اسم الصورة: التضاعف شبه المحافظ لجزيء DNA

اسم الصورة: التضاعف شبه المحافظ لجزيء DNA

9-2

تضاعف DNA
Replication of DNA

الفكرة الرئيسة يتضاعف DNA بتكوين سلسلة جديدة متممة للسلسلة الأصلية.

الربط مع الحياة عندما تستحضر أمرًا لتصوير وثائق مهمة، أن تكون النسخة طبق الأصل. إن عمل نسخة تحوي أخطاء لم تكن موجودة في الأصل غير مفيد. وكذلك، فكر كيف يستطيع جسمك عمل نسخ من DNA؟

الأهداف
تلخص دور الإنزيمات في تضاعف DNA.
تشرح كيف يتم بناء السلسلة الرئيسة والسلسلة الثانوية بصورة مختلفة كل منهما عن الأخرى.

مراجعة المفردات
التتابع: جزيء الـ DNA الذي يعد النمط الأساسي اللازم لبناء سلسلة DNA جديدة.

المفردات الجديدة
التضاعف شبه المحافظ
إنزيم بلمرة DNA
قطع أوكازاكي

Semiconservative Replication
تضاعف DNA شبه المحافظ

اقترح واتسون وكريك طريقة محتملة لتضاعف جزيء DNA، وهو ما يسمى عملية التضاعف شبه المحافظ؛ حيث تنفصل خلال التضاعف شبه المحافظ semiconservative replication سلسلا DNA الأصلية لتعمل بوصفها قوالب templates، وتبدأ عملية التضاعف، فينتج جزيء DNA مكون من سلسلة أصلية وأخرى جديدة. درست من قبل أن تضاعف DNA يحدث في الطور البيني للانقسام المتساوي أو المنصف. تتضمن عملية التضاعف شبه المحافظ ثلاث مراحل، هي: فك الالتواء، وارتباط القواعد في الأزواج، وإعادة ربط السلاسل، كما في الشكل 9-10.

فك الالتواء Unwinding يسمى الإنزيم المسؤول عن فك الالتواء وفصل جزيء DNA الحلزوني المزدوج إنزيم فك الالتواء هيليكاز helicase.

الشكل 9-10 في التضاعف شبه المحافظ، تنفصل سلاسل DNA الأصل بعضها عن بعض، وتصبح حجر الأساس في إنتاج جزيء DNA جديد، يمكنها بعد ذلك الانفصال لإنتاج أربعة جزيئات DNA أخرى.

الأصل
سلسلة أصلية
التضاعف الأول
سلسلة أصلية واحدة مع سلسلة أخرى جديدة
التضاعف الثاني

اسم الصورة: نموذج تضاعف DNA وشوكة التضاعف

تجربة 9-2

نموذج تضاعف DNA

كيف يتضاعف جزيء DNA؟ استعمل نموذجًا يوضح تضاعف جزيء DNA على نحو أفضل.

خطوات العمل

• املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية.
• استعمل نموذج DNA الذي بنيته في تجربة 9-1، وقطعًا إضافية لعمل نموذج لتضاعف قطعة DNA الخاصة بك.
• استعمل نموذجك لتوضيح تضاعف DNA لطلاب صفك، وحدد الإنزيمات التي تدخل في كل خطوة.

التحليل

• صف. كيف يوضح نموذج تضاعف DNA الخاص بك التضاعف شبه المحافظ؟
• استنتج. كيف يؤثر غياب إنزيم ربط DNA في تضاعف DNA في الخلية؟
• حدد. أين يمكن أن تحدث الأخطاء في عملية التضاعف؟

وعندما تنفصل سلاسل الحلزون المزدوج تتكسر الروابط الهيدروجينية بين القواعد، فتتكون سلاسل DNA منفردة. ثم تقوم بروتينات تسمى البروتينات المرتبطة مع السلاسل المنفردة بالارتباط بجزيء DNA لضمان بقاء السلاسل منفصلة بعضها عن بعض خلال عملية التضاعف. وبعد الانتهاء من فك التواء الحلزون يقوم إنزيم آخر يسمى إنزيم RNA البادئ RNA primase بإضافة قطعة صغيرة من RNA، تسمى قطعة RNA الأولية، إلى كل سلسلة من سلاسل DNA.

ارتباط القواعد في أزواج Basing pairing يضيف إنزيم بلمرة DNA DNA polymerase إضافة النيوكليوتيدات المناسبة إلى سلسلة DNA الجديدة. تضاف النيوكليوتيدات إلى النهاية الطرفية 3′ في السلسلة الجديدة، كما في الشكل 9-11. لتكون أزواج قواعد نيتروجينية ترتبط بالقاعدة النيتروجينية المتممة لها فقط؛ مثلًا القاعدة النيتروجينية A ترتبط مع T، وترتبط G مع C. وهذه الطريقة تسمح بإنتاج نسخ متماثلة عن جزيء DNA الحلزوني المزدوج الأصلي.

في الشكل 9-11 السلسلتان تضعان بطريقة منتظمة تختلف قليلًا، فإحداهما تسمى السلسلة الرئيسة، ويزداد طولها عندما يتم فك الالتواء في اتجاه شوكة التضاعف. ويتم إنتاج هذه السلسلة بإضافة النيوكليوتيدات بشكل متواصل إلى النهاية.

الشكل 9-11 تنفصل سلسلتا DNA إحداهما عن الأخرى خلال عملية التضاعف، وعندئذ يتم استعمال السلسلة الأصلية على أنها حجر الأساس للسلسلة الجديدة.
استنتج ماذا تكون السلسلة الثانية فقط بدلاً من أن تصنع بشكل متصل؟

السلسلة الرئيسة
قطع أوكازاكي
إنزيم ربط DNA
السلسلة الثانوية
إنزيم بلمرة DNA
RNA البادئ
إنزيم فك الالتواء
DNA الأصلي
اتجاه تضاعف
5′
3′
3′
5′

أما سلسلة DNA الأخرى فتسمى السلسلة الثانوية، ويزداد طولها في عكس اتجاه شوكة التضاعف. وتصنع هذه السلسلة بشكل غير متواصل، وفي صورة قطع تسمى قطع أوكازاكي okazaki fragments، باستخدام إنزيم بلمرة DNA في الاتجاه من 5′ إلى 3′. تتم ربط هذه القطع لاحقًا بإنزيم ربط DNA ligase. ويصل طول كل قطعة من قطع أوكازاكي 100-200 نيوكليوتيد في المخلوقات الحية الحقيقية النوى. ولما كانت إحدى السلاسل تصنع بشكل متواصل والأخرى تصنع بشكل غير متواصل فإن تضاعف DNA يسمى شبه متقطع، وكذلك شبه المحافظ.

ماذا قرأت؟ فسر كيف يضمن ارتباط القواعد في أزواج خلال التضاعف أن السلسلة المتكونة مطابقة مع السلسلة الأصلية؟

إعادة ربط السلاسل Joining على الرغم من أن السلسلة الأصلية تصنع بشكل متواصل فإن تضاعف DNA في الخلايا الحقيقية النوى يبدأ عادة في عدة مناطق على طول الكروموسوم. وعندما يصل إنزيم بلمرة DNA إلى RNA البادئ فإنه يزال البادئ ويستبدل به نيوكليوتيدات DNA. ثم يقوم إنزيم ربط DNA بربط الجزأين.

اسم الصورة: التقويم 9-2

التقويم 9-2

الخلاصة

• تسهم الإنزيمات إنزيم فك الالتواء DNA، وإنزيم RNA البادئ، وإنزيم بلمرة DNA، وإنزيم ربط DNA في عملية تضاعف DNA.
• تصنع السلسلة الرئيسة بصورة متواصلة، أما السلسلة الثانوية فتصنع بصورة غير متواصلة، وتتكون قطع أوكازاكي.
• يحدث تضاعف DNA في الخلايا الحقيقية النوى عادة في عدة مناطق على طول الكروموسوم.

فهم الأفكار الرئيسة

• الفكرة الرئيسة بين ترتيب القواعد إذا كان ترتيب القواعد في السلسلة المتممة هو 5′ATGGGCGC3′.
• صف دور الإنزيمات التالية في تضاعف DNA: فك التواء DNA، بلمرة DNA، وربط DNA.
• ارسم شكلًا يبين آلية إنتاج السلسلتين الرئيسة والثانوية.
• قارن. لماذا يكون تضاعف جزيء DNA في الخلايا الحقيقية النوى أكثر تعقيدًا من البكتيريا؟

التفكير الناقد

• الرياضيات في علم الأحياء إذا كانت بكتيريا E. coli تصنع DNA بمعدل 100,000 نيوكليوتيد في الدقيقة، وتستغرق 30 دقيقة لتضاعف جزيء DNA الخاص بها، فما عدد أزواج القواعد النيتروجينية في كروموسوم E. coli؟