7.8: שכפול DNA

Last updated
Save as PDF

Page ID: 208356

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

לאחר שהוצע, המבנה הכפול-סלילי של ה-DNA הציע מיד מנגנון פשוט לשכפול מדויק של המידע המאוחסן ב-DNA. כל גדיל מכיל את כל המידע הדרוש לציון רצף הגדיל המשלים. התהליך מתחיל כאשר מולקולת dsDNA נפתחת לייצור שני אזורים חד-גדיליים. כאשר ה- DNA עירום, כלומר אינו קשור למולקולות אחרות (חלבונים), פתיחת שני הגדילים יכולה להתרחש בקלות. בדרך כלל, הגדילים הבודדים פשוט מתחברים זה לזה. כדי לשכפל DNA יש לייצב את האזור הפתוח ולארגן את המנגנון הקטליטי. נשקול כיצד הדבר נעשה רק באופן כללי, בפועל זהו תהליך מורכב ומוסדר מאוד הכולל מספר מרכיבים.

שתי הבעיות הראשונות שעלינו לטפל בהן עשויות להיראות שרירותיות, אך הן מתגלות כתכונות נפוצות (שמורות) של סינתזת DNA. האנזימים (תלויי DNA, פולימראזות DNA) המזרזים את הסינתזה של גדילי DNA חדשים אינם יכולים להתחיל סינתזה בעצמם, עליהם להוסיף נוקלאוטידים לפולימר קיים של חומצת גרעין. לעומת זאת, הזרזים המסנתזים RNA (תלוי DNA, פולימראזות RNA) אינם דורשים גדיל חומצת גרעין קיים, הם יכולים להתחיל את הסינתזה של גדיל RNA חדש, המבוסס על רצף DNA משלים, דה נובו. גם פולימראזות DNA וגם RNA מקשרות את קצה 5' של מולקולת נוקלאוטיד טריפוספט לקצה 3' הקיים של מולקולת חומצת גרעין. תגובת פילמור זו אמורה להתקדם בכיוון 5' עד 3'. כפי שנראה בהמשך, המולקולות המעורבות בשכפול DNA ובסינתזת RNA מסתמכות על אותות בתוך ה- DNA המוכרים על ידי חלבונים ואשר קובעים היכן הסינתזה מתחילה ונעצרת, ומתי מתרחשת שכפול חומצות גרעין, אך לעת עתה נניח כי תהליך כלשהו קבע היכן מתחיל השכפול. אנו מתחילים את הדיון שלנו בשכפול DNA.

השלב הראשון בשכפול ה- DNA הוא פתיחה מקומית של מולקולת dsDNA. פולימראז DNA מיוחד תלוי RNA, המכונה פרימאז, מתנגש, נקשר ומסנתז מולקולת RNA קצרה, המכונה פריימר. מכיוון ששני הגדילים של מולקולת ה-DNA מצביעים לכיוונים מנוגדים (הם אנטי-מקבילים), קומפלקס פרימאז אחד מתחבר לכל גדיל DNA, ונוצרים שני פריימרים, אחד על כל גדיל. ברגע שהפריימרים של RNA אלה נמצאים במקום, פולימראזות ה- DNA התלויות ב- DNA מחליפות את הפרימאז ומתחילות לזרז את תגובת הוספת הנוקלאוטיד; איזה נוקלאוטיד מתווסף נקבע על ידי איזה נוקלאוטיד קיים בגדיל ה- DNA הקיים. תגובת הוספת הנוקלאוטידים כוללת נוקלאוטידים שונים המתנגשים במתחם ה- DNA פריימר-פולימראז; רק הנוקלאוטיד המתאים, המשלים לשאריות הנוקלאוטיד בגדיל ה- DNA הקיים נקשר ומשמש בתגובה.

נוקלאוטידים קיימים בצורות זרחניות שונות בתוך התא, כולל נוקלאוטיד מונופוספט (NMP), נוקלאוטיד דיפוספט (NDP) ונוקלאוטיד טריפוספט (NTP). כדי להפוך את תגובת פילמור חומצת הגרעין לטובה מבחינה תרמודינמית, התגובה משתמשת בצורת NTP של מונומרים הנוקלאוטידים, שנוצרת באמצעות התגובה:

(5'P) NTP (3'OH) + (5'P) NTP (3'OH) + ח ₂ 0 (5'P) NTP (3'OH) + דיפוספט.

במהלך התגובה משתחרר הדיפוספט הסופי של ה- NTP הנכנס (תגובה חיובית תרמודינמית) והנוקלאוטיד מונו-פוספט מתווסף לפולימר הקיים באמצעות יצירת קשר פוספודיאסטר [-C-O-P-O-C]. תגובה זו יוצרת קצה OH חדש של 3 'לפולימר שיכול, בתורו, להגיב עם NTP אחר. בתיאוריה, תהליך זה יכול להימשך עד שהגדיל המסונתז החדש יגיע לקצה מולקולת ה- DNA. אולם כדי שהתהליך יימשך, האזור הכפול של ה-DNA המקורי יצטרך להיפתח עוד יותר, ולחשוף עוד DNA חד-גדילי. זכור כי תהליך זה נע, דרך קומפלקסים עצמאיים, בשני הכיוונים לאורך מולקולת ה- DNA. מכיוון שתגובת הפילמור ממשיכה רק בתוספת 3 ', כאשר אזורים חד-גדילים חדשים נפתחים יש ליצור פריימרים חדשים (על ידי פרימאז) ולאחר מכן להרחיב (על ידי DNA פולימראז). אם תנסו לצייר איך זה נראה, תבינו ש-i) תהליך זה אינו סימטרי ביחס לאתר ההתחלה של השכפול; ii) התהליך מייצר מולקולות היברידיות RNA-DNA; ו-iii) שבסופו של דבר פולימראז DNA מתרחב יתקל בחלק פריימר ה-RNA של מולקולה "במעלה הזרם". עם זאת, קיימת מורכבות: אזורי RNA אינם נמצאים במולקולות DNA "בוגרות", ולכן יש לעיסה מנגנונים שמסירים אותם. זאת בשל העובדה כי קומפלקס פולימראז DNA מכיל יותר מפעילות קטליטית אחת. כאשר קומפלקס ה-DNA פולימראז מגיע לשרשרת חומצות הגרעין במעלה הזרם הוא נתקל באזור המכיל RNA זה; פעילות אקסנוקלאז RNA מסירה את נוקלאוטידים של RNA ומחליפה אותם בנוקלאוטידים של DNA באמצעות גדיל ה-DNA הקיים כפריימר. לאחר הסרת חלק ה- RNA, פעילות ליגאז DNA פועלת לחיבור שתי מולקולות ה- DNA. תגובות אלו, המונעות על ידי הידרוליזה של נוקלאוטידים, מייצרות בסופו של דבר גדיל DNA רציף. למבט דינמי על התהליך בדוק את הסרטון הזה ²⁰⁸ שהוא נחמד, אבל "שטוח" (כדי להפחית את מורכבות התהליך) ולא מצליח להתחיל בתחילת התהליך.

שיקולים אבולוציוניים: בשלב זה אתה יכול בהחלט לשאול את עצמך, מדוע (למען השם) הוא תהליך שכפול ה- DNA כה מורכב. מדוע לא להשתמש בפולימראז DNA שאינו זקוק לפריימר RNA, או כל פריימר לצורך העניין, מכיוון ש- RNA פולימראז אינו זקוק לפריימר? מדוע אין פולימראזות שמוסיפות נוקלאוטיד באותה מידה לשני קצות הפולימר? שמנגנון כזה אפשרי מוצע על ידי נוכחותם של אנזימים בתאים אוקריוטיים שיכולים לבצע תוספת של נוקלאוטיד לקצה 5' של מולקולת RNA (תגובת המכסה 5' הקשורה לסינתזת mRNA) שנשקול בקצרה בהמשך. אבל, פעילויות כאלה פשוט אינן משמשות בשכפול DNA. התשובה האמיתית היא שאנחנו לא בטוחים בסיבות. אלה יכולים להיות שרידים אבולוציוניים, תהליך שהוקם בתוך האב הקדמון המשותף האחרון של כל האורגניזמים וקשה מאוד או בלתי אפשרי לשינוי באמצעות מנגנונים אבולוציוניים, או פשוט שווה את המאמץ (מבחינת השפעותיו על הצלחת הרבייה). לחלופין, יכולים להיות יתרונות סלקטיביים חזקים הקשורים למערכת המונעים שינויים כאלה. מה שברור הוא שכך נראה שהמערכת מתפקדת בכל האורגניזמים הידועים, ולכן למטרות מעשיות, עלינו לזכור כמה מפרטי המפתח המעורבים, אלה כוללים את כיוון סינתזת הפולימרים והצורך (במקרה של DNA) של פריימר RNA.

הפניות

סרטון שכפול DNA: http://bcove.me/x3ukmq4x

תורמים וייחוסים

Template:ContribKlymkowsky