Skip to main content
Global

7.9: מכונות שכפול

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208355

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

    הצגנו שכפול DNA (אותו תהליך, ככל הנראה הומולוגי, משמש בכל האורגניזמים הידועים) במונחים פשוטים מבחינה רעיונית ככל שנוכל, אך חשוב לזכור שהמנגנון בפועל המעורב מורכב. בחלקה מורכבות זו מתעוררת מכיוון שהתהליך מוגבל טופולוגית וצריך להיות מדויק ביותר. בחיידק Escherichia coli מעל 100 גנים מעורבים בתהליכי שכפול ותיקון DNA. כדי להבטיח שהשכפול נשלט ומושלם, השכפול מתחיל ברצפים ספציפיים לאורך גדיל ה-DNA, המכונה מקורות שכפול או בקיצור מקורות. רצפי DNA מקוריים מזוהים על ידי חלבונים קושרים ל- DNA ספציפיים. הקישור של חלבונים אלה יוזם הרכבה של קומפלקס זיהוי מקור, ORC. חלבונים שונים נקשרים לאחר מכן ל-DNA כדי לדנטורציה מקומית (להירגע ולהפריד) ולחסום את הגדילים הבודדים מחישול מחדש. זה מוביל להיווצרות בועת שכפול. קומפלקסים מרובי חלבונים, המכונים מזלגות שכפול, מתאספים לאחר מכן על שני גדילי ה- DNA. באמצעות מקור שכפול יחיד ושני מזלגות שכפול הנעים בכיוונים מנוגדים, א. קולי גדל במהירות יכול לשכפל ~ 4,700,000 זוגות בסיס של DNA (אשר נמצאים בצורה של מולקולת DNA מעגלית אחת) בתוך ~ 40 דקות. כל מזלג שכפול נע לאורך ה- DNA ומוסיף ~ 1000 זוגות בסיס של DNA לשנייה לפולימר ה- DNA החדש שנוצר. בעוד שדיון במנגנונים המדויקים המעורבים הוא מעבר להיקף שלנו כאן, זה גם קריטי ש- DNA יושלם לפני שתא מנסה להתחלק.

    סינתזת DNA (שכפול) היא תהליך מדויק ביותר; הפולימראז עושה כשגיאה אחת על כל 10,000 בסיסים שהוא מוסיף. אך רמת הטעות הזו תהיה כמעט בוודאות מזיקה ביותר, ולמעשה רוב השגיאות הללו מוכרות במהירות כטעויות. כדי להבין כיצד, זכור שלזוגות בסיסים נכונים של AT ו- GC יש את אותם ממדים מולקולריים, כלומר זוגות בסיס AG, CT, AC ו- GT שגויים הם ארוכים מדי או קצרים מדי. על ידי תגובה לאורך זוג הבסיסים, מכונות מולקולריות יכולות לזהות טעות בזיווג בסיסים כפגם מבני במולקולת ה- DNA. כאשר נוצר ומזהה זוג בסיסים לא תואם, פולימראז ה- DNA מפסיק את הסינתזה קדימה, הופך את כיוונו ומסיר את אזור ה- DNA המכיל את זוג הבסיסים הלא תואם באמצעות פעילות "DNA exonuclease". לאחר מכן הוא מסנתז מחדש את האזור, (בתקווה) בצורה נכונה. תהליך זה ידוע בשם קריאת הוכחה; פעילות קריאת ההוכחה של קומפלקס ה-DNA פולימראז מפחיתה את שיעור השגיאות הכולל של סינתזת ה-DNA ל-~1 שגיאה לכל 1,000,000,000 (10 9) זוגות בסיסים מסונתזים.

    בשלב זה הבה נבחן את המינוח, שיכול להיראות מסתורי ובלתי אפשרי להבנה, אך למעשה מציית לכללים פשוטים למדי. אקסונוקלאז הוא אנזים שיכול להיקשר לקצה החופשי של פולימר חומצת גרעין ולהסיר נוקלאוטידים באמצעות תגובת הידרוליזה של הקשר הפוספודיסטר. אקסונוקלאז 5 'מנתק נוקלאוטיד הממוקם בקצה 5' של המולקולה, אקסונוקלאז 3', מנתק נוקלאוטיד הממוקם בקצה 3' של המולקולה. מולקולת חומצת גרעין מעגלית שלמה חסינה מפני ההשפעות של אקסונוקלאז. כדי לשבור את הקשר בין שני נוקלאוטידים בחלק הפנימי של מולקולת חומצת גרעין (או במולקולה מעגלית, שאין לה קצוות), צריך פעילות אנדונוקלאז.

    כשאתה חושב על התהליכים המעורבים, אתה מבין שברגע שמתחילה סינתזת ה- DNA, חשוב שהיא תמשיך ללא הפרעה. אבל האינטראקציות בין שרשראות חומצות גרעין מבוססות על אינטראקציות חלשות של קישור H, וניתן לצפות מהאנזימים המעורבים בתהליך שכפול ה-DNA להתנתק מה-DNA בגלל ההשפעות של תנועה תרמית, דמיינו את כל המערכת מצחקקת ורוטטת - מוחזקים יחד על ידי אינטראקציות חלשות יחסית. אנו יכולים לאפיין עד כמה מולקולת פולימראז DNA נשארת קשורה באופן פרודוקטיבי למולקולת DNA מבחינת מספר הנוקלאוטידים שהיא מוסיפה למולקולה חדשה לפני שהיא נופלת; זה ידוע כ"תהליך "שלו. אז אם אתה חושב על קומפלקס שכפול ה-DNA כמכונה מולקולרית, אתה יכול לתכנן דרכים להבטיח שלמתחם השכפול יש תהליכים גבוהים, בעצם על ידי שמירה על קשר ל-DNA. קבוצה אחת של מכונות כאלה היא מהדק הזזה של פולימראז ומעמיס מהדק (ראה: http://youtu.be/QMhi9dxWaM8). קומפלקס ה-DNA פולימראז מוחזק על ה-DNA על ידי חלבון בצורת סופגנייה, המכונה מהדק הזזה, המקיף את הסליל הכפול של ה-DNA וקשור חזק לפולימראז ה-DNA. אז השאלה היא, איך חלבון מגיע להקיף מולקולת DNA? התשובה היא שחלבון המהדק מתווסף ל- DNA על ידי מכונה מולקולרית חלבונית אחרת המכונה מעמיס המהדק 209. לאחר סגירתו סביב ה- DNA המהדק יכול לנוע בחופשיות לאורך מולקולת ה- DNA, אך הוא אינו יכול לעזוב את ה- DNA. תנועת ההחלקה של המהדק לאורך ה-DNA מפוזרת - כלומר מונעת על ידי תנועה תרמית. לתנועתו ניתן כיוון מכיוון שהמהדק מחובר לקומפלקס ה-DNA פולימראז שמוסיף מונומרים לפולימר חומצת הגרעין הגדל. זה מעביר את קומפלקס השכפול (מעוכב מלהתפזר מה-DNA על ידי המהדק) לאורך ה-DNA לכיוון הסינתזה. התהליכים גדלים מכיוון שכדי לעזוב את ה- DNA הפולימראז צריך להתנתק מהמהדק או מהמהדק כדי להסירו על ידי מעמיס המהדק הפועל הפוך, הפועל כפורק.

    תורמים וייחוסים