Skip to main content
Global

14.4: تكرار الحمض النووي في بدائيات النواة

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196560

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

    المهارات اللازمة للتطوير

    • شرح عملية تكرار الحمض النووي في بدائيات النواة
    • ناقش دور الإنزيمات والبروتينات المختلفة في دعم هذه العملية

    تمت دراسة تكرار الحمض النووي بشكل جيد للغاية في بدائيات النواة ويرجع ذلك أساسًا إلى صغر حجم الجينوم والطفرات المتوفرة. يحتوي E. coli على 4.6 مليون زوج أساسي في كروموسوم دائري واحد ويتم تكراره جميعًا في حوالي 42 دقيقة، بدءًا من أصل واحد للتكرار والمضي قدمًا حول الدائرة في كلا الاتجاهين. هذا يعني أنه يتم إضافة ما يقرب من 1000 نيوكليوتيدات في الثانية. هذه العملية سريعة جدًا وتحدث بدون أخطاء كثيرة.

    يستخدم تكرار الحمض النووي عددًا كبيرًا من البروتينات والإنزيمات، كل منها يلعب دورًا مهمًا أثناء العملية. أحد اللاعبين الرئيسيين هو إنزيم بوليميراز DNA، المعروف أيضًا باسم DNA pol، والذي يضيف النيوكليوتيدات واحدة تلو الأخرى إلى سلسلة الحمض النووي المتنامية التي تكمل خيط القالب. تتطلب إضافة النيوكليوتيدات طاقة؛ يتم الحصول على هذه الطاقة من النيوكليوتيدات التي تحتوي على ثلاثة فوسفات مرتبطة بها، على غرار ATP الذي يحتوي على ثلاث مجموعات من الفوسفات. عندما يتم كسر الرابطة بين الفوسفات، يتم استخدام الطاقة المنبعثة لتشكيل رابطة الفسفوديستر بين النيوكليوتيد الوارد وسلسلة النمو. في بدائيات النوى، تُعرف ثلاثة أنواع رئيسية من البوليميرات: DNA pol I و DNA pol II و DNA pol III. من المعروف الآن أن DNA pol III هو الإنزيم المطلوب لتخليق الحمض النووي؛ DNA pol I و DNA pol II مطلوبان بشكل أساسي للإصلاح.

    كيف تعرف آلات النسخ المتماثل من أين تبدأ؟ اتضح أن هناك تسلسلات محددة من النيوكليوتيد تسمى أصول النسخ المتماثل حيث يبدأ النسخ المتماثل. في E. coli، التي لها أصل وحيد للتكاثر على كروموسوم واحد (كما هو الحال مع معظم بدائيات النواة)، يبلغ طولها حوالي 245 زوجًا أساسيًا وهي غنية بتسلسلات AT. يتم التعرف على أصل النسخ المتماثل من خلال بعض البروتينات المرتبطة بهذا الموقع. يعمل إنزيم يسمى الهليكوز على فك الحمض النووي عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين أزواج القاعدة النيتروجينية. التحلل المائي ATP مطلوب لهذه العملية. عندما ينفتح الحمض النووي، تتشكل هياكل على شكل حرف Y تسمى شوكات النسخ المتماثل. يتم تكوين شوكتين للنسخ المتماثل في أصل النسخ المتماثل ويتم توسعهما بشكل ثنائي الاتجاه مع استمرار النسخ المتماثل. تغطي بروتينات الربط أحادية الخيط خيوط الحمض النووي المفردة بالقرب من شوكة النسخ المتماثل لمنع الحمض النووي أحادي الجديلة من العودة إلى حلزون مزدوج. بوليميراز الحمض النووي قادر على إضافة النيوكليوتيدات فقط في اتجاه 5 إلى 3 بوصات (يمكن تمديد خيط DNA جديد فقط في هذا الاتجاه). يتطلب أيضًا مجموعة 3'-OH مجانية يمكنها إضافة النيوكليوتيدات إليها عن طريق تكوين رابطة فوسفوديستر بين نهاية 3'-OH وفوسفات 5' من النيوكليوتيد التالي. هذا يعني بشكل أساسي أنه لا يمكن إضافة النيوكليوتيدات إذا لم تكن مجموعة 3'-OH المجانية متاحة. ثم كيف تضيف أول نيوكليوتيد؟ تم حل المشكلة بمساعدة برايمر يوفر نهاية 3'-OH المجانية. يقوم إنزيم آخر، RNA primase، بتجميع مادة RNA الأولية التي يبلغ طولها حوالي خمسة إلى عشرة نيوكليوتيدات ومكملة للحمض النووي. نظرًا لأن هذا التسلسل يعد تخليق الحمض النووي، فإنه يُطلق عليه بشكل مناسب اسم البرايمر. يمكن لبوليميراز الحمض النووي الآن توسيع نطاق الحمض النووي الريبي التمهيدي هذا، بإضافة النيوكليوتيدات واحدة تلو الأخرى المكملة لخيط القالب (الشكل\(\PageIndex{1}\)).

    يوضح الرسم التوضيحي شوكة النسخ المتماثل. تعمل الهليكوز على فك اللولب، وتمنع بروتينات الربط أحادية الخيط اللولب من إعادة التشكيل. يمنع توبويزوميراز الحمض النووي من الالتفاف بإحكام شديد قبل شوكة النسخ المتماثل. يشكل بريماز الحمض النووي مادة أولية للحمض النووي الريبي، ويقوم بوليميراز الحمض النووي بتوسيع خيط الحمض النووي من برايمر RNA. يحدث تخليق الحمض النووي فقط في اتجاه 5 إلى 3. على الخيط الرئيسي، يحدث تخليق الحمض النووي بشكل مستمر. على الخيط المتخلف، تتم إعادة تشغيل تخليق الحمض النووي عدة مرات أثناء استرخاء اللولب، مما ينتج عنه العديد من الأجزاء القصيرة التي تسمى «شظايا أوكازاكي». يربط ليغاز الحمض النووي شظايا أوكازاكي معًا في جزيء DNA واحد.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): تتشكل شوكة النسخ المتماثل عندما تفصل الهليكوز خيوط الحمض النووي في أصل النسخ المتماثل. يميل الحمض النووي إلى أن يصبح أكثر لفافًا قبل شوكة النسخ المتماثل. يعمل توبويزوميراز على تكسير وإصلاح العمود الفقري للفوسفات في الحمض النووي قبل شوكة النسخ المتماثل، وبالتالي يخفف الضغط الناتج عن هذا اللف الفائق. ترتبط البروتينات الرابطة أحادية الشريط بالحمض النووي أحادي الجديلة لمنع اللولب من إعادة التشكيل. يقوم بريماز بتوليف برايمر الحمض النووي الريبي. يستخدم بوليميراز الحمض النووي الثالث هذا البرايمر لتجميع خيط الحمض النووي البنت. على الخيط الرئيسي، يتم تصنيع الحمض النووي بشكل مستمر، بينما في الخيط المتخلف، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة تسمى شظايا أوكازاكي. يستبدل بوليميراز الحمض النووي الأول برايمر RNA بالحمض النووي. يسد ليغاز الحمض النووي الفجوات بين أجزاء أوكازاكي، ويربط الشظايا في جزيء واحد من الحمض النووي. (الائتمان: تعديل العمل من قبل ماريانا رويز فيلاريال)

    التمارين\(\PageIndex{1}\)

    تقوم بعزل سلالة خلوية يكون فيها ارتباط أجزاء أوكازاكي ضعيفًا وتشك في حدوث طفرة في إنزيم موجود في شوكة النسخ المتماثل. ما الإنزيم الأكثر احتمالاً للتحور؟

    إجابة

    ليغاز الحمض النووي، حيث يربط هذا الإنزيم شظايا أوكازاكي معًا.

    تتحرك شوكة النسخ المتماثل بمعدل 1000 نيوكليوتيدات في الثانية. يمكن أن يمتد بوليميراز الحمض النووي فقط في اتجاه 5 إلى 3 بوصات، مما يشكل مشكلة بسيطة في شوكة النسخ المتماثل. كما نعلم، فإن اللولب المزدوج للحمض النووي مضاد للتوازي؛ أي أن أحد الخطين يقع في اتجاه 5 إلى 3 بوصات والآخر موجه في اتجاه 3 إلى 5. يتم تصنيع خيط واحد، وهو مكمل لخيط الحمض النووي الأبوي من 3 إلى 5 بوصات، بشكل مستمر باتجاه شوكة النسخ المتماثل لأن البوليميراز يمكن أن يضيف النيوكليوتيدات في هذا الاتجاه. يُعرف هذا الشريط المركب باستمرار باسم الخصلة الرائدة. أما الخيط الآخر، المكمل للحمض النووي الأبوي الذي يتراوح طوله بين 5 بوصات و3 بوصات، فيمتد بعيدًا عن شوكة النسخ المتماثل، في أجزاء صغيرة تُعرف باسم أجزاء أوكازاكي، وتتطلب كل منها برايمر لبدء التركيب. تمت تسمية أجزاء Okazaki على اسم العالم الياباني الذي اكتشفها لأول مرة. يُعرف الشريط الذي يحتوي على شظايا Okazaki باسم الخصلة المتخلفة.

    يمكن تمديد الشريط الرئيسي باستخدام برايمر واحد فقط، بينما تحتاج الخصلة المتخلفة إلى برايمر جديد لكل قطعة من أجزاء أوكازاكي القصيرة. سيكون الاتجاه العام للحبل المتخلف من 3 إلى 5 بوصات، والاتجاه العام للشريط الرائد من 5 إلى 3 بوصات. يقوم بروتين يسمى المشبك المنزلق بتثبيت بوليميراز الحمض النووي في مكانه حيث يستمر في إضافة النيوكليوتيدات. المشبك المنزلق عبارة عن بروتين على شكل حلقة يرتبط بالحمض النووي ويحافظ على البوليميراز في مكانه. يمنع Topoisomerase الإفراط في لف اللولب المزدوج للحمض النووي قبل شوكة النسخ المتماثل أثناء فتح الحمض النووي؛ وهو يفعل ذلك عن طريق التسبب في حدوث شقوق مؤقتة في حلزون الحمض النووي ثم إعادة غلقه. مع تقدم عملية التوليف، يتم استبدال بادئات الحمض النووي الريبي بالحمض النووي. تتم إزالة البادئات من خلال نشاط إكسونوكلياز لحمض الدنا بول الأول، ويتم ملء الفجوات بواسطة الديوكسي ريبونوكليوتيدات. يتم ختم النكات المتبقية بين الحمض النووي المركب حديثًا (الذي حل محل الحمض النووي الريبي التمهيدي) والحمض النووي المركب مسبقًا بواسطة إنزيم ليغاز الحمض النووي الذي يحفز تكوين ارتباط الفوسفوديستر بين نهاية 3'-OH لأحد النيوكليوتيد ونهاية الفوسفات 5' للجزء الآخر.

    بمجرد تكرار الكروموسوم بالكامل، تنتقل نسختان من الحمض النووي إلى خليتين مختلفتين أثناء انقسام الخلية. يمكن تلخيص عملية تكرار الحمض النووي على النحو التالي.

    خطوات تكرار الحمض النووي

    1. يختفي الحمض النووي عند أصل النسخ المتماثل.
    2. تفتح Helicase شوكات النسخ المتماثل المكونة للحمض النووي؛ يتم تمديدها بشكل ثنائي الاتجاه.
    3. تغطي البروتينات الرابطة أحادية الشريط الحمض النووي حول شوكة النسخ المتماثل لمنع إعادة لف الحمض النووي.
    4. يتم ربط Topoisomerase في المنطقة قبل شوكة النسخ المتماثل لمنع اللف الزائد.
    5. يقوم Primase بتجميع بادئات الحمض النووي الريبي المكملة لحبل الحمض النووي.
    6. يبدأ بوليميراز الحمض النووي بإضافة النيوكليوتيدات إلى نهاية 3'-OH من البرايمر.
    7. يستمر استطالة كل من الخيط المتخلف والرائد.
    8. تتم إزالة بادئات RNA عن طريق نشاط إكسونوكلياز.
    9. يتم ملء الفجوات بواسطة مجموعة الحمض النووي عن طريق إضافة DNTPs.
    10. يتم سد الفجوة بين شظيتي الحمض النووي بواسطة ليغاز الحمض النووي، مما يساعد في تكوين روابط الفوسفوديستر.

    \(\PageIndex{1}\)يلخص الجدول الإنزيمات المشاركة في تكرار الحمض النووي الأولي ووظائف كل منها.

    الجدول\(\PageIndex{1}\): تكرار الحمض النووي الأولي: الإنزيمات ووظيفتها
    إنزيم/بروتين وظيفة محددة
    عينة الحمض النووي الأولى يزيل نشاط إكسونوكلياز برايمر RNA ويستبدل بالحمض النووي المركب حديثًا
    مجموعة الحمض النووي 2 وظيفة الإصلاح
    مجموعة الحمض النووي 3 الإنزيم الرئيسي الذي يضيف النيوكليوتيدات في اتجاه 5'-3'
    هيليكاس يفتح حلزون الحمض النووي عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين القواعد النيتروجينية
    الليغاس يسد الفجوات بين أجزاء أوكازاكي لإنشاء خيط واحد مستمر من الحمض النووي
    زهرة الربيع يقوم بتجميع بادئات الحمض النووي الريبي اللازمة لبدء النسخ المتماثل
    مشبك منزلق يساعد على تثبيت بوليميراز الحمض النووي في مكانه عند إضافة النيوكليوتيدات
    توبويزوميراز يساعد في تخفيف الضغط على الحمض النووي عند الاسترخاء عن طريق التسبب في حدوث فواصل ثم إعادة ختم الحمض النووي
    بروتينات ربط أحادية الخيط (SSB) يرتبط بالحمض النووي أحادي الجديلة لتجنب إعادة لف الحمض النووي مرة أخرى.

    رابط إلى التعلم

    راجع العملية الكاملة لتكرار الحمض النووي هنا.

    ملخص

    يبدأ النسخ المتماثل في بدائيات النواة من تسلسل موجود على الكروموسوم يسمى أصل النسخ المتماثل - النقطة التي ينفتح عندها الحمض النووي. تفتح Helicase اللولب المزدوج للحمض النووي، مما يؤدي إلى تكوين شوكة النسخ المتماثل. ترتبط بروتينات الربط أحادية الشريط بالحمض النووي أحادي الجديلة بالقرب من شوكة النسخ المتماثل لإبقاء الشوكة مفتوحة. يقوم Primase بتجميع مادة RNA الأولية لبدء التخليق بواسطة بوليميراز الحمض النووي، والذي يمكنه إضافة النيوكليوتيدات فقط في اتجاه 5 إلى 3 بوصات. يتم تصنيع خيط واحد بشكل مستمر في اتجاه شوكة النسخ المتماثل؛ وهذا ما يسمى بالحبل الرئيسي. يتم تصنيع الخيط الآخر في اتجاه بعيد عن شوكة النسخ المتماثل، في فترات قصيرة من الحمض النووي المعروفة باسم أجزاء Okazaki. يُعرف هذا الشريط باسم الخصلة المتخلفة. بمجرد اكتمال النسخ المتماثل، يتم استبدال بادئات الحمض النووي الريبي بنيوكليوتيدات الحمض النووي ويتم ختم الحمض النووي باستخدام ليغاز الحمض النووي، مما يخلق روابط فوسفوديستر بين 3'-OH من أحد الطرفين والفوسفات 5' للحبل الآخر.

    مسرد المصطلحات

    هيليكوز
    أثناء النسخ المتماثل، يساعد هذا الإنزيم على فتح حلزون الحمض النووي عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية
    حبلا متخلفة
    أثناء النسخ المتماثل، يتم تكرار الشريط في أجزاء قصيرة وبعيدًا عن شوكة النسخ المتماثل
    حبلا رائدة
    خيط يتم تصنيعه باستمرار في اتجاه 5'-3' والذي يتم تصنيعه في اتجاه شوكة النسخ المتماثل
    الليغاز
    إنزيم يحفز تكوين رابط فوسفوديستر بين طرفي الفوسفات 3' OH و 5' من الحمض النووي
    جزء أوكازاكي
    جزء من الحمض النووي يتم تصنيعه في فترات قصيرة على الشريط المتخلف
    زهرة الربيع
    الإنزيم الذي يصنع برايمر الحمض النووي الريبي؛ هناك حاجة إلى البرايمر لبول الحمض النووي لبدء تخليق خيط الحمض النووي الجديد
    التمهيدي
    فترة قصيرة من النيوكليوتيدات المطلوبة لبدء النسخ المتماثل؛ في حالة النسخ المتماثل، يحتوي البرايمر على نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي
    شوكة النسخ المتماثل
    تم تشكيل هيكل على شكل Y أثناء بدء النسخ المتماثل
    بروتين ربط أحادي الخصلة
    أثناء النسخ المتماثل، بروتين يرتبط بالحمض النووي أحادي الجديلة؛ يساعد هذا في إبقاء شريطي الحمض النووي منفصلين بحيث يمكن استخدامهما كقوالب
    مشبك منزلق
    بروتين على شكل حلقة يحمل مجموعة الحمض النووي على خيط الحمض النووي
    توبويزوميراز
    الإنزيم الذي يسبب ضعف الحمض النووي أو تجاوزه عند تكرار الحمض النووي