قليلاً). صحي بكتريا قولونية قد تستغرق الخلية 20 دقيقة فقط للانقسام (بما في ذلك تكرار جينومها البالغ 4.5 مليون زوج قاعدي تقريبًا). يقوم كل من الإنسان والبكتيريا بذلك مع ارتكاب أخطاء قليلة بما يكفي بحيث يظل الجيل التالي قابلاً للحياة ويمكن التعرف عليه. يجب أن يبدو ذلك مذهلاً إلى حد ما! ضع في اعتبارك الآن أن جسم الإنسان يقدر أنه يتكون من حوالي 10 تريليون خلية (1000000000000) وأنه قد يكون لديه ما بين 2 إلى 10 أضعاف هذا العدد من الميكروبات ، وهذا كثير من الانقسام الخلوي الذي يجب مراعاته.

تحدي التصميم

إذا كانت الخلية تريد التكاثر - هدفها النهائي - يجب إنشاء نسخة من الحمض النووي. إذن ، هناك عبارة / سؤال واحد واضح وهو "كيف يمكن للخلية أن تنسخ حمضها النووي بفاعلية؟" بالنظر إلى القياس أعلاه ، قد تكون بعض الأسئلة الفرعية ذات الصلة بالموضوع هي: ما هي الخصائص الكيميائية والفيزيائية التي تمكّن من نسخ الحمض النووي؟ بأي إخلاص يجب نسخ الحمض النووي؟ ما السرعة التي يجب نسخها؟ من أين تأتي الطاقة لهذه المهمة وكم هي ضرورية؟ من أين تأتي "المواد الخام"؟ كيف يمكن للآلات الجزيئية المشاركة في هذه العملية الجمع بين تجميع المواد الخام والطاقة اللازمة لبناء جزيء DNA جديد معًا؟ يمكن أن تستمر القائمة بالطبع.

في المحاضرة التالية وفي المحاضرة ، سنكون مهتمين بالبدء في دراسة كيفية إنجاز عملية تكرار الحمض النووي مع مراعاة بعض الأسئلة المحركة. أثناء استعراضك لمواد القراءة والمحاضرة ، حاول أن تكون دائمًا على دراية بهذه الأسئلة وغيرها المرتبطة بهذه العملية. استخدم هذه الأسئلة كنقاط إرشادية لتنظيم أفكارك وحاول إيجاد تطابق بين "الحقائق" التي تعتقد أنه من المتوقع أن تعرفها وأسئلة القيادة.

الحلزون المزدوج للحمض النووي

لبناء سياق إضافي ، نحتاج أيضًا إلى القليل من المعرفة المحددة تجريبياً. ربما تكون إحدى السمات الأكثر شهرة وشعبية للشكل الوراثي لجزيء الحمض النووي هو أنه يحتوي على بنية ثلاثية حلزونية مزدوجة. يعود تقدير هذا إلى الخمسينيات من القرن الماضي. تم سرد قصة هذا الاكتشاف على نطاق واسع - والتفاصيل خارج نطاق هذا النص. باختصار ، يعود الفضل إلى فرانسيس كريك وجيمس واتسون في تحديد بنية الحمض النووي. يُنسب أيضًا إلى روزاليند فرانكلين على نطاق واسع في توليد بيانات حيود الأشعة السينية الهامة التي مكنت واتسون وكريك من تجميع أحجية جزيء الحمض النووي معًا.

كشفت نماذج بنية الحمض النووي أن الجزيء يتكون من خيطين من نيوكليوتيدات مرتبطة تساهميًا تلتف حول بعضها البعض لتشكيل حلزون أيمن. في كل حبلا ، يتم ربط النيوكليوتيدات تساهميًا مع اثنين من النيوكليوتيدات الأخرى (باستثناء نهايات الخيط الخطي) عبر روابط الفسفوديستر التي تربط السكريات عبر مجموعتي هيدروكسيل 5 و 3 (انظر اللوحة ب في الشكل أدناه) - تذكر أن الملصقات 5 'و 3' تشير إلى الكربون الموجود على جزيء السكر. تشكل سلاسل السكر والفوسفات هذه مجموعة متجاورة من الروابط التساهمية التي يشار إليها غالبًا باسم "العمود الفقري" للهيكل. في الجزيء الخطي ، لكل خيط طرفان حُران. يُطلق على أحدهما اسم الطرف 5 لأن المجموعة الوظيفية غير المرتبطة التي تشارك عادةً في الانضمام إلى النيوكليوتيدات هي الفوسفات المرتبط بـ 5 'كربون. يُطلق على الطرف الآخر من الخيط اسم 3'-end لأن المجموعة الوظيفية غير المرتبطة التي تشارك عادةً في الانضمام إلى النيوكليوتيدات هي مجموعة الهيدروكسيل المرتبطة بـ 3 'كربون من السكر. نظرًا لأن طرفي الخيط ليسا متماثلين ، فإن هذا يجعل من السهل تحديد أو وصف اتجاه أحد الخيوط - يمكن للمرء ، على سبيل المثال ، أن يقول إنهم يقرؤون من الطرف 5 إلى الطرف 3 للإشارة إلى أنهم "تمشي" على طول الشريط بدءًا من الطرف 5 وتتحرك باتجاه النهاية 3. هذا الاتجاه (من 5 إلى 3) ، بالمناسبة ، هو العرف الذي يستخدمه معظم علماء الأحياء. يمكن للمرء أن يقرأ في الاتجاه المعاكس (3 'إلى 5') بشرط توضيح ذلك. تم العثور على خيطين من النيوكليوتيدات المرتبطة تساهميًا ضد الموازية لبعضهم البعض في الحلزون المزدوج ؛ أي أن اتجاه / اتجاه خصلة واحدة هو عكس اتجاه الخصلة الأخرى (انظر اللوحة ب في الشكل أدناه). يوجد العمود الفقري هيكليًا على "الخارج" من اللولب المزدوج ، مما يؤدي إلى تكوين مجموعة من الشحنات السالبة على السطح. على النقيض من ذلك ، تتراكم القواعد النيتروجينية لكل من الخيوط المتوازية في داخل الهيكل وتتعارض مع بعضها البعض بطريقة تسمح للروابط الهيدروجينية بين أزواج البيورين / بيريميدين الفريدة (اقتران مع T و G الاقتران مع C) لتشكيل. يقال أن هذه الأزواج المحددة مكمل إلى الآخر ، وبالتالي غالبًا ما يشار إلى الخيوط المعاكسة للحلزون المزدوج على أنها خيوط تكميلية.

تحمل الخيوط التكميلية معلومات زائدة عن الحاجة. بسبب الاقتران الكيميائي الصارم ، إذا كنت تعرف تسلسل خصلة واحدة ، فأنت تعرف بشكل إلزامي خصلة مكملها. خذ على سبيل المثال التسلسل 5′- C A T A T G G G A T G - 3 ′. لاحظ كيف يتم شرح التسلسل بالاتجاه (يشار إليه بعلامات 5 'و 3'). تكملة هذا التسلسل - المكتوب وفقًا لاتفاقية 5 'إلى 3' هو: 5′- C A T C C C A T A T G - 3 ′. إذا لم تكن مقتنعًا ، فاكتب هذين التسلسلين في مقابل بعضهما البعض في ملاحظاتك ، مع التأكد من كتابتهما كخيوط متوازنة. لاحظ أن التواء الخيطين التكميليين حول بعضهما البعض يؤدي إلى تكوين ميزات هيكلية تسمى الأخاديد الرئيسية والثانوية والتي ستصبح أكثر أهمية عندما نناقش ارتباط البروتينات بالحمض النووي (انظر اللوحة ج في الشكل أدناه).

يتوقع معظم مدربي Bis2a أن تتعرف على السمات الهيكلية الرئيسية الموضحة في الشكل أدناه وأنك ستكون قادرًا على إنشاء شخصية أساسية لبنية الحمض النووي بنفسك.

يحتوي الحمض النووي على (أ) بنية حلزونية مزدوجة و (ب) روابط فوسفوديستر. (ج) الأخاديد الرئيسية والثانوية هي مواقع ربط لبروتينات ربط الحمض النووي أثناء عمليات مثل النسخ (إنشاء الحمض النووي الريبي من قالب الحمض النووي) والتكرار.

في نفس الوقت تقريبًا تم حل الهيكل ، تم النظر في ثلاث فرضيات لأنماط تكرار الحمض النووي. عُرفت نماذج التكرار باسم: النموذج المحافظ ، والنموذج شبه المحافظ ، والنموذج المشتت.

1. المحافظ: افترض النموذج المحافظ للنسخ المتماثل أن كل جزيء مزدوج الشريطة يمكن أن يعمل كقالب لتخليق جزيء مزدوج الشريطة جديد تمامًا. بمعنى ، إذا وضع المرء علامة كيميائية على جزيء DNA النموذجي بعد النسخ المتماثل ، فلن يتم العثور على أي من هذه العلامة في النسخة الجديدة.
2. شبه متحفظ: نصت هذه الفرضية على أن كل خيط فردي من جزيء DNA يمكن أن يعمل كقالب لخيط جديد يمكن أن يرتبط به الآن. في هذه الحالة ، إذا تم وضع ملصق كيميائي على جزيء DNA مزدوج تقطعت به السبل ، فإن خصلة واحدة على كل نسخة ستحتفظ بالعلامة.
3. التشتت: اقترح هذا النموذج أن اللولب المزدوج المنسوخ سيكون عبارة عن مزيج متعدد الأجزاء من الأجزاء المستمرة من الخيوط "القديمة" و "الجديدة". إذا تم وضع ملصق كيميائي على جزيء DNA تم نسخه باستخدام آلية تشتت ، فسيجد المرء أجزاء منفصلة من النسخة الناتجة والتي تم تصنيفها على كلا الخيطين مفصولة بأجزاء غير مسماة تمامًا.

قام Meselson و Stahl بحل المشكلة في عام 1958 عندما أبلغوا عن نتائج تجربة مشهورة الآن (تم وصفها على Wikipedia) والتي أظهرت أن تكرار الحمض النووي هو شبه محافظ (انظر الشكل أدناه) ، حيث يتم استخدام كل حبلا كنموذج لإنشاء حبلا جديدة. لمعرفة المزيد حول هذه التجربة ، شاهد تجربة Meselson-Stahl.

يحتوي الحمض النووي على هيكل حلزوني مزدوج مضاد ومتوازي ، وقواعد النيوكليوتيدات مرتبطة بالهيدروجين معًا وكل حبلا يكمل الآخر. يتم تكرار الحمض النووي بطريقة شبه محافظة ، حيث يتم استخدام كل حبلا كقالب للخيط المصنوع حديثًا.

تكرار الحمض النووي

بعد إنشاء بعض الميزات الهيكلية الأساسية والحاجة إلى آلية شبه محافظة ، من المهم البدء في فهم بعض ما هو معروف عن العملية والتفكير في الأسئلة التي قد يرغب المرء في الإجابة عليها إذا كان عليهم فهم ما يجري بشكل أفضل .

نظرًا لأن تكرار الحمض النووي هو عملية يمكننا استدعاء عنوان قصة الطاقة للتفكير في الأمر. تذكر أن نموذج تقييم قصة الطاقة موجود لمساعدتنا على التفكير بشكل منهجي في العمليات (كيف تنتقل الأشياء من أ إلى ب). في هذه الحالة ، فإن العملية المعنية هي البدء بجزيء DNA مزدوج الشريطة وينتهي بجزيئين مزدوجي الشريطة. لذلك ، سوف نسأل أشياء مثل: كيف يبدو النظام في بداية (المادة والطاقة) من النسخ المتماثل؟ كيف يتم نقل المادة والطاقة في النظام وما الذي يحفز عمليات النقل؟ كيف يبدو النظام في نهاية العملية؟ يمكننا أيضًا طرح أسئلة بخصوص أحداث معينة يجب أن تحدث أثناء العملية. على سبيل المثال ، نظرًا لأن الحمض النووي جزيء طويل وأحيانًا يكون دائريًا ، يمكننا طرح أسئلة أساسية مثل ، أين تبدأ عملية النسخ المتماثل؟ أين تنتهي؟ يمكننا أيضًا طرح أسئلة عملية حول العملية مثل ، ماذا يحدث عندما يتم فك هيكل مزدوج الشريطة؟

نحن نأخذ في الاعتبار بعض هذه الأسئلة الرئيسية في النص وفي الفصل ، ونشجعك على فعل الشيء نفسه.

متطلبات تكرار الحمض النووي

لنبدأ بإدراج بعض المتطلبات الوظيفية الأساسية لتكرار الحمض النووي التي يمكننا الاستدلال عليها بمجرد التفكير في العملية التي يجب أن تحدث و / أو تكون مطلوبة لحدوث النسخ المتماثل. إذا ماذا نحتاج؟

• نحن نعلم أن الحمض النووي يتكون من نيوكليوتيدات. إذا كنا سننشئ خيطًا جديدًا ، فسنحتاج إلى مصدر للنيوكليوتيدات.
• يمكننا أن نستنتج أن بناء خيط جديد من الحمض النووي سيتطلب مصدر طاقة - يجب أن نحاول إيجاد هذا.
• يمكننا أن نستنتج أنه يجب أن تكون هناك عملية للعثور على مكان لبدء النسخ المتماثل.
• يمكننا أن نستنتج أنه سيكون هناك إنزيم واحد أو أكثر يساعد في تحفيز عملية النسخ المتماثل.
• يمكننا أيضًا أن نستنتج أنه نظرًا لأن هذه عملية كيميائية حيوية ، فسيتم ارتكاب بعض الأخطاء.

مراجعة بنية النوكليوتيدات

تذكر بعض السمات الهيكلية الأساسية لبنات بناء النيوكليوتيدات للحمض النووي بما في ذلك: تبدأ النيوكليوتيدات مثل نيوكليوتيدات ثلاثي الفوسفات. تتكون النوكليوتيدات من قاعدة نيتروجينية ، و deoxyribose (5-carbon sugar) ، ومجموعة فوسفات. يتم تسمية النيوكليوتيد وفقًا لقاعدته النيتروجينية ، البيورينات مثل الأدينين (A) والجوانين (G) ، أو البيريميدينات مثل السيتوزين (C) والثايمين (T). أذكر الهياكل أدناه. لاحظ أن نوكليوتيد أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) هو مقدمة لنزوع الأوكسي ريبونوكليوتيد (dATP) الذي يتم دمجه في الحمض النووي.

يتكون كل نوكليوتيد من السكر (الريبوز أو الديوكسيريبوز اعتمادًا على ما إذا كان يبني الحمض النووي الريبي أو الحمض النووي ، على التوالي) ، ومجموعة الفوسفات ، وقاعدة النيتروجين. تحتوي البيورينات على بنية حلقة مزدوجة مع حلقة من ستة أعضاء مدمجة في حلقة من خمسة أعضاء. البيريميدينات أصغر في الحجم. لديهم هيكل حلقة واحدة من ستة أعضاء. يتم ترقيم ذرات الكربون الخاصة بالسكر المكون من خمسة كربون بـ 1 'و 2' و 3 'و 4' و 5 '(1' يُقرأ على أنه "رئيس واحد"). يتم ربط بقايا الفوسفات بمجموعة الهيدروكسيل المكونة من 5 'كربون لسكر واحد لنيوكليوتيد واحد ومجموعة الهيدروكسيل لـ 3' كربون من سكر النوكليوتيد التالي ، وبالتالي تشكل رابطة فوسفوديستر 5'-3 '.

بدء النسخ المتماثل

أين تبدأ آلية النسخ على طول الحمض النووي في تكرار الحمض النووي؟

مع الملايين ، إن لم يكن المليارات ، من النيوكليوتيدات لنسخ كيف يعرف بوليميريز الحمض النووي من أين يبدأ؟ ليس من المستغرب أن يتبين أن هذه العملية ليست عشوائية. هناك تسلسلات محددة من النوكليوتيدات تسمى أصول النسخ المتماثل على طول طول الحمض النووي الذي يبدأ عنده النسخ المتماثل. بمجرد تحديد هذا الموقع ، توجد مشكلة. يتم تثبيت الحلزون المزدوج للحمض النووي معًا عن طريق تفاعلات التراص الأساسية والروابط الهيدروجينية. إذا تمت قراءة كل خيط ونسخه على حدة ، يجب أن تكون هناك آلية ما مسؤولة عن المساعدة في فصل الخيطين عن بعضهما البعض. بقوة ، هذه عملية مفعمة بالحيوية. من أين تأتي الطاقة وكيف يتم تحفيز هذا التفاعل؟ يجب أن يؤدي المنطق الأساسي ، في هذه المرحلة ، إلى فرضية أن محفزًا بروتينيًا من المحتمل أن يكون متورطًا وأن هذا الإنزيم إما يخلق روابط جديدة أكثر مواتاة من الناحية النشطة (طاقة خارجية) من الروابط التي يكسرها و / أو أنه قادر على إقران الاستخدام مصدر طاقة خارجي للمساعدة في فصل الخيوط.

اتضح أن تفاصيل هذه العملية والبروتينات المعنية تختلف اعتمادًا على الكائن المحدد المعني وأن العديد من تفاصيل المستوى الجزيئي لم يتم فهمها تمامًا بعد. ومع ذلك ، هناك بعض السمات المشتركة في تكاثر حقيقيات النوى والبكتيريا والعتائق وإحدى هذه السمات هي أن أنواعًا مختلفة من البروتينات تشارك في تكرار الحمض النووي. أولاً ، تمتلك البروتينات التي يطلق عليها عمومًا "البادئات" القدرة على ربط الحمض النووي بأصول النسخ المتماثل أو قريبة جدًا منها. يساعد تفاعل البروتينات البادئة مع الحمض النووي على زعزعة استقرار الحلزون المزدوج وأيضًا المساعدة في تجنيد بروتينات أخرى ، بما في ذلك إنزيم يسمى a الحمض النووي هيليكس إلى الحمض النووي. في هذه الحالة ، يبدو أن الطاقة المطلوبة لزعزعة استقرار الحلزون المزدوج للحمض النووي تأتي من تكوين روابط جديدة بين الدنا والبروتينات البادئة والبروتينات نفسها. إن هليكاز الحمض النووي هو بروتين متعدد الوحدات مهم في عملية النسخ المتماثل لأنه يقرن التحلل المائي الزائد للـ ATP بفك الحلزون المزدوج للحمض النووي. يجب تجنيد بروتينات إضافية في مجمع البدء (مجموعة البروتينات المشاركة في بدء النسخ). وتشمل هذه ، على سبيل المثال لا الحصر ، إنزيمات إضافية تسمى بريمازو بوليميريز الحمض النووي. بينما تُفقد البادئات بعد وقت قصير من بدء النسخ المتماثل ، تعمل بقية البروتينات بالتنسيق لتنفيذ عملية تكرار الحمض النووي. هذا المركب من الإنزيمات يعمل في هياكل على شكل Y في الحمض النووي تسمى شوك النسخ المتماثل (انظر الشكل أدناه). لأي حدث نسخ متماثل ، يمكن تشكيل شوكتي نسخ متماثل عند كل أصل للنسخ المتماثل ، ممتدين في كلا الاتجاهين. يمكن العثور على أصول متعددة للتكاثر على الكروموسومات حقيقية النواة وبعض العتائق ، في حين أن جينوم البكتيريا ، بكتريا قولونية، يبدو أنه يشفر أصل واحد للنسخ المتماثل.

اقترح مناقشة

لماذا يكون للكائنات المختلفة أعداد مختلفة من أصول النسخ المتماثل؟ ما الفائدة من وجود أكثر من واحد؟ هل هناك عيب لامتلاك أكثر من واحد؟

اقترح مناقشة

بالنظر إلى ما يجب أن يحدث في أصول النسخ المتماثل ، هل يمكنك استخدام المنطق لاستنتاج بعض الميزات المحتملة التي تميز أصول النسخ المتماثل عن الأجزاء الأخرى من الحمض النووي للمناقشة واقتراحها للمناقشة؟

في أصل النسخ المتماثل ، تتشكل فقاعة النسخ المتماثل. تتكون فقاعة النسخ المتماثل من شوكات نسخ متماثل ، كل منهما يسافر في اتجاهين متعاكسين على طول الحمض النووي. من المفهوم أن شوكات النسخ المتماثل تشمل جميع الإنزيمات المطلوبة لحدوث النسخ المتماثل - لم يتم رسمها صراحة في الشكل لتوفير مساحة لتوضيح العلاقات بين القالب وخيوط الحمض النووي الجديدة.
الإسناد: الصورة الأصلية لفريق Bis2A

استطالة النسخ المتماثل

إن الانصهار المفتوح للحلزون المزدوج للحمض النووي وتجميع مجمع تكرار الحمض النووي هو مجرد الخطوة الأولى في عملية النسخ المتماثل. الآن يجب أن تبدأ عملية إنشاء خصلة جديدة. هنا تواجه تحديات إضافية. المشكلة الأولى الواضحة هي تحديد أي من الخيوط يجب نسخها في أي شوكة نسخ متماثل (أي الخيط الذي سيكون بمثابة نموذج للتوليف شبه المحافظ)؟ هل كلا الخطين بدائل قابلة للتطبيق على قدم المساواة؟ هناك أيضًا مشكلة البدء الفعلي في عملية تخليق الخيوط الجديدة. هل يمكن لبوليميراز الحمض النووي أن يبدأ حبلاً جديدًا بمفرده؟ الإجابة على السؤال الأخير ، وبعض الأسباب والعواقب ، ستتم مناقشتها لاحقًا. الفكرة الأساسية التي يجب ملاحظتها في هذه المرحلة هي أنه قد تم تحديد تجريبيًا أن بوليميريز الحمض النووي لا يمكنه بدء تخليق الخيوط من تلقاء نفسه. بدلاً من ذلك ، يتطلب بوليميراز الحمض النووي امتدادًا قصيرًا لهيكل مزدوج تقطعت به السبل متبوعًا بقالب واحد تقطعت به السبل. يتم إنشاء قليل النوكليوتيد قصير بواسطة الإنزيم بريماز. ينتج هذا البروتين بوليمر قصير من الحمض النووي الريبي (وليس الحمض النووي) يسمى أ التمهيدي (تم تصويرها بخطوط خضراء قصيرة في الأشكال أعلاه وأدناه) والتي يمكن استخدامها بواسطة بوليميراز الحمض النووي لتكوين خيط جديد متزايد النمو.

أثناء عملية استطالة الخصلة ، فإن بوليميريز الحمض النووي بلمرة سلسلة جديدة مرتبطة تساهميًا من نيوكليوتيدات الحمض النووي (في البكتيريا ، قد يُطلق على هذا الإنزيم المحدد DNA polymerase III ؛ في حقيقيات النوى تكون تسمية polymerase أكثر تعقيدًا وأدوار العديد من بروتينات البوليميراز غير مفهومة تمامًا). اتضح أن أحد الخيوط مفضل حصريًا على الآخر ليكون بمثابة قالب. سوف يقوم بوليميراز الحمض النووي "بقراءة" خيط القالب من 3 إلى 5 ويصنع خيطًا جديدًا في اتجاه 5 إلى 3. عادةً ما تتمحور الفرضيات لشرح هذه الملاحظة الشاملة حول الطاقة المرتبطة بإضافة نيوكليوتيد جديد والحجج المرتبطة بإصلاح الحمض النووي ، والتي سنصفها قريبًا. لذلك دعونا نفكر بإيجاز في التفاعل الذي ينطوي على إضافة نوكليوتيد واحد. يوفر التمهيدي 3 'هيدروكسيل مهم لبدء التوليف. يدخل ثلاثي فوسفات الديوكسي ريبونوكليوتيد التالي موقع الربط لبوليميراز الحمض النووي وكما هو موضح في الشكل أدناه يتم توجيهه بواسطة البوليميراز بحيث يمكن حدوث التحلل المائي لثلاثي فوسفات 5 بوصات ، مما يؤدي إلى إطلاق البيروفوسفات ويقرن هذا التفاعل الطارد للطاقة بتخليق رابطة فوسفوديستر بين 5 'فوسفات من النوكليوتيدات الواردة و 3' مجموعة هيدروكسيل من التمهيدي. يمكن تكرار هذه العملية حتى نفاد ثلاثي فوسفات ديوكسي ريبونوكليوتيد أو سقوط مجمع النسخ من الحمض النووي. في الواقع ، يضيف بوليميريز الحمض النووي مجموعة الفوسفات (5 ') من النوكليوتيدات الواردة إلى مجموعة الهيدروكسيل الموجودة (3') للنيوكليوتيدات المضافة سابقًا.

يتم تحقيق الاقتران الصحيح للقاعدة ، أو اختيار النيوكليوتيدات الصحيحة لإضافتها في كل خطوة ، من خلال القيود الهيكلية التي يشعر بها بوليميريز الحمض النووي وروابط الهيدروجين المواتية بقوة والتي تكونت بين النيوكليوتيدات التكميلية. يتم تحريك العملية بقوة بواسطة التحلل المائي لثلاثي فوسفات 5 الوارد والتفاعلات المواتية بقوة التي تتكون من التفاعلات بين النوكليوتيدات في اللولب المزدوج المتنامي (التراص الأساسي والقاعدة التكميلية التي تقترن روابط الهيدروجين). لاحظ أن طاقة إضافة النوكليوتيدات لا تمنع تقنيًا خيطًا ينمو في الاتجاه من 3 إلى 5 ، والفرق الرئيسي في هذا المخطط هو أن "مصدر" الطاقة للتوليف يجب أن يأتي من نيوكليوتيد مدمج بالفعل في النمو. حبلا بدلا من النوكليوتيدات الواردة الجديدة (والتي قد تكون عيب انتقائي مهم نوقشت بإيجاز). بعد أن بدأ الاستطالة ، يأتي بوليميريز DNA مختلف (في البكتيريا يسمى هذا عادةً DNA Polymerase I) لإزالة RNA التمهيدي وتوليف الجزء المتبقي من DNA المفقود.

كما سيتم مناقشته بمزيد من التفصيل في الفصل ، فإن حركة شوكة النسخ تؤدي إلى لف الحمض النووي في كلا اتجاهي النسخ المتماثل. يسمى إنزيم آخر يستهلك ATP توبويزوميراز يساعد على تخفيف هذا الضغط.

يحفز بوليميراز الحمض النووي إضافة مجموعة 5 فوسفات من نيوكليوتيد وارد إلى مجموعة هيدروكسيل 3 من النيوكليوتيدات السابقة. تخلق هذه العملية رابطة فسفودايستر بين النيوكليوتيدات أثناء التحلل المائي لرابطة فسفوهيدريد في النيوكليوتيدات.
المصدر: http://bio1151.nicerweb.com/Locked/m...h16/elong.html

اقترح مناقشة

قم بإنشاء قصة طاقة لإضافة نيوكليوتيد إلى بوليمر كما هو موضح في الشكل أعلاه. سيكون هذا هدفًا تعليميًا واضحًا من بعض معلمي Bis2A.

حبلا رائدة ومتخلفة

تصف المناقشة أعلاه حول استطالة الخيط عملية تخليق الخيط الجديد إذا حدث أن تم تصنيع هذا الخيط في نفس اتجاه شوكة النسخ المتماثل أو يبدو أنه يتحرك على طول الحمض النووي. يمكن تصنيع هذا الخيط بشكل مستمر ويسمى الساحل الرئيسي. ومع ذلك ، يجب نسخ كلا خيوط الحلزون المزدوج الأصلي للحمض النووي. نظرًا لأن بوليميراز الحمض النووي يمكنه فقط تصنيع الحمض النووي في اتجاه 5 'إلى 3' ، فإن بلمرة الشريط المقابل للخيط الرئيسي يجب أن تحدث في الاتجاه المعاكس الذي تنتقل به الهيلياز ، أو أمام شوكة النسخ المتماثل. هذا الخيط يسمى حبلا متخلفة وبسبب القيود الهندسية ، يجب تصنيعها من خلال سلسلة من أحداث تحضير الحمض النووي الريبي (RNA) وتوليف الحمض النووي (DNA) إلى أجزاء قصيرة تسمى شظايا أوكازاكي. كما لوحظ ، فإن بدء تخليق كل جزء من أجزاء Okazaki يتطلب بريماز لتركيب مادة أولية من RNA ويجب إزالة كل من هذه البادئات RNA واستبدالها بنكليوتيدات DNA بواسطة بوليميراز DNA مختلف. لا يمكن تكوين الروابط التساهمية بين كل جزء من أجزاء Okazaki بواسطة DNA polymerase ، وبالتالي يجب تكوينها بواسطة إنزيم آخر يسمى الحمض النووييجاز. من الصعب تصور هندسة تركيب الخيوط المتأخرة وسيتم تغطيتها في الفصل.

يتم إنشاء الخيط المتأخر في مقاطع متعددة. شوكة نسخ تُظهر الشريط الأمامي والمتأخر. فقاعة تكرار تظهر السلاسل الأمامية والمتأخرة.
الصورة الأصلية لفريق Bis2A

إنهاء النسخ المتماثل

التيلوميرات والتيلوميراز

تطرح نهايات التكاثر في الكروموسومات البكتيرية الدائرية بعض المشاكل العملية. ومع ذلك ، فإن نهايات الكروموسومات حقيقية النواة الخطية تشكل مشكلة محددة لتكرار الحمض النووي. نظرًا لأن بوليميريز الحمض النووي يمكن أن يضيف نيوكليوتيدات في اتجاه واحد فقط (5 'إلى 3') ، فإن الخيط الرئيسي يسمح بالتركيب المستمر حتى الوصول إلى نهاية الكروموسوم ؛ ومع ذلك ، مع وصول مجمع النسخ المتماثل إلى نهاية الشريط المتأخر ، لا يوجد مكان لـ primase لـ "الهبوط" وتوليف مادة RNA الأولية بحيث يمكن البدء في تركيب جزء الحمض النووي المفقود في نهاية الكروموسوم بواسطة بوليميراز الحمض النووي. بدون وجود آلية للمساعدة في سد هذه الفجوة ، ستبقى هذه النهاية الصبغية غير متزاوجة وستفقد للنوكليازات. بمرور الوقت ، وعدة جولات من النسخ المتماثل ، سيؤدي ذلك إلى تقصير نهايات الكروموسومات الخطية بشكل تدريجي ، مما يؤدي في النهاية إلى الإضرار بقدرة الكائن الحي على البقاء. تُعرف هذه النهايات من الكروموسومات الخطية باسم التيلوميرات وقد طورت جميع الأنواع حقيقية النواة تقريبًا تسلسلات متكررة لا ترميز لجين معين. نتيجة لذلك ، تعمل التيلوميرات "غير المشفرة" كمخازن للنسخ ويتم تقصيرها مع كل جولة من تكرار الحمض النووي بدلاً من الجينات الحرجة. على سبيل المثال ، في البشر ، يتكرر تسلسل ستة أزواج أساسية ، TTAGGG ، 100 إلى 1000 مرة في نهاية معظم الكروموسومات. بالإضافة إلى العمل كمخزن محتمل ، اكتشاف الإنزيم تيلوميراز ساعد في فهم كيفية الحفاظ على نهايات الكروموسوم. تيلوميراز هو إنزيم يتكون من البروتين والحمض النووي الريبي. يرتبط التيلوميراز بنهاية الكروموسوم عن طريق الاقتران الأساسي التكميلي بين مكون RNA للتيلوميراز وقالب الحمض النووي. يتم استخدام الحمض النووي الريبي كسلسلة تكميلية لاستطالة قصيرة من مكملها. يمكن تكرار هذه العملية عدة مرات. بمجرد أن يتم استطالة قالب الخيط المتأخر بشكل كافٍ بواسطة التيلوميراز ، فإن primase سينشئ أساسًا متبوعًا ببوليميراز DNA والذي يمكنه الآن إضافة نيوكليوتيدات مكملة لنهايات الكروموسومات. وهكذا ، يتم تكرار نهايات الكروموسومات.

يتم الحفاظ على نهايات الكروموسومات الخطية من خلال عمل إنزيم التيلوميراز.

التيلوميراز غير نشط في الخلايا الجسدية البالغة. تستمر الخلايا الجسدية البالغة التي تخضع للانقسام الخلوي في تقصير التيلوميرات الخاصة بها. هذا يعني بشكل أساسي أن تقصير التيلومير مرتبط بالشيخوخة. في عام 2010 ، وجد العلماء أن الإنزيم تيلوميراز يمكنه عكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران ، وقد يكون لهذا إمكانات في الطب التجديدي.1 تم استخدام الفئران التي تعاني من نقص التيلوميراز في هذه الدراسات. تعاني هذه الفئران من ضمور الأنسجة ، ونضوب الخلايا الجذعية ، وفشل نظام الأعضاء ، وضعف استجابات إصابة الأنسجة. تسبب إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في تمدد التيلوميرات ، وتقليل تلف الحمض النووي ، وتنكس عصبي معكوس ، وتحسين أداء الخصيتين والطحال والأمعاء. وبالتالي ، قد يكون لإعادة تنشيط التيلومير إمكانية علاج الأمراض المرتبطة بالشيخوخة لدى البشر.

الاختلافات في معدلات تكرار الحمض النووي بين البكتيريا وحقيقيات النوى

تمت دراسة تكرار الحمض النووي بشكل جيد للغاية في البكتيريا ، ويرجع ذلك أساسًا إلى صغر حجم الجينوم والعدد الكبير من المتغيرات المتاحة. الإشريكية القولونية يحتوي على 4.6 مليون زوج قاعدي في كروموسوم دائري واحد ، ويتم تكرار كل ذلك في حوالي 42 دقيقة ، بدءًا من أصل واحد للنسخ المتماثل والتقدم حول الكروموسوم في كلا الاتجاهين. هذا يعني أنه يتم إضافة ما يقرب من 1000 نيوكليوتيد في الثانية. هذه العملية أسرع بكثير من حقيقيات النوى. يلخص الجدول 1 الاختلافات بين المضاعفات البكتيرية وحقيقية النواة.

الجدول 1
الاختلافات بين النسخ المتماثل بدائية النواة وحقيقية النواة
ملكيةبدائيات النوىحقيقيات النواة
أصل النسخ المتماثلغير مرتبطةعديد
معدل البلمرة لكل بوليميراز1000 نيوكليوتيدات / ثانيةمن 50 إلى 100 نيوكليوتيدات / ثانية
هيكل الكروموسومدائريخطي
تيلوميرازغير موجودالحالي

ارتباط بمورد خارجي

انقر من خلال برنامج تعليمي حول تكرار الحمض النووي.

تحدي تصميم النسخ المتماثل: التدقيق اللغوي

عندما تبدأ الخلية في مهمة تكرار الحمض النووي ، فإنها تفعل ذلك استجابة للإشارات البيئية التي تخبر الخلية أن الوقت قد حان للانقسام. الهدف المثالي لتكرار الحمض النووي هو إنتاج نسختين متطابقتين من قالب الحمض النووي المزدوج الشريطة والقيام بذلك في فترة زمنية لا تشكل تكلفة انتقائية تطورية عالية بشكل غير ملائم. هذه مهمة شاقة عندما تفكر في أن هناك حوالي 6500.000.000 زوج أساسي في الجينوم البشري و حوالي 4500.000 زوج أساسي في جينوم نموذجي. بكتريا قولونية سلالة وأن الطبيعة قررت أن الخلايا يجب أن تتكاثر في غضون 24 ساعة و 20 دقيقة ، على التوالي. في كلتا الحالتين ، يجب إجراء العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية الفردية.

في حين أن التكرار المثالي سيحدث بإخلاص تام ، فإن تكرار الحمض النووي ، مثل جميع العمليات الكيميائية الحيوية الأخرى ، غير كامل - قد يتم ترك القواعد ، أو إضافة قواعد إضافية ، أو يمكن إضافة القواعد التي لا تعمل بشكل صحيح على زوج القاعدة. في العديد من الكائنات الحية ، يتم تصحيح العديد من الأخطاء التي تحدث أثناء تكرار الحمض النووي على الفور بواسطة بوليميراز الحمض النووي نفسه عبر آلية تُعرف باسم التدقيق اللغوي. في التدقيق اللغوي، فإن بوليميراز الحمض النووي "يقرأ" كل قاعدة مضافة حديثًا عن طريق استشعار وجود أو عدم وجود شذوذ بنيوي صغير قبل إضافة القاعدة التالية إلى الخيط المتنامي. عند القيام بذلك ، يمكن إجراء تصحيح.

إذا اكتشف البوليميراز أن قاعدة مضافة حديثًا قد تم إقرانها بشكل صحيح مع القاعدة الموجودة في حبلا القالب ، تتم إضافة النيوكليوتيد التالي. ومع ذلك ، إذا تمت إضافة نيوكليوتيد خاطئ إلى البوليمر المتنامي ، فإن الحلزون المزدوج المشوه سيؤدي إلى توقف بوليميريز الحمض النووي ، وسيتم إخراج الخيط المصنوع حديثًا من موقع البلمرة على البوليميراز وسيدخل إلى موقع نوكلياز خارجي. في هذا الموقع ، يمكن لبوليميراز الحمض النووي أن ينفصل عن آخر عدة نيوكليوتيدات تمت إضافتها إلى البوليمر. بمجرد إزالة النيوكليوتيدات غير الصحيحة ، ستتم إضافة نيوكليوتيدات جديدة مرة أخرى. تأتي إمكانية التدقيق اللغوي هذه مع بعض المفاضلات: يتطلب استخدام تصحيح الخطأ / البوليميراز الأكثر دقة وقتًا (المفاضلة هي سرعة النسخ المتماثل) والطاقة (دائمًا ما تكون تكلفة مهمة يجب مراعاتها). كلما كنت أبطأ كلما كنت أكثر دقة. ومع ذلك ، فإن التباطؤ الشديد قد يمنعك من التكرار بنفس سرعة منافسيك ، لذا فإن معرفة مفتاح التوازن.

الأخطاء التي لا يتم تصحيحها بالتدقيق اللغوي تصبح ما يعرف بـ الطفرات.

التدقيق اللغوي بواسطة بوليميراز DNA يصحح الأخطاء أثناء النسخ المتماثل.

اقترح مناقشة

لماذا يجب أن يكون تكاثر الحمض النووي سريعًا؟ ضع في اعتبارك البيئة التي يوجد بها الحمض النووي ، وقارن ذلك ببنية الحمض النووي أثناء تكرارها

اقترح مناقشة

ما هي إيجابيات وسلبيات قدرات التدقيق اللغوي لـ DNA polymerases؟

أخطاء النسخ المتماثل وإصلاح الحمض النووي

على الرغم من أن تكرار الحمض النووي عادة ما يكون عملية عالية الدقة وأن تصحيح بلمرة الحمض النووي يساعد في الحفاظ على معدل الخطأ منخفضًا ، إلا أن الأخطاء لا تزال تحدث. بالإضافة إلى أخطاء الاستنساخ ، قد يحدث ضرر بيئي أيضًا للحمض النووي. قد تؤدي مثل هذه الأخطاء غير المصححة في النسخ المتماثل أو تلف الحمض النووي البيئي إلى عواقب وخيمة. Therefore, Nature has evolved several mechanisms for repairing damaged or incorrectly synthesized DNA.

Mismatch Repair

Some errors are not corrected during replication, but are instead corrected after replication is completed; this type of repair is known as mismatch repair. Specific enzymes recognize the incorrectly added nucleotide and excise it; replacing it with the correct base. But, how do mismatch repair enzymes recognize which of the two bases is the incorrect one?

في بكتريا قولونية, after replication, the nitrogenous base adenine acquires a methyl group; this means that directly after replication the parental DNA strand will have methyl groups, whereas the newly synthesized strand lacks them. Thus, mismatch repair enzymes are able to scan the DNA remove the wrongly incorporated bases from the newly synthesized, the non-methylated strand by using the methylated strand as the "correct" template from which to incorporate a new nucleotide. In eukaryotes, the mechanism is not as well understood, but it is believed to involve recognition of unsealed nicks in the new strand, as well as a short-term continuing association of some of the replication proteins with the new daughter strand after replication has completed.

In mismatch repair, the incorrectly added base is detected after replication. The mismatch repair proteins detect this base and remove it from the newly synthesized strand by nuclease action. The gap is now filled with the correctly paired base.

Nucleotide Excision Repair

Nucleotide excision repair enzymes replace incorrect bases by making a cut on both the 3' and 5' ends of the incorrect base. The entire segment of DNA is removed and replaced with correctly paired nucleotides by the action of a DNA polymerase. Once the bases are filled in, the remaining gap is sealed with a phosphodiester linkage catalyzed by the enzyme DNA ligase. This repair mechanism is often employed when UV exposure causes the formation of pyrimidine dimers.

Nucleotide excision repairs thymine dimers. When exposed to UV, thymines lying adjacent to each other can form thymine dimers. In normal cells, they are excised and replaced.

Consequences of errors in replication, transcription and translation

Something key to think about:

Cells have evolved a variety of ways to make sure DNA errors are both detected and corrected. We have already discussed several of them. The question becomes, why? Why did so many different mechanisms evolve? From proofreading by the various DNA-dependent DNA polymerases, to the complex repair systems. Such mechanisms did not evolve for errors in transcription or translation. If you are familiar with the processes of transcription and/or translation think about what the consequences would be of an error in transcription? Would such an error effect the offspring? Would it be lethal to the cell? What errors in translation? Ask the same questions about the process of translation? What would happen if the wrong amino acid was accidentally put into the growing polypeptide during translation? How do these contrast with DNA replication? If you are not familiar with transcription or translation, don't fret. We'll learn those soon and return to this question again.