همانندسازی DNA

اهداف:

• آشنایی با همانند سازی DNA و روند آن

شرح درس:

تقریبا تمام هسته‌ های سلول های موجود زنده شامل ترکیب کروموزومی یکسان است. این ترکیب همواره ثابت است. صرف نظر از این که در سلول ، مواد غذایی فراوان یا بسیار کم باشد، هر موجود زنده حیات خود را به صورت یک تک سلول با ترکیب کروموزمی یکسان آغاز می‌کند.

زمانی که مولکول DNA برای اولین بار شناخته شد، یکی از خصوصیاتی که توجه همگان را به خود جلب کرد ویژگی مکمل بودن زنجیره‌ های آن بود. قبل از این که اطلاعات کافی در مورد اسید های نوکلئیک و پروتئین‌ ها در دسترس ژنتیک‌دانان باشد، تصور بر این بود که مولکول DNA برای بیوسنتز پروتئین‌ ها، خود به عنوان الگو قرار می‌گیرد و پروتئین‌ تولید شده نیز به عنوان الگو در سنتز DNA شرکت می‌کند.

ولی بعد از آن که معلوم شد که دو رشته DNA مکمل یکدیگر می ‌باشند، نقش پروتئین‌ به عنوان الگو در همانندسازی DNA رد گردید. در عوض گفته شد که هر یک از رشته‌ های DNA مادر به عنوان الگو قرار گرفته و مولکول‌ های DNA دختر از روی آن ها به وجود می‌آیند. (همانند سازی نیمه حفاظتی). اگر چه از همان ابتدا فرضیه فوق بسیار منطقی به نظر می‌رسید، با این حال شواهد لازم برای اثبات آن باید فراهم می‌گشت. پس از شناخت ساختمان مارپیچ مضاعف، مشاهده شد که در هنگام همانندسازی دو زنجیره مکمل به طور موقت از یکدیگر جدا می‌شوند و شواهد آنزیمی موثق دال بر این بود که مولکول DNA در هنگام همانندسازی به عنوان الگویی جهت ساخت زنجیره‌هی جدید عمل می‌کند.

اولین مرحله مهم در همانندسازی DNA شناسایی جایگاه شروع همانندسازی و شکستن پیوند های هیدروژنی میان باز های دو رشته موازی ناهمسو است. این رویداد ابتدا در مناطق غنی از نوکلئوتید های A و T رخ می دهد. دلیل این امر پیوند های هیدروژنی کمتر میان آدنین و تیمین (2 پیوند) در مقایسه با گوانین و سیتوزین (3 پیوند) است. ضمناً از آنجا که مولکول‌ های DNA  بسیار باریک می ‌باشند باز شدن تاب های فوق، اصطکاکی به وجود نمی‌آورد و برای انجام آن انرژی ناچیزی مورد نیاز است.

آنزیم هلیکاز مسئول شکستن پیوند ها و باز کردن دو رشته از هم می باشد. نقطه ای که فرآیند همانندسازی از آن شروع می شود، نقطه آغاز همانندسازی (origin of replication) نام دارد و ساختاری که در این منطقه ایجاد می شود به چنگال همانندسازی (replication fork) معروف است.

یکی از مهم ترین مراحل شامل اتصال آنزیم RNA پریماز (RNA primase) در نقطه شروع روی زنجیره الگو می باشد. این آنزیم با ایجاد یک RNA کوچک جلوی رشته الگو، در ابتدای فرآیند همانندسازی، یک انتهای ^3´-OH   آزاد به وجود می آورد تا آنزیم DNA پلیمراز از آن به عنوان نقطه آغاز استفاده نماید. پس از شروع همانندسازی مرحله ادامه طویل سازی رشته انجام می شود که شامل اضافه شدن نوکلئوتید های مکمل به ترتیب جلوی الگو می باشد.

از آن جا که دو رشته DNA موازی ناهمسو هستند، یکی از رشته ها در جهت و رشته دیگر در جهت می باشد. در صورتی که سنتز DNA تنها در جهت انجام می شود. رشته ای که در مقابل رشته الگوی  تز می شود به صورت ممتد و در جهت  پیش می رود و به رشته رهبر (leading strand) معروف است در صورتی که رشته دیگر که در مقابل رشته  سنتز می شود به صورت قطعات ناپیوسته به نام قطعات اکازاکی در جهت  از منطقه ای جلوتر سنتز شده و بعداً به هم متصل می شوند تا رشته کامل را به وجود آورند.

این رشته به رشته پیرو (lagging strand) معروف است. آنزیم های DNA پلیمراز دیگر و آنزیم هلیکاز با کمک یکدیگر عمل برداشت قطعات RNA پرایمری، پر کردن جای خالی و در نهایت اتصال میان قطعات اکازاکی را برعهده دارند. در انتهای مرحله طویل سازی، مرحله خاتمه همانندسازی رخ می دهد. این مرحله زمانی اتفاق می افتد که آنزیم DNA پلیمراز به انتهای رشته های الگو می رسد. آنزیم و فاکتورهای پروتئینی کمکی از DNA جدا می شوند و یک مولکول DNA دو رشته ای والدی به دو مولکول DNA دو رشته ای دختری کاملاً یکسان تبدیل می شوند. (فیلم 1).

زنجیره  دو رشته ای و مارپیچ DNA توسط آنزیم هلیکاز به طور موقت باز کمی شود. انزیم DNA پلی مراز از سر آزاد  از  شروع به رونویسی می کند(رشته رهبر). رشته دیگر که پیشرو نام دارد به صورت قطعات ناپیوسته به نام قطعات اکازاکی در جهت  از منطقه ای جلوتر سنتز شده و بعداً به هم متصل می شوند تا رشته کامل را به وجود آورند. این رشته به رشته پیرو (lagging strand) معروف است.

مرکز یادگیری سایت تبیان

تهیه: فاضل سامانی - تنظیم: داودی