معلومة

2020_Winter_Bis2a_Facciotti_Lecture_20 - علم الأحياء


أهداف التعلم المرتبطة بـ 2020_Winter_Bis2a_Facciotti_Lecture_20

  • قم بإنشاء الرسوم التوضيحية التي تعمل كنماذج للهياكل ثلاثية الأبعاد للحمض النووي. يجب أن تمتد هذه على عدة مستويات من التفاصيل والتجريد التي تشمل نماذج كرتونية لـ:
    • أ. ثلاثة نيوكليوتيدات وروابط الفوسفوديستر الخاصة بهم.
    • ب.اثنينخيوط عكسية تظهر روابط هيدروجينية بين النيوكليوتيدات في خيوط متقابلة
    • ج. تصغيرالتمثيلللبنية الحلزونية للبوليمر.
  • قم بتسمية القواعد النيتروجينية التي تشكل روابط هيدروجينية مع بعضها البعض وحدد الاقتران الأساسي التكميلي ("الاقتران الأساسيقواعد").
  • أخبر قصة طاقة للتفاعل التكميلي بين خيطين متوازيين من النيوكليوتيدات.
  • تشريح التفاعل الكيميائي المسؤول عن تخليق الحمض النووي وإخبار قصة الطاقة.
  • ارسم عملية تكرار الحمض النووي للخيط الرئيسي ، بما في ذلك المواقع الرئيسية على الحمض النووي ، والمواد المتفاعلة ، والمنتجات ، والإنزيمات ، وتصوير متطلبات الطاقة لكل خطوة.
  • ارسم عملية تكرار الحمض النووي للخيط المتأخر ، بما في ذلك تحدي التصميم المرتبط بتكرار قالب الشريط المتأخر ، والحلول التي توفرها أجزاء Okazaki و DNA ligase.
  • صف تحديات تكرار نهايات الكروموسومات الخطية. قارن هذه التحديات مع تكرار الكروموسوم بدائية النواة.
  • قم بإنشاء تصوير لآلية إطالة التيلومير بوساطة التيلوميرات التي تصف بوضوح دور الحمض النووي الريبي الهيكلي في مجمع الإنزيم.
  • اشرح كيف أن تكرار الحمض النووي هو مصدر وراثيالاختلاف،ووصف الآليات التي يمكن أن تغير تواتر الطفرة والمفاضلات المرتبطة بإصلاح الأخطاء.

الحلزون المزدوج للحمض النووي وتكرارها

المشكلة

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

يتكون الجينوم البشري من 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 تولستوي الحرب و السلام، وهي رواية يعرفها الكثير من الناس بسبب طبيعتها الضخمة. تقدر البيانات من ويكيبيديا ذلك الحرب و السلام

يحتوي على

حوالي 560.000 كلمة. العمل المكتوب الثاني المألوف للكثيرين هو المجلدات السبعة من

ج. رولينج

هاري بوتر. يتحقق هذا العمل في ~ 1،080،000 كلمة (الإحصائيات المرجعية على ويكيبيديا). إذا افترضنا أن متوسط ​​طول الكلمة الإنجليزية هو خمسة أحرف ، فإن العملين الأدبيين يبلغان 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. عدد الشخصيات في هذه الروايات

نكون

، مع ذلك ، أقرب بكثير إلى عدد النيوكليوتيدات في جينوم بكتيري نموذجي.

تخيل الآن للحظة تطوير آلة أو عملية ميكانيكية (وليست عملية إلكترونية) تقرأ وتنسخ هذه الكتب. 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؟ ما مقدار الطاقة التي تتطلبها العملية؟ 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 0.0000000025 مترًا عرضًا). بالمقارنة ، يبلغ عرض الخط النموذجي المكون من عشر نقاط حوالي 0.00025 مترًا ، أي حوالي 100000 مرة أكبر من عرض زوج قاعدة الحمض النووي.

مع أخذ ذلك في الاعتبار،

من الجدير بالذكر أن

يمكن أن تستغرق الخلية البشرية 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 بهذا الأمر مع ارتكاب أخطاء قليلة كافية بحيث يظل الجيل التالي قابلاً للحياة ويمكن التعرف عليه. يجب أن يبدو ذلك مذهلاً إلى حد ما! الآن ضع في اعتبارك أننا نقدر أن جسم الإنسان يتألف من حوالي 10 تريليون خلية (1000000000000) وأنه قد يكون لديه ما بين ضعفين إلى عشرة أضعاف هذا العدد من الميكروبات. هذا

الكثير من الخلايا

تقسيم للنظر.

تحدي التصميم

إذا كانت الخلية تريد تكرارها - فهي

ذروة

الهدف — نسخة من الحمض النووي يجب أن

سيتم إنشاء

. لذا فإن بيان / سؤال واحد واضح هو "كيف يمكن للخلية

على نحو فعال

نسخ الحمض النووي الخاص به؟ "بالنظر إلى القياس أعلاه ، إليك بعض الأسئلة الفرعية ذات الصلة: ما هي الخصائص الكيميائية والفيزيائية التي تمكن الحمض النووي من

يتم نسخها

؟ بأي دقة يجب على الكائن الحي نسخ جينومه؟ ما السرعة التي يجب أن

يتم نسخه

في؟ 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 للقائمة

، بالطبع،

تابع.

في المناقشة التالية وفي المحاضرة ، ندرس كيفية عملية تكرار الحمض النووي

انجز

مع مراعاة بعض أسئلة القيادة. أثناء استعراضك لمواد القراءة والمحاضرة ، حاول أن تكون على دراية بهذه الأسئلة وغيرها من الأسئلة المرتبطة بهذه العملية. استخدم هذه الأسئلة كنقاط إرشادية لتنظيم أفكارك وحاول إيجاد تطابق بين "الحقائق" التي تعتقد أننا قد نتوقع منك 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 تقديرنا للبنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي إلى الخمسينيات من القرن الماضي. لمعرفة المزيد عن هذه القصة ، شاهد الفيلم القصير هنا.

كشفت نماذج بنية الحمض النووي أن الجزيء يتكون من خيطين من النيوكليوتيدات المرتبطة تساهميًا

ملتوية

حول بعضها البعض لتشكيل حلزون أيمن. في كل خيط ، النيوكليوتيدات

تساهميًا

إلى اثنين من النيوكليوتيدات الأخرى (باستثناء نهايات الشريط الخطي) عبر روابط الفوسفوديستر التي تربط السكريات عبر مجموعتي الهيدروكسيل 5 و 3 (اللوحة)

ب

في الشكل 1). تذكر أن الملصقات 5 'و 3' تشير إلى الكربون الموجود على جزيء السكر. تشكل سلاسل السكريات والفوسفات هذه مجموعة متجاورة من الروابط التساهمية التي

غالبا ما يشار إليها

ليكون بمثابة "العمود الفقري" للهيكل. في الجزيء الخطي ، لكل خيط طرفان حُران. نسمي النهاية الحرة الواحدة النهاية 5 لأن المجموعة الوظيفية غير المرتبطة هي

عادة ما تشارك

في الانضمام إلى النيوكليوتيدات ، يرتبط الفوسفات بـ 5 'كربون. نسمي الطرف الآخر من الخيط الطرف 3 لأن المجموعة الوظيفية غير المرتبطة هي

عادة ما تشارك

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 اتجاه أحد الخصلة - يمكن للمرء ، على سبيل المثال ، أن يقول إنهم يقرؤون من 5 "نهاية إلى 3" نهاية إلى

يشير

أنهم "يسيرون" على طول الخصلة بدءًا من الطرف 5 ويتحركون نحو النهاية 3. هذا الاتجاه (5 'إلى 3') هو العرف الذي يستخدمه معظم علماء الأحياء. يمكن للمرء أن يقرأ في الاتجاه المعاكس (3 'إلى 5') بشرط أن نجعل الاتجاه واضحًا. نجد خيطين من النيوكليوتيدات المرتبطة تساهميًا ضد الموازية لبعضهم البعض في الحلزون المزدوج ؛

هذا هو

اتجاه / اتجاه خصلة واحدة هو عكس اتجاه الخصلة الأخرى (اللوحة

ب

في الشكل 1). يقع العمود الفقري من الناحية الهيكلية على "الخارج" من اللولب المزدوج ، مما يؤدي إلى تكوين مجموعة من الشحنات السالبة على السطح. تتراكم القواعد النيتروجينية لكل من الخيوط المتوازية داخل الهيكل وتتعارض مع بعضها البعض بطريقة تسمح للروابط الهيدروجينية بين أزواج البيورين / البيريميدين الفريدة (اقتران A مع الاقتران T و G مع C) بالتشكل. نسمي هذه الأزواج الأساسية المحددة مكمل قاعده ازواج. وبالتالي ، نشير إلى خيوط اللولب المزدوج المزدوجة 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 التسلسل

مشروح

مع الاتجاه (

مبين

بـ 5 'و 3' تسميات). تكملة هذا التسلسل - المكتوب وفقًا لاتفاقية 5 'إلى 3' هو: 5′- C A T C C C A T A T G - 3 ′. اذا أنت

غير مقتنعين

، اكتب هذين التسلسلين مقابل بعضهما البعض في ملاحظاتك ، وكتابتهما كخيوط مضادة للتوازي. لاحظ أن التواء الخيطين التكميليين حول بعضهما البعض يؤدي إلى تكوين ميزات هيكلية تسمى الأخاديد الرئيسية والثانوية التي ستصبح أكثر أهمية عندما نناقش ارتباط البروتينات بالحمض النووي (اللوحة)

ج

في الشكل 1).

يتوقع معظم مدربي BIS2A أن تتعرف على السمات الهيكلية الرئيسية الموضحة في الشكل أدناه وأنك ستتعرف عليها

يكون قادرا على

قم بإنشاء شخصية أساسية لبنية الحمض النووي بنفسك.

شكل 1. يحتوي الحمض النووي على (أ) بنية حلزونية مزدوجة و) روابط الفوسفوديستر. (ج) الأخاديد الرئيسية والصغرى هي مواقع ربط لـربط الحمض النوويالبروتينات أثناء عمليات مثل النسخ (إنشاء الحمض النووي الريبي من قالب الحمض النووي) والتكرار.


مناقشة ملحوظة محتملة نقطة

خذ لحظة لمراجعة القواعد النيتروجينية في الشكل 1. حدد المجموعات الوظيفية كما هو موضح في الفصل. لكل مجموعة وظيفية محددة ، صف نوع الكيمياء التي تتوقعهاأن تشاركفي. حاول تحديد ما إذا كانت المجموعة الوظيفية يمكن أن تعمل إما كمانح رابطة الهيدروجين ، أو متقبل ، أو كليهما؟


في نفس الوقت تقريبًا ، تم النظر في ثلاث فرضيات لأنماط تكرار الحمض النووي.

كانت نماذج التكرار معروفةكما:

النموذج المحافظ والنموذج شبه المحافظ والنموذج المشتت.

1. التحفظ: افترض النموذج المحافظ للنسخ المتماثل أن كل جزيء مزدوج الشريطة يمكن أن يعمل كقالب لتخليق جزيء جديد مزدوج الشريطة. إذا كان على المرء أن يضع علامة كيميائية على جزيء DNA النموذجي بعد النسخ المتماثل ،

لن يتم العثور على أي من هذه العلامة

على 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

، لو

تم وضع ملصق كيميائي

على جزيء DNA مزدوج الشريطة ، يحتفظ خيط واحد على كل نسخة بالملصق.
3. التشتت: اقترح هذا النموذج أن اللولب المزدوج المنسوخ من شأنه أن يجمع بين الأجزاء المستمرة من الخيوط "القديمة" و "الجديدة".

إذا تم وضع ملصق كيميائي

على جزيء DNA

تم نسخها

باستخدام آلية تشتت ، يمكن للمرء أن يجد أجزاء منفصلة من النسخة الناتجة

تم تصنيفها

على كلا الخيوط مفصولة بـ

تماما

الأجزاء غير المسماة.

قام Meselson و Stahl بحل المشكلة في عام 1958 عندما أبلغوا عن نتائج تجربة مشهورة الآن (وصف في ويكيبيديا) الذي أظهر أن تكرار الحمض النووي شبه محافظ (الشكل 2) ، حيث كل حبلا

مستعمل ك

نموذج لإنشاء حبلا جديد. لمعرفة المزيد حول هذه التجربة ، شاهد تجربة Meselson-Stahl.

الشكل 2. يحتوي الحمض النووي على بنية حلزونية مزدوجة مضادة للتوازي ، وقواعد النوكليوتيدات مرتبطة بالهيدروجين معًا ، وكل حبلا يكمل الآخر.يتم نسخ الحمض النوويبطريقة شبه محافظة ،يتم استخدام كل خصلةكقالب للحبلا المصنوع حديثًا.

تكرار الحمض النووي

بعد إنشاء بعض الميزات الهيكلية الأساسية والحاجة إلى آلية شبه محافظة ، من المهم فهم بعض ما نعرفه 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 مجموعة متنوعة من الأسئلة: كيف يبدو النظام في بداية (المادة والطاقة) من التكرار؟ 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 تكون

يحدث

أثناء عملية. على سبيل المثال ، لأن الحمض النووي جزيء طويل

و

أحيانًا 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 يكون الهيكل مزدوج الشريطة

غير ملفه

?

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

من أجل حدوث النسخ المتماثل. إذا ماذا نحتاج؟

• نحن نعلم أن الحمض النووي

وتتألف

من النيوكليوتيدات. إذا أردنا إنشاء خيط جديد ، 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 واحد أو أكثر من الإنزيمات التي تساعد

تحفيز

عملية النسخ المتماثل.
• يمكننا أيضًا أن نستنتج أنه نظرًا لأن هذه عملية كيميائية حيوية ، فإنها سترتكب بعض الأخطاء.

مراجعة بنية النوكليوتيدات

تذكر بعض السمات الهيكلية الأساسية لبنات بناء النيوكليوتيدات في الحمض النووي. تبدأ النيوكليوتيدات في شكل نيوكليوتيدات ثلاثي الفوسفات.تتكون النيوكليوتيداتمن قاعدة نيتروجينية ، ديوكسي ريبوز (سكر خماسي الكربون) ، ومجموعة فوسفات. نسمي النيوكليوتيد وفقًا لقاعدته النيتروجينية ، البيورينات مثل الأدينين (A) والجوانين (G) ، أو بيريميدينات مثلالسيتوزين(ج) والثايمين (T). أذكر الهياكل أدناه. لاحظ أن نوكليوتيد أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) هو مقدمة لنقص ديوكسي ريبونوكليوتيد (dATP) أيأدرجفي الحمض النووي.

الشكل 3. يتكون كل نوكليوتيدأعلى من السكر (الريبوز أو الديوكسيريبوز اعتمادًا على ما إذا كان يبني الحمض النووي الريبي أو الحمض النووي ، على التوالي) ، ومجموعة الفوسفات ، والقاعدة النيتروجينية. تحتوي البيورينات على بنية حلقة مزدوجة مع حلقة من ستة أعضاء مدمجة في حلقة من خمسة أعضاء. بيريميدين هيأصغر في الحجم؛ لديهم هيكل حلقة واحدة من ستة أعضاء. ذرات الكربون من السكر الخماسي الكربونمرقمة1 'و 2' و 3 'و 4' و 5 '(1'يقرأكـ "رئيس واحد").يتم إرفاق بقايا الفوسفاتلمجموعة الهيدروكسيل المكونة من 5 'كربون لسكر واحد من نيوكليوتيد واحد ومجموعة الهيدروكسيل المكونة من 3' كربون من سكر النوكليوتيدات التالية ،بذلكتشكيل 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؟ تبين أن هذه العملية ليست عشوائية. هناك تسلسلات محددة للنيوكليوتيدات تسمى أصول النسخ المتماثل على طول الحمض النووي الذي يبدأ عنده النسخ المتماثل. بمجرد هذا الموقع

تم تحديده

، ومع ذلك، هناك مشكلة. الحلزون المزدوج للحمض النووي

يقام

معًا عن طريق تفاعلات التراص الأساسية والروابط الهيدروجينية. إذا كان يجب على كل حبلا

أن تقرأ

ونسخها بشكل فردي ، يجب أن تكون هناك آلية ما مسؤولة عن المساعدة في فصل الخيوط عن بعضها البعض. بقوة ، هذه عملية مفعمة بالحيوية. من أين تأتي الطاقة وكيف يكون هذا التفاعل

محفزًا

؟ يجب أن يؤدي الاستدلال الأساسي إلى فرضية أن محفز البروتين من المحتمل أن يكون متورطًا ، وأن هذا الإنزيم إما يخلق روابط جديدة أكثر مواتاة من الناحية النشطة (طويلة المدى) من الروابط التي يكسرها و / أو يمكن أن يقرن استخدام مصدر طاقة خارجي مع تساعد في فصل الخيوط.

اتضح أن تفاصيل هذه العملية والبروتينات المتضمنة تختلف باختلاف الكائن المحدد المعني ، والعديد من تفاصيل المستوى الجزيئي

ليست مفهومة تماما

. ومع ذلك ، هناك بعض السمات المشتركة في تكاثر حقيقيات النوى والبكتيريا والعتائق ، وإحدى هذه الميزات هي أن العملية تنطوي على عدة أشكال مختلفة

انواع من

البروتينات في تكرار الحمض النووي. أولاً ، يمكن للبروتينات المسماة "البادئات" أن تربط الحمض النووي بأصول النسخ المتماثل أو قريبة جدًا منها. يساعد تفاعل البروتينات البادئة مع الحمض النووي على زعزعة استقرار الحلزون المزدوج ويساعد أيضًا على تجنيد بروتينات أخرى ، بما في ذلك إنزيم يسمى DNAهيليكس إلى الحمض النووي. هنا 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 المفرط للـ ATP بفك الحلزون المزدوج للحمض النووي. يجب أن البروتينات الإضافية

يتم تجنيده

إلى مجمع البدء (مجموعة البروتينات المشاركة في

اعداد

النسخ). وتشمل هذه ، ولكن

لا تقتصر

إلى ، تسمى الإنزيمات الإضافية بريمازو بوليميريز الحمض النووي. بينما يغادر البادئون 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 (الشكل 4). لأي حدث نسخ متماثل ، يمكن أن تتشكل شوكتا نسخ متماثل في كل أصل من النسخ المتماثل ، وتمتد في كلا الاتجاهين.

يمكن العثور على أصول متعددة للنسخ المتماثل

على الكروموسومات حقيقية النواة وبعض العتائق ، بينما جينوم البكتيريا ، بكتريا قولونية، يبدو أنه يشفر أصل واحد للنسخ المتماثل.

الشكل 4. في أصل النسخ المتماثل ، تتشكل فقاعة النسخ المتماثل.تتكون فقاعة النسخ المتماثلمن شوكات النسخ المتماثل ، يسافر كل منهما في اتجاهين متعاكسين على طول الحمض النووي.إنه مفهومأن شوكات النسخ تشمل جميع الإنزيمات المطلوبة لحدوث النسخ المتماثللم يتم رسمها بشكل صريح 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. حالياعمليةيحتاج إنشاء خصلة جديدة إلى البدء. هنا ، نواجه تحديات إضافية. تتمثل المشكلة الأولى الواضحة في تحديد أي من الخيوط يجب نسخها في أي شوكة نسخ متماثل (على سبيل المثال ، أي الخيطين سيكون بمثابة نموذج للتوليف شبه المحافظ؟ هل كلا الجدولين بدائل قابلة للتطبيق على قدم المساواة؟). هناك أيضًا مشكلة بدء عملية تركيب الخيوط الجديدة. هل يمكن لبوليميراز الحمض النووي أن يبدأ الخيط الجديد من تلقاء نفسه؟ سنناقش فيما بعد الإجابة على السؤال الأخير وبعض المبررات والنتائج. الفكرة الأساسية التي يجب ملاحظتها في هذه المرحلة هي أنها موجودةتم تحديدها تجريبياأن بوليميراز الحمض النووي لا يمكن أن يبدأ تخليق حبلا من تلقاء نفسه. بدلاً من ذلك ، يتطلب بوليميراز الحمض النووي امتدادًا قصيرًا لهيكل مزدوج تقطعت به السبل متبوعًا بقالب واحد تقطعت به السبل. الانزيم بريماز يخلق بوليمر قليل النوكليوتيد قصير من الحمض النووي الريبي (وليس الحمض النووي) يسمى أ التمهيدي (هؤلاءتم تصوريهمبخطوط خضراء قصيرة في الأشكال أعلاه وأدناه). يستخدم بوليميراز الدنا مادة التمهيدي لتكوين خيط جديد ونموه.

أثناء عملية استطالة الخصلة ، فإن بوليميريز الحمض النووي بلمرة ضفيرة جديدة مرتبطة تساهميًا من نيوكليوتيدات الحمض النووي (في البكتيريا قد يكون هذا الإنزيم المحدد

يدعى يسمى

بوليميريز الحمض النووي الثالث ؛ في حقيقيات النوى ، تكون تسمية البوليميراز أكثر تعقيدًا وأدوار العديد من بروتينات البوليميراز

ليست مفهومة تماما

). اتضح أن خصلة واحدة

مفضل

على الآخر ليكون بمثابة نموذج. إن بوليميريز الحمض النووي سوف "يقرأ" خيط القالب من 3 'إلى 5' ويصنع خيطًا جديدًا في اتجاه 5 'إلى 3'. عادة ما تركز الفرضيات لشرح هذه الملاحظة الشاملة على الطاقة المرتبطة بإضافة نيوكليوتيد جديد والحجج المرتبطة بإصلاح الحمض النووي التي سنصفها قريبًا. لذلك دعونا نفكر بإيجاز في التفاعل الذي ينطوي على إضافة نوكليوتيد واحد. يوفر التمهيدي 3 'هيدروكسيل مهم لبدء التوليف. يدخل ثلاثي فوسفات deoxyribonucleotide التالي موقع ربط DNA polymerase ، وكما هو موضح في الشكل 5 أدناه ،

موجه

بواسطة البوليميراز بحيث يمكن أن يحدث التحلل المائي لـ 5 'ثلاثي فوسفات. يطلق هذا التفاعل بيروفوسفات ويقرن التحلل المائي المفرط للطاقة للفوسفوهيدريد مع تخليق رابطة فسفودايستر بين 5 'فوسفات من النوكليوتيد الوارد ومجموعة الهيدروكسيل 3' من التمهيدي. تتكرر هذه العملية حتى تنفد ثلاثي فوسفات الديوكسي ريبونوكليوتيد أو يسقط 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.

تصحيح الاقتران الأساسي ، أو اختيار النيوكليوتيدات الصحيحة لإضافتها في كل خطوة ،

انجز

من خلال القيود الهيكلية التي يشعر بها بوليميريز الحمض النووي والروابط الهيدروجينية المواتية بقوة المتكونة بين النيوكليوتيدات التكميلية. العملية

مدفوعة بقوة

عن طريق التحلل المائي لثلاثي فوسفات 5 الوارد والتفاعلات الإيجابية بقوة التي تشكلت من التفاعلات بين النوكليوتيدات في اللولب المزدوج المتنامي (التراص الأساسي والقاعدة التكميلية التي تقترن روابط الهيدروجين). لاحظ أن الطاقة المضافة للنيوكليوتيدات لا تمنع تقنيًا نمو الخيط في الاتجاه من 3 إلى 5. يتمثل الاختلاف الرئيسي في مخطط التوليف "العكسي" هذا في أن "مصدر" الطاقة للتوليف يجب أن يأتي من نيوكليوتيد مدمج بالفعل في الخيط المتنامي بدلاً من النوكليوتيدات الجديدة الواردة (والتي قد يكون هذا عيبًا انتقائيًا مهمًا

تم نقاشها

موجز). بعد أن بدأ الاستطالة ، يأتي بوليميراز DNA مختلف (في البكتيريا نسمي هذا الإنزيم DNA Polymerase I) لإزالة مادة RNA الأولية وتجميع الجزء المتبقي من الحمض النووي المفقود.

كما تمت 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.

الشكل 5. 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 فسفوانهيدريد في النيوكليوتيدات.
المصدر: http://bio1151.nicerweb.com/Locked/m ...h16 /استطالة.لغة البرمجة

حبلا رائدة ومتأخرة

المناقشة أعلاه حول استطالة حبلا يصف عمليةالجديدالتوليف حبلا إذا كان هذا حبلايتم تصنيعهفي نفس اتجاه شوكة النسخ أو يبدو أنها تتحرك على طول الحمض النووي. يمكن لهذا الخيطيتم تصنيعهابشكل مستمر ويسمىال الساحل الرئيسي. ومع ذلك ، يجب أن يكون كلا خيوط الحلزون المزدوج الأصلي للحمض النووييتم نسخها. 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 حبلايسمىال حبلا متخلفة ، واجبة إلىالقيود الهندسية ، يجب أن يتم تصنيعها من خلال سلسلة من أحداث تحضير الحمض النووي الريبي (RNA) وتوليف الحمض النووي (DNA) إلى مقاطع قصيرة تسمى شظايا أوكازاكي. كما لوحظ ، فإن بدء تخليق كل جزء من أجزاء Okazaki يتطلب بريماز لتركيب مادة أولية من RNA ، ويجب على كل من هذه البادئات من RNAيتم إزالتهواستبدلت بالنيوكليوتيدات DNA بواسطة بوليميراز DNA مختلف. لا يمكن للروابط التساهمية بين كل جزء من أجزاء أوكازاكيمصنوعبواسطة بوليميراز DNA وبالتالي يجبيتم تشكيلهابواسطة إنزيم آخر يسمى الحمض النووييجاز. من الصعب تصور هندسة تركيب الخيوط المتأخرة وإرادتهايتم تغطيتهافي الفصل.

الشكل 6. يتم إنشاء الخيط المتأخرفي قطاعات متعددة. تُظهر شوكة النسخ الشريط الأمامي والمتأخر. تظهر فقاعة النسخ 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 نهاية الكروموسومتم الوصول إليه؛ ومع ذلك ، مع وصول مجمع النسخ المتماثل في نهاية فترة التأخيرساحللا يوجد مكان لـ primase لـ "هبوط" وتوليف RNA التمهيدي بحيث يمكن لتخليق جزء الحمض النووي المفقود المتأخر في نهاية الكروموسومأن تبدأبواسطة بوليميراز الحمض النووي. بدون وجود آلية للمساعدة في سد هذه الفجوة ، ستبقى هذه النهاية الصبغية غير متزاوجة وستظل كذلككن خاسراللنوكليازات. مع مرور الوقت ، وعدة جولات من النسخ المتماثل ، سيكون هذايؤدي الىتصبح نهايات الكروموسومات الخطية أقصر تدريجيًا ، مما يهدد في النهاية قدرة الكائن الحي على البقاء. هذه نهايات الكروموسومات الخطيةمن المعروفكما التيلوميرات وقد طورت جميع الأنواع حقيقية النواة تقريبًا تسلسلات متكررة لا ترميز لجين معين. نتيجة لذلك ، تعمل التيلوميرات "غير المشفرة" كمخازن مؤقتة للنسخ المتماثل ويتم تقصيرهامع 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. إلى جانب العمل كمخزن محتمل ، فإن اكتشاف الإنزيم تيلوميراز ساعد في فهم كيف ينتهي الكروموسوميتم الاحتفاظ. 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. يستخدم التيلوميراز الحمض النووي الريبي كسلسلة تكميلية لاستطالة قصيرة لمكملاته. تكرر الخلية هذه العملية عدة مرات. مرة واحدة في قالب حبلا متخلفةممدود بما فيه الكفايةبواسطة التيلوميراز ، سينتج Primase أساسًا متبوعًا ببوليميراز DNA والذي يمكنه الآن إضافة نيوكليوتيدات مكملة لنهايات الكروموسومات. وهكذا ، نهايات الكروموسوماتيتم تكرارها.

الشكل 7. نهايات الكروموسومات الخطيةيتم الاحتفاظبفعل إنزيم التيلوميراز.

التيلوميراز غير نشط في الخلايا الجسدية البالغة. تستمر الخلايا الجسدية البالغة التي تخضع للانقسام الخلوي في تقصير التيلوميرات الخاصة بها. هذا يعني أن تقصير التيلوميريرتبطمع تقدم العمر. في عام 2010 ، وجد العلماء أن الإنزيم تيلوميراز يمكنه عكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران ، وقد يكون لهذا القدرة على التجدد.دواء.1 الفئران التي تعاني من نقص التيلوميرازاستخدمتفي هذه الدراساتهؤلاءتعاني 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.


مناقشة ملحوظة محتملة نقطة

تخيل أن الباحثين قد اخترعوا دواء للبشر ينظم نشاط التيلوميراز. هل ستكون متحمسًا أم ستكون متشككًا في أن تكون جزءًا من تجربة سريرية؟ هل تثق بهذا الدواء؟ هل يمكنك التفكير في أي عواقب سلبية لتفعيل الإنزيم تيلوميراز إلى مستوى لن يكون عليه "بشكل طبيعي"؟ بافتراض أن العلماء أثبتوا دون شك أن عقارهم ليس له آثار جانبية سلبية - ما هي بعض الأسئلة الأخلاقية التي قد تفكر فيها؟


الاختلافات في معدلات تكرار الحمض النووي بين البكتيريا وحقيقيات النوى

تكرار الحمض النووي لهتمت دراستها جيدًافي البكتيريا ، ويرجع ذلك أساسًا إلى صغر حجم الجينوم والعدد الكبير من المتغيرات المتاحة. بكتريا قولونية 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 أن البوليميراز يضيف ما يقرب من 1000 نيوكليوتيد في الثانية إلى حبلا متنامٍ. هذه العملية أسرع بكثير من حقيقيات النوى. يلخص الجدول 1 الاختلافات بين المضاعفات البكتيرية وحقيقية النواة.

طاولة1.الاختلافات بين التكاثر البكتيري وحقيقيات النواة.

الاختلافات بين تكاثر بدائية النواة وحقيقية النواة
ملكيةبكتيرياحقيقيات النواة
أصل النسخ المتماثلغير مرتبطةعديد
معدل البلمرة لكل بوليميراز1000 نيوكليوتيدات / ثانيةمن 50 إلى 100 نيوكليوتيدات / ثانية
هيكل الكروموسومدائريخطي
تيلوميرازغير موجودالحالي

ارتباط بمصادر خارجية

انقر من خلال برنامج تعليمي حول تكرار الحمض النووي.

تحدي تصميم النسخ المتماثل: التدقيق اللغوي

عندما تقوم الخلية بتكرار الحمض النووي الخاص بها ، 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 أن تحدث العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية الفردية.

في حين أن التكرار المثالي سيحدث بأمانة تامة ، فإن تكرار الحمض النووي ، مثل جميع العمليات الكيميائية الحيوية الأخرى ، غير كامل - قد تكون القواعد

أن تترك

خارج ، قد قواعد إضافية

تضاف

، أو

يمكن إضافة القواعد

التي لا تعمل بشكل صحيح زوج القاعدة. في العديد من الكائنات الحية ، تحدث العديد من الأخطاء أثناء تكرار الحمض النووي

يتم تصحيحها

على الفور بواسطة بوليميراز الحمض النووي نفسه عبر آلية تعرف 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. للقيام بذلك،

يمكن إجراء تصحيح

.

إذا اكتشف البوليميراز وجود قاعدة مضافة حديثًا

تم إقرانه

بشكل صحيح مع القاعدة في حبلا القالب ، فإنه يضيف النوكليوتيد التالي. ومع ذلك ، إذا كان النيوكليوتيدات خاطئة

يضاف

إلى البوليمر المتنامي ، سيؤدي الحلزون المزدوج المشوه إلى توقف بوليميراز الحمض النووي ، وسيخرج المادة المصنعة حديثًا

ساحل

من موقع البلمرة.

وبالتالي ، فإن

ستدخل خيوط الحمض النووي موقع نوكلياز خارجي. في هذا الموقع ، يمكن لبوليميراز الحمض النووي أن ينفصل عن النيوكليوتيدات العديدة الأخيرة

تم اضافته

على البوليمر. بمجرد أن يزيل البوليميراز النيوكليوتيدات غير الصحيحة ، يمكن لشريط الحمض النووي أن يعود إلى موقع البلمرة وستقوم النيوكليوتيدات الجديدة

تضاف

تكرارا. تأتي إمكانية التدقيق اللغوي هذه مع بعض المفاضلات: يتطلب استخدام بوليميراز تصحيح الخطأ / 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 التوازن أمر أساسي.

نحن نسمي الأخطاء

لم يتم تصحيحها

عن طريق التدقيق اللغوي الطفرات.

شكل 1. التدقيق اللغوي بواسطة بوليميراز DNA يصحح الأخطاء أثناء النسخ المتماثل.

أخطاء النسخ 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. إلى جانب أخطاء التكرار ، 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. لذلك ، طورت الطبيعة العديد من الآليات لإصلاح الحمض النووي التالف أو المركب بشكل غير صحيح.

إصلاح عدم التطابق

قد يتم تصحيح الأخطاء التي لم يتم تصحيحها أثناء النسخ المتماثل بدلاً من ذلك بعد اكتمال النسخ المتماثل ؛

نحن

تعرف هذا النوع من الإصلاح إصلاحات عدم التطابق. تتعرف إنزيمات معينة على النيوكليوتيدات المضافة بشكل غير صحيح وتستأصله ، واستبداله بالقاعدة الصحيحة. ولكن كيف تتعرف إنزيمات إصلاح عدم التطابق على أي من القاعدتين غير صحيح؟

في بكتريا قولونية، بعد التكرار ، تكتسب القاعدة النيتروجينية الأدينين مجموعة ميثيل ؛

هذه

يعني أنه بعد النسخ المتماثل مباشرة ، سيكون لشريط الحمض النووي الأبوي مجموعات ميثيل ، في حين أن الشريط المركب حديثًا يفتقر إليها. وبالتالي ، يمكن أن تقوم إنزيمات إصلاح عدم التطابق بمسح الحمض النووي وإزالة القواعد المدمجة بشكل خاطئ من الخيط المركب حديثًا وغير الميثيلي باستخدام الخيط الميثلي كقالب "صحيح" يمكن من خلاله دمج نيوكليوتيد جديد. في حقيقيات النوى ، الآلية

ليست مفهومة جيدا

، لكننا نعتقد أنه يتضمن التعرف على النكات غير المختومة في الخيط الجديد ، وربط قصير الأجل ومستمر لبعض بروتينات النسخ مع حبلا الابنة الجديدة بعد اكتمال النسخ المتماثل.

الشكل 2. في إصلاح عدم التطابق ، القاعدة المضافة بشكل غير صحيحتم الكشف عنبعد النسخ المتماثل. تكتشف بروتينات إصلاح عدم التطابق هذه القاعدة وتزيلها من الخيط المركب حديثًا عن طريق عمل نوكلياز.تم سد الفجوة الآنمع القاعدة المقترنة بشكل صحيح.

إصلاح الختان النوكليوتيدات

إصلاح الختان النوكليوتيدات تحل الإنزيمات محل القواعد غير الصحيحة عن طريق إجراء قطع على طرفي 3 'و 5' للقاعدة غير الصحيحة. الجزء الكامل من الحمض النوويتم حذفهواستبدلت بالنيوكليوتيدات المقترنة بشكل صحيح بفعل بوليميريز DNA. بمجرد القواعدممتلئة بفي ، فإنه يسد الفجوة المتبقية بوصلة phosphodiesterمحفزًابواسطة انزيم DNA ligase.غالبًا ما يتم استخدام آلية الإصلاح هذهعندما يتسبب التعرض للأشعة فوق البنفسجية في تكوين ثنائيات بيريميدين.

الشكل 3. يعمل استئصال النوكليوتيدات على إصلاح ثنائيات الثايمين. عندما تتعرض للأشعة فوق البنفسجية ، الكذب الثايمينالمجاورلبعضها البعض يمكن أن تشكل ثايمين الثايمين. في الخلايا الطبيعية ، هميتم استئصالهاواستبدالها.

عواقب الأخطاء في النسخ والنسخ والترجمة

شيء أساسي للتفكير فيه:

طورت الخلايا طرقًا متنوعة للتأكد من اكتشاف أخطاء الحمض النووي وتصحيحها. لقد ناقشنا بالفعل العديد منهم. لكن لماذا تطورت العديد من الآليات؟ من التدقيق اللغوي بواسطة بوليميرات الحمض النووي المختلفة المعتمدة على الحمض النووي ، إلى أنظمة الإصلاح المعقدة. لم تتطور مثل هذه الآليات لأخطاء في النسخ أو الترجمة. إذا كنت معتادًا على عمليات النسخ و / أو الترجمة ، ففكر في عواقب الخطأ في النسخ. هل مثل هذا الخطأ سيؤثر على النسل؟ هل ستكون قاتلة للخلية؟ ماذا عن الأخطاء في الترجمة؟ اطرح نفس الأسئلة حول عملية الترجمة. ماذا سيحدث لويتم وضع الحمض الأميني الخطأ بطريق الخطأفي عديد الببتيد المتزايد أثناء الترجمة؟ كيف يتناقض هذا مع تكرار الحمض النووي؟ إذا لم تكن معتادًا على النسخ أو الترجمة ، فلا تقلق. سنتعلم هؤلاء قريبًا ونعود إلى هذا السؤال مرة أخرى.