تكاثر الحمض النووي: الآليات ، في بدائيات النوى وحقيقيات النوى - مادة الاحياء - 2025

إن تكرار الحمض النووي (الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين) هو نسخ الجينوم ، أي جميع المعلومات الجينية في الحمض النووي للكائن الحي لإنتاج نسختين متطابقتين. يحتوي الجينوم على المعلومات اللازمة لبناء كائن حي كامل.

قبل انقسام الخلية ، يحدث تكرار الحمض النووي. من خلال الانقسام الاختزالي ، يتم إنتاج الأمشاج للتكاثر الجنسي. من خلال الانقسام ، يحدث استبدال الخلايا (مثل الجلد والدم) والتطور (على سبيل المثال ، الأنسجة والأعضاء).

المصدر: I، Madprime

تتيح لنا معرفة بنية الحمض النووي أن نفهم كيف يحدث تكرارها. تتكون بنية الحمض النووي من حلزون مزدوج ، يتكون من سلسلتين متوازيتين من النيوكليوتيدات المتتالية ، والتي تكمل قواعدها النيتروجينية بعضها البعض بطريقة معينة.

أثناء النسخ المتماثل ، يعمل كل خيط من حبلا الحمض النووي المزدوج كقالب للتخليق الحيوي لشريط جديد. تحتوي السلسلتان المركبتان حديثًا على قواعد مكملة لقواعد سلسلة القالب: الأدينين (A) مع الثايمين (T) ، والسيتوزين (C) مع الجوانين (G).

تشارك العديد من الإنزيمات والبروتينات في تكرار الحمض النووي. على سبيل المثال ، فتح الحلزون المزدوج للحمض النووي ، والحفاظ على الحمض النووي مفتوحًا ، وإضافة deoxyribonucleosides-5′-triphosphate (dNTP) لتشكيل الخيط الجديد.

تكاثر الحمض النووي شبه متحفظ

بناءً على بنية الحمض النووي ، اقترح واطسون وكريك أن تكرار الحمض النووي يحدث بشكل شبه متحفظ. تم توضيح ذلك من قبل Meselson و Stahl من خلال وسم الحمض النووي للإشريكية القولونية بالنظير الثقيل للنيتروجين ، ¹⁵ N ، باتباع نمط التوزيع في وسط مستنبت به نيتروجين خفيف ، ¹⁴ N لعدة أجيال.

وجد ميزلسون وستال أنه في الجيل الأول ، كان لكل جزيء ابنتان من الحمض النووي علامة بسلسلة تحتوي على نظير ثقيل للنيتروجين وجزيء آخر يحتوي على نظير خفيف. على عكس جزيء الحمض النووي الأصل ، الذي يحتوي على كلا الخيطين الموصوفين بالنظير الثقيل ، ¹⁵ ن.

في الجيل الثاني ، كانت 50٪ من جزيئات الحمض النووي مثل تلك الموجودة في الجيل الأول ، و 50٪ الأخرى كانت تحتوي على نيتروجين خفيف فقط. تفسير هذه النتيجة هو أن الحلزون المزدوج الابنة له سلسلة أصل (تعمل كقالب) وسلسلة جديدة.

تتضمن آلية النسخ شبه المحافظة فصل خيوط الحمض النووي والاقتران الأساسي التكميلي من خلال الاقتران المتتالي للنيوكليوتيدات ، مما ينتج عنه حلزون مزدوجان ابنتان.

تكرار البطارية

بدء تكرار الحمض النووي في البكتيريا

يتكون الحمض النووي البكتيري من كروموسوم دائري وله موقع واحد فقط للتكاثر. من هذا الموقع ، يحدث التخليق الحيوي لسلسلتي الابنتين بشكل ثنائي الاتجاه ، مما يشكل شوكتي نسخ متماثلتين تتحركان في اتجاهات معاكسة للأصل. في النهاية ، تلتقي دبابيس الشعر ، وتستكمل التكرار.

يبدأ النسخ المتماثل بربط بروتينات DnaA بموقع المنشأ. تشكل هذه البروتينات بدورها معقدًا. بعد ذلك ، تتحد بروتينات HU و IHF معًا ، مما يؤدي إلى ثني الحمض النووي معًا ، مما يتسبب في فصل خيطي الحمض النووي في منطقة غنية بالثيمين والأدينين.

بعد ذلك ، ترتبط بروتينات DNaC ، مما يتسبب في ارتباط هليكازات الحمض النووي. إنها تساعد على فك الحمض النووي وكسر روابط الهيدروجين المتكونة بين أزواج القواعد. لذلك يتم فصل السلسلتين بشكل أكبر ، لتشكيل سلسلتين بسيطتين.

يتحرك Topoisomerase II ، أو DNA gyrase أمام DNA هيليكاز ، مما يقلل من اللفائف الفائقة الإيجابية. تحافظ بروتينات ربط الحمض النووي (SSB) أحادية السلسلة على فصل خيوط الحمض النووي. وبالتالي ، يمكن أن يبدأ التخليق الحيوي لسلسلة الابنة.

التخليق الحيوي لخيوط DNA الابنة في البكتيريا

إنزيم بريماز مسؤول عن تصنيع سلاسل قصيرة من الحمض النووي الريبي تسمى الاشعال ، والتي يبلغ طولها 10-15 نيوكليوتيد. يبدأ بوليميريز الحمض النووي بإضافة 5′-ثلاثي فوسفات deoxynucleosides (dNTPs) إلى نهاية 3′-OH من السكر التمهيدي ، وبعد ذلك يستمر الخيط في النمو من نفس النهاية.

نظرًا لأن خيوط الحمض النووي غير متوازية ، يتم تصنيع مادة أولية واحدة على الشريط الرئيسي والعديد من البادئات الموجودة على الشريط المتأخر. وبسبب هذا ، فإن التخليق الحيوي للسلسلة المتأخرة غير مستمر. على الرغم من أن خيوط الحمض النووي غير متوازية ، إلا أن شوكة النسخ تتحرك في اتجاه واحد فقط.

إن بوليميراز الدنا مسؤول عن تكوين الروابط التساهمية بين النيوكليوتيدات المتجاورة للسلاسل المركبة حديثًا ، في اتجاه 5'®3. في الإشريكية القولونية ، هناك خمسة بوليميرات دنا: بوليميراز الدنا الأول والثالث يقومان بتكرار الدنا. و DNA polymerases II و IV و V مسؤولون عن إصلاح وتكرار الحمض النووي التالف.

يتم إجراء معظم النسخ المتماثل بواسطة DNA polymerase III ، وهو أنزيم هولو يحتوي على 10 وحدات فرعية مختلفة مع وظائف مختلفة في تكرار الحمض النووي. على سبيل المثال ، الوحدة الفرعية ألفا مسؤولة عن إنشاء روابط بين النيوكليوتيدات.

مركب من الإنزيمات مسؤول عن تكرار الحمض النووي في البكتيريا

ينضم كل من DNA Helicase و primase لتشكيل مركب يسمى primosome. يتحرك هذا على طول الحمض النووي ، ويعمل بطريقة منسقة لفصل السلاسل الأبوية ، وتوليف البادئات في كل فترة زمنية معينة على الخيط المتأخر.

يرتبط البريموسوم جسديًا ببوليميراز الحمض النووي الثالث ، ويشكل البديل. اثنين من بوليميراز الحمض النووي III مسؤولان عن تكرار الحمض النووي للدليل والسلاسل المتأخرة. فيما يتعلق بـ DNA polymerase III ، يشكل الخيط المتأخر حلقة خارجية ، مما يسمح بإضافة النيوكليوتيدات إلى هذا الخيط في نفس اتجاه الشريط الرئيسي.

إضافة النيوكليوتيدات إلى السلسلة الرائدة مستمرة. بينما في المؤجل هو متقطع. يتم تشكيل شظايا يبلغ طولها 150 نيوكليوتيد ، تسمى شظايا أوكازاكي.

إن نشاط نوكلياز خارجي 5 -> 3 لبوليميراز DNA هو المسؤول عن القضاء على البادئات والحشو ، وإضافة النيوكليوتيدات. يسد إنزيم ligase الفجوات بين الأجزاء. ينتهي النسخ المتماثل عندما يلتقي خطافا النسخ المتماثل في تسلسل إنهاء.

يرتبط بروتين Tus بتسلسل الإنهاء ، ويوقف حركة شوكة النسخ المتماثل. يسمح Topoisomerase II بفصل الكروموسومين.

يتم استخدام ثلاثي فوسفات Deoxyribonucleotide بواسطة بوليميريز DNA

يحتوي Deoxynucleoside triphosphate (dNTP) على ثلاث مجموعات فوسفات مرتبطة بـ 5 كربون من deoxyribose. ترتبط dNTPs (dATP و dTTP و dGTP و dCTP) بسلسلة القالب التي تتبع قاعدة AT / GC.

يحفز بوليميراز الدنا التفاعل التالي: تتفاعل مجموعة 3 هيدروكسيل (–OH) من نيوكليوتيد الجدائل المتنامي مع فوسفات ألفا من dNTP الوارد ، وتطلق البيروفوسفات غير العضوي (PPi). ينتج التحلل المائي لـ PPi الطاقة لتشكيل الرابطة التساهمية ، أو رابطة الفوسفوديستر ، بين نيوكليوتيدات سلسلة النمو.

الآليات التي تضمن دقة تكرار الحمض النووي

أثناء تكرار الحمض النووي ، يرتكب DNA polymerase III خطأ بمقدار 100 مليون نيوكليوتيد. على الرغم من أن احتمال الخطأ منخفض جدًا ، إلا أن هناك آليات تضمن الدقة في تكرار الحمض النووي. هذه الآليات هي:

1) الاستقرار في الاقتران الأساسي. طاقة الرابطة الهيدروجينية بين AT / GC أعلى منها في أزواج القاعدة الخاطئة.

2) هيكل الموقع النشط لبوليميراز الحمض النووي. يحفز بوليميريز الحمض النووي بشكل تفضيلي الوصلات النوكليوتيدية مع القواعد الصحيحة على الشريط المقابل. يؤدي الاقتران الضعيف مع القاعدة إلى تشويه الحلزون المزدوج للحمض النووي ، مما يمنع النيوكليوتيدات الخاطئة من احتلال الموقع النشط للإنزيم.

3) اختبار القراءة. يحدد بوليميراز الحمض النووي النيوكليوتيدات الخاطئة المدمجة ويزيلها من حبلا الابنة. يكسر نشاط نوكلياز الدنا بوليميريز روابط الفوسفوديستر بين النيوكليوتيدات في نهاية 3 ′ من الخيط الجديد.

تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى

على عكس النسخ المتماثل في بدائيات النوى ، حيث يبدأ النسخ المتماثل في موقع واحد ، يبدأ التكرار في حقيقيات النوى في مواقع منشأ متعددة وتتحرك شوكة النسخ ثنائي الاتجاه. في وقت لاحق ، تندمج جميع دبابيس الشعر المتماثلة ، مكونة كروماتيدين شقيقين مرتبطين في السنترومير.

تمتلك حقيقيات النوى أنواعًا عديدة من بوليميراز الحمض النووي ، التي تستخدم أسماؤها الأحرف اليونانية. يشكل DNA polymerase α معقدًا مع Primase. يصنع هذا المركب مواد أولية قصيرة تتكون من 10 نيوكليوتيدات من الحمض النووي الريبي متبوعة بـ 20 إلى 30 نيوكليوتيد من الحمض النووي.

بعد ذلك ، ε أو δ DNA polymerase يحفز استطالة حبلا الابنة من التمهيدي. يشارك DNA polymerase في تخليق السلسلة الرائدة ، بينما يقوم DNA polymerase بتوليف السلسلة المتخلفة.

يقوم بوليميراز DNA δ بإطالة جزء Okazaki الموجود على اليسار حتى يصل إلى RNA التمهيدي على اليمين ، مما ينتج عنه رفرف قصير من التمهيدي. على عكس بدائيات النوى ، حيث يزيل بوليميراز الحمض النووي التمهيدي ، في حقيقيات النوى ، يزيل إنزيم نوكلياز رفرف الطبقة الأولية من الحمض النووي الريبي.

بعد ذلك ، يغلق DNA ligase شظايا الحمض النووي المجاورة. يحدث اكتمال النسخ المتماثل مع تفكك البروتينات من شوكة النسخ المتماثل.

و تكرار الحمض النووي في دورة الخلية حقيقية النواة و

يحدث التكرار في حقيقيات النوى في المرحلة S من دورة الخلية. يتم إفراز جزيئات الحمض النووي المضاعفة في خليتين ابنتيتين أثناء الانقسام. تفصل مرحلتا G1 و G2 المرحلة S والانقسام. يتم تنظيم التقدم خلال كل مرحلة من مراحل دورة الخلية بشكل كبير بواسطة الكينازات والفوسفاتازات والبروتياز.

في المرحلة G1 من دورة الخلية ، يرتبط مجمع التعرف على الأصل (OCR) بموقع الأصل. يؤدي هذا إلى ارتباط هليكازات MCM والبروتينات الأخرى ، مثل Cdc6 و Cdt1 ، لتشكيل مجمع ما قبل النسخ المتماثل (preRC). ترتبط طائرة MCM بسلسلة التوجيه.

في المرحلة S ، يصبح preRC موقع نسخ متماثل نشط. يتم إطلاق بروتينات OCR و Cdc6 و Cdt1 ، وتتحرك هيليكاز MCM في اتجاه 3 إلى 5. بمجرد الانتهاء من النسخ المتماثل ، سيتم إعادة تشغيله في دورة الخلية التالية.

تكرار نهايات الكروموسومات في حقيقيات النوى

تُعرف نهايات الكروموسومات باسم التيلوميرات ، والتي تتكون من متواليات ترادفية متكررة ، ومنطقة 3 that تبرز ، بطول 12 إلى 16 نيوكليوتيد.

بوليميراز الدنا غير قادر على تكرار 3 ′ نهاية خيوط DNA. هذا يرجع إلى حقيقة أن بوليميراز الحمض النووي يمكنه فقط توليف الحمض النووي في اتجاه 5'-3 '، ويمكنه فقط إطالة الخيوط الموجودة مسبقًا ، دون القدرة على تصنيع مادة أولية في هذه المنطقة. وبالتالي ، فإن التيلوميرات تقصر مع كل جولة من النسخ المتماثل.

يمنع إنزيم التيلوميراز تقصير التيلوميرات. تيلوميراز هو إنزيم يمتلك وحدات فرعية من البروتين والحمض النووي الريبي (TERC). يرتبط الأخير بالتسلسلات المتكررة للحمض النووي ، ويسمح للإنزيم تيلوميراز بالارتباط بنهاية التيلومير الثلاثية.

يعمل تسلسل الحمض النووي الريبي خلف موقع الوصلة كقالب لتركيب تسلسل ستة نيوكليوتيدات (بلمرة) في نهاية خيط DNA. يتم تحفيز استطالة التيلومير بواسطة وحدات فرعية من التيلوميراز ، والتي يطلق عليها إنزيم التيلوميراز العكسي (TERT).

بعد البلمرة ، تتم عملية الإزاحة ، وتتألف من حركة التيلوميراز إلى نهاية جديدة من سلسلة الحمض النووي ، وتنضم إلى ستة نيوكليوتيدات أخرى حتى النهاية.

وظائف بوليميرات الحمض النووي الأخرى في حقيقيات النوى

يلعب بوليميراز الدنا دورًا مهمًا في إزالة القواعد غير الصحيحة من الحمض النووي ، ولكنه لا يشارك في تكرار الحمض النووي.

تنتمي العديد من بلمرات الحمض النووي المكتشفة إلى مجموعة البوليميرات "المتضاعفة للترانسليسون". هذه البوليميرات مسؤولة عن تصنيع الخيوط التكميلية في منطقة الحمض النووي التالف.

هناك عدة أنواع من polymerases "النسخ المتماثل للنسخ". على سبيل المثال ، يمكن أن يتكاثر بوليميريز الحمض النووي η على ثايمين الثايمين ، والذي ينتج بواسطة ضوء الأشعة فوق البنفسجية.

تكاثر الحمض النووي في البكتيريا القديمة

يشبه تكاثر الحمض النووي للبكتيريا البدائية مثيله في حقيقيات النوى. ويرجع ذلك إلى ما يلي: 1) البروتينات التي تشارك في النسخ المتماثل تشبه تلك الموجودة في حقيقيات النوى أكثر من تلك الموجودة في بدائيات النوى ؛ و 2) على الرغم من وجود موقع نسخ واحد فقط كما هو الحال في بدائيات النوى ، فإن تسلسله مشابه لموقع منشأ حقيقيات النوى.

يدعم التشابه في النسخ المتماثل بين أرتشيا وحقيقيات النوى فكرة أن كلا المجموعتين من الناحية التطورية أكثر ارتباطًا ببعضهما البعض من أي منهما بدائيات النوى.

المراجع

1. Brooker، RJ 2018. تحليل ومبادئ علم الوراثة. ماكجرو هيل ، نيويورك.
2. Hartwell ، LH ، Goldberg ، ML ، Fischer ، JA ، Hood ، L. 2018. علم الوراثة - من الجينات إلى الجينوم. ماكجرو هيل ، نيويورك.
3. Kušić-Tišma، J. 2011. الجوانب الأساسية لتكرار الحمض النووي. InTech الوصول المفتوح ، كرواتيا.
4. لويس ، ر. ، 2015. مفاهيم وتطبيقات علم الوراثة البشرية. ماكجرو هيل ، نيويورك.
5. بيرس ، بكالوريوس 2005. علم الوراثة - نهج مفاهيمي. دبليو إتش فريمان ، نيويورك.