If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Եթե գտնվում ես վեբ զտիչի հետևում, խնդրում ենք համոզվել, որ *.kastatic.org և *.kasandbox.org տիրույթները հանված են արգելափակումից։

Հիմնական նյութ

ԴՆԹ-ի կրկնապատկման մոլեկուլային մեխանիզմը

ԴՆԹ պոլիմերազի և այլ կրկնապատկման ֆերմենտների դերերը: Առաջատար և հետ մնացող շղթաներ և Օկազակիի հատվածներ:

Հիմնական կետեր:

  • ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիան կիսակոնսերվատիվ եղանակով է ընթանում: Կրկնակի պարույրի յուրաքանչյուր շղթա գործում է որպես մատրիցա նոր, կոմպլեմենտար շղթայի սինթեզի համար:
  • Նոր ԴնԹ-ն սինթեզվում է ֆերմենտների միջոցով, որոնք կոչվում են ԴՆԹ պոլիմերազներ: Դրանց աշխատանքի համար անհրաժեշտ է մատրիցա, ինչպես նաև պրայմեր (մերան), որոնցից էլ ֆերմենտները սինթեզում են ԴՆԹ 5'ից 3' ուղղությամբ:
  • ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի ընթացքում մի նոր շղթան (առաջատար շղթան) պահպանվում է որպես շարունակական հատված: Մյուսը (հետ մնացող շղթան) կառուցվում է փոքր հատվածներով՝ առաջատար շղթայի նկատմամբ կոմպլեմենտարության սկզբունքով:
  • ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի համար անհրաժեշտ են նաև ԴՆԹ պոլիմերազից բացի այլ ֆերմենտներ , ներառյալ ԴՆԹ պրայմազը, ԴՆԹ հելիկազը, ԴՆԹ լիգազը, և տոպոիզոմերազը:

Ներածություն

ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիան, կամ բջջի ԴՆԹ-ի պատճենումը հեշտ գործ չէ: Քո գենոմում կան մոտավոր 3 միլլիարդ ԴՆԹ-ի նուկլեոտիդային զույգեր, որոնցից յուրաքանչյուրը ճշգրտորեն պատճենվում է, երբ քո տրիլլիոնավոր բջիջներից մեկը կիսվում է1:
ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի հիմնական մեխանիզմները նույնն են տարբեր օրգանիզմներում: Այս հոդվածում մենք կկենտրոնանանք երբ այն ընթանում է E.coli բակտերիայի օրգանիզմում ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի վրա, բայց ռեպլիկացիայի մեխանիզմները նման են մարդկանց և այլ կորիզավորների օրգանիզմում ընթացող մեխանիզմներին:
Դիտարկենք այն սպիտակուցները և ֆերմենտները, որոնք պատասխանատու են ռեպլիկացիայի իրականացման համար, տեսնելով, թե ինչպես են դրանք աշխատում միասին ԴՆԹ-ի ճշգրիտ և լիարժեք կրկնապատկումը ապահովելու համար:

Հիմնական գաղափարը

ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիան ընթանում է կիսակոնսերվատիվ եղանակով, ինչը նշանակում է, որ ԴՆԹ-ի պարույրում յուրաքանչյուր շղթան գործում է որպես մատրիցա նոր, կոմպլեմենտար շղթայի սինթեզի համար:
Այս գործընթացի արդյունքում մի սկզբնական մոլեկուլից երկու դուստր մոլեկուլներ են առաջանում: Այսինքն՝ յուրաքանչյուր նոր ձևավորված կրկնակի պարույրը պարունակում է մեկ նոր և մեկ հին շղթա:
Որոշակի առումով այսքանն է անհրաժեշտ ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի համար: Բայց ամենահետաքրքիրն այն է, թե ինչպես է այն իրականանում բջջում:
Բջիջները պետք է շատ արագ, և շատ քիչ սխալներով (կամ ռիսկային խնդիրներով՝ ինչպիսին քաղցկեղն է) կրկնապատկեն իրենց ԴՆԹ-ն : Դրա համար օգտագործվում են տարբեր ֆերմենտներ և սպիտակուցներ, որոնք գործում են միասին, ԴՆԹ-ի անընդհատ և հստակ կրկնապատկումը ապահովելու համար:

ԴՆԹ պոլիմերազ

ԴՆԹ կրկնապատկման մեջ առանցքային մոլեկուլներից մեկը ԴՆԹ պոլիմերազ ֆերմենտն է: ԴՆԹ պոլիմերազները պատասխանատու են ԴՆԹ-ի սինթեզի համար: դրանք ԴՆԹ-ի աճող շղթային միացնում են մեկական նուկլեոտիդներ՝ ներառելով միայն նրանք, որոնք կոմպլեմենտար են մատրիցային :
Ահա ԴՆԹ պոլիմերազների հիմնական հատկանիշներ.
  • Դրանց գործունեության համար միշտ անհրաժեշտ է մատրիցա
  • Նրանք կարող են ավելացնել նուկլեոտիդներ ԴՆԹ-ի շղթայի միայն 3' ծայրին:
  • Նրանք չեն կարող ԴՆԹ-ի շղթաներ ստանալ ոչնչից, այդ իսկ պատճառով պահանջում են գոյություն ունեցող շղթա կամ նուկլեոտիդների կարճ հաջորդականություն, որը կոչվում է պրայմեր
  • Դրանք սրբագրում կամ ստուգում են իրենց աշխատանքը՝ հանելով "սխալ" նուկլեոտիդների ճնշող մեծամասնությունը, որոնք պատահաբար միացել են շղթային:
Նուկլեոտիդների միացումը պահանջում է էներգիա: Այս էներգիան տրամադրում են հենց իրենք՝ նուկլեոտիդները, որոնց ամրացած է երեք ֆոսֆատային խումբ (շատ նման էներգակիր ԱԵՖ-ի մոլեկուլին): Երբ ֆոսֆատների միջև կապը քանդվում է, անջատված էներգիան օգտագործվում է նուկլեոտիդի և աճող շղթայի միջև կապ ձևավորելու համար:
Այնպիսի նախակորիզավորներում, ինչպիսին է E.coli-ն, ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի ժամանակ ներառված են երկու տեսակի հիմնական ԴՆԹ պոլիմերազ ֆերմենտներ՝ ԴՆԹ պոլիմերազ III (գլխավոր ԴՆԹ արտադրող) , և ԴՆԹ պոլիմերազ I-ը, որը վճռորոշ օժանդակ դեր է խաղում, որը մենք կուսումնասիրենք ավելի ուշ:

ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի սկիզբը

Ինչպե՞ս են ԴՆԹ պոլիմերազները և այլ ռեպլիկացիոն գործոններ ճանաչում այն տեղամասը որտեղից պետք է սկսել: Ռեպլիկացիան միշտ սկսվում է ԴՆԹ-ի հատուկ հատվածներում, որոնք կոչվում են ռեպլիկացիոն տեղամասեր կամ սկզբնակետեր, և ճանաչվում են իրենց հաջորդականությամբ:
E.coli-ն, ինչպես և բակտերիաների մեծ մասը, իր քրոմոսոմի վրա ունի կրկնապատկման միայն մեկ տեղամաս: Այս տեղամասը մոտավորապես 245 նուկլեոտիդային զույգ երկարություն ունի և հիմնականում կազմված է Ա/Թ նոկլեոտիդային զույգերից (որոնք իրար միացած են ավելի քիչ ջրածնական կապերով, քան Գ/Ց զույգերը), ինչի արդյունքում ԴՆԹ-ի շղթաներն իրարից ավելի հեշտ են առանձնացվում:
Մասնագիտացված սպիտակուցները ճանաչում են սկզբնակետը, կապվում են այս հատվածին և առանձնացնում ԴՆԹ-ի շղթաները: Երբ ԴՆԹ-ն առանձնանում է, գոյանում են երկու Y-աձև կառուցվածքներ, որոնք կոչվում են ռեպլիկացիոն եղաններ՝ միասին ձևավորելով այն, ինչ կոչվում է ռեպլիկացիոն պղպջակ: Կրկնապատկման ընթացքում եղանները շարժվում են հակադարձ ուղղություններով:
Տրամագիրը ըստ Reece et al.-ի 2:
Ինչպե՞ս է կրկնապատկումը իրականում ընթանում եղաններում: Հելիկազը առաջին կրկնապատկման ֆերմենտն է, որը ճանաչում է ռեպլիկացիայի սկզբնակետերը3: Հելիկազի աշխատանքն է շարժել ռեպլիկացիոն եղանները առաջ՝ "ապապարուրելով" ԴՆԹ-ն (քայքայելով ազոտական հիմքերի միջև գործող ջրածնական կապերը):
Սպիտակուցնորը, որոնք կոչվում են մեկ շղթային կապվող սպիտակուցներ (ssb - single strand binding) ամրանում են ԴՆԹ-ի առանջին շղթաներին՝ ռեպլիկացիոն եղանի մոտ՝ չթողնելով նրանց կրկին միավորվել և ձևավորել կրկնակի պարույր:

Պրայմերներ և պրայմազ

ԴՆԹ պոլիմերազը կարող է նուկլեոտիդներ ավելացնել միայն գոյություն ունեցող ԴՆԹ-ի շղթայի 3' ծայրին: (Նրանք օգտագործում են ազատ -OH խմբեր 3' ծայրում որպես "կեռիկ", ավելացնելով նուկլեոտիդ այս խմբին պոլիմերացման ռեակցիայի միջոցով): Այդ դեպքում ինչպե՞ս է ԴՆԹ պոլիմերազը նոր ռեպլիկացիոն եղանին ավելացնում առաջին նուկլեոտիդը:
Այն միայնակ չի կարող անել դա: Խնդիրը լուծվում է մի ֆերմենտի օգնությամբ, որը կոչվում է պրայմազ: Պրայմազը դարձնում է ՌՆԹ-ն պրայմեր, կամ մատրիցային կոմպլեմենտար նուկլեոտիդային կարճ հաջորդականություն, որը ապահովում է 3' ծայր, որի վրա ԴՆԹ պոլիմերազը կարող է աշխատել: Տիպիկ պրայմերը մոտ հինգից տասը նուկլեոտիդ երկարություն ունի: Պրայմերը մեկնարկում է ԴՆԹ-ի սինթեզը:
Երբ ՌՆԹ պրայմերը անհրաժեշտ տեղում լինի, ԴՆԹ պոլիմերազը այն "ընդարձակում է"՝ ավելացնելով մեկական նուկլեոտիդներ ձևավորելու համար մատրիցային կոմպլեմենտար ԴՆԹ շղթա:

Առաջատար և հետ մնացող շղթաներ

E.coli-ի օրգանիզմում ԴՆԹ պոլիմերազների այն տեսակը, որը իրականացնում է սինթեզի հիմնական մասը, ԴՆԹ պոլիմերազ III-ն է: Ռեպլիկացիոն եղանի վրա կան երկու ԴՆԹ պոլիմերազ III-ի մոլեկուլներ, և նրանցից յուրաքանչյուրը աշխատում է նոր ԴՆԹ շղթայի ձևավորման վրա:
ԴՆԹ պոլիմերազները կարող են միայն ձևավորել ԴՆԹ 5'ից 3' ուղղությամբ, և սա խնդիր է ներկայացնում ռեպլիկացիայի ժամանակ: ԴՆԹ-ի կրկնակի պարույրը միշտ հակազուգահեռ է. այլ կերպ ասած՝ մի շղթան գնում է 5'ից 3', երբ մյուսը գնում է 3'ից 5' ուղղությամբ: Սա անհրաժեշտություն է առաջացնում, որ երկու նոր շղթաները, որոնք սինթեզվում են իրենց մատրիցաներին հակազուգահեռ, կառուցվեն փոքր ինչ տարբեր եղանակներով:
Նոր շղթաներից մեկը, որը 5'ից 3' ուղղությամբ գնում է դեպի ռեպլիկացիոն եղանը, ավելի հեշտ է ընթանում: Այս շղթան կառուցվում է շարունակաբար, քանի որ ԴՆԹ պոլիմերազը շարժվում է նույն ուղղությամբ, ինչ ռեպլիկացիոն եղանը: Այս շարունակաբար սինթեզվող շղթան կոչվում է առաջատար շղթա:
Նոր շղթաներից մյուսը, որը գնում է 5'-ից 3' ուղղությամբ, ավելի դժվար է ընթանում: Այս շղթան կառուցվում է մաս-մաս, քանի որ մինչ եղանը շարժվում է առաջ, ԴՆԹ պոլիմերազը (որը շարժվում է եղանից հեռու) պիտի դուրս գա և նորից կպչի այս դեպքում նոր ձևավորվող ԴՆԹ-ին: Այս բարդ շղթան, որը կառուցվում է հատվածներով, կոչվում է հետ մնացող շղթա:
Փոքր հատվածները կոչվում են Օկազակիի հատվածներ, որոնք անվանակոչվել են ճապոնացի գիտնականի պատվին, ով նրանց հայտնաբերել է: Առաջատար շղթան կարող է ընդլայնվել միայն մեկ պրայմերով, մինչդեռ հետ մնացող շղթան ամեն անգամ կարիք ունի նոր պրայմերի՝ Օկազակիի կարճ հատվածներից յուրաքանչյուրի համար :

Սպասարկման և մաքրման "անձնակազմ"

Մի շարք այլ սպիտակուցներ և ֆերմենտներ, ի հավելումն վերը նշվածների, անհրաժեշտ են ԴՆԹ-ի կրկնապատկման հարթ ընթացքը ապահովելու համար: Դրանցից մեկը սպիտակուց է, որը կոչվում է սահող սեղմիչ, որը սինթեզի ժամանակ ԴՆԹ պոլիմերազ III-ի մոլեկուլները պահում է իրենց տեղում: Սահող սեղմիչը օղակաձև սպիտակուց է , որը խոչընդոտում է հետ մնացող շղթայի վրայի նոր Օկազակիի հատվածի ԴՆԹ պոլիմերազը սահքը դեպի դուրս, 4:
Տոպոիզոմերազը նույնպես կարևոր դեր է խաղում ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի գործընթացում: Այս ֆերմենտը կանխարգելում է, ԴՆԹ-ի կրկնակի պարույրի չափից դուրս պարուրումը ռեպլիկացիոն եղանից առաջ ԴՆԹ-ի բացվելու ժամանակ: Այն գործում է՝ պարույրում ստեղծելով ժամանակավոր խորդուբորդություններ, որպեսզի այն թուլացնի ձգվածությունը , ապա փակում են դրանք, խուսափելու համար անդարձելի վնասվածքից:
Վերջապես, կա փոքր մաքրման աշխատանք, քանի որ մեզ անհրաժեշտ է ԴՆԹ, որը զերծ է ՌՆԹ-ից կամ բացթողումներից: ՌՆԹ պրայմերները դուրս են բերվում և փոխարինվում են ԴՆԹ-ով, ԴՆԹ պոլիմերազ I-ի շնորհիվ, և մյուս պոլիմերազներով, որոնք ընդգրկված են ռեպլիկացիայի գործընթացում: Ընդհատումները, որոնք մնում են նրանից հետո, երբ պրայմերները փոխարինվում են, կարվում են ֆերմենտով, որը կոչվում է ԴՆԹ լիգազ:

E.coli-ի օրգանիզմում ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի գործընթացի ամփոփում

Եկեք փոքրացնենք մասշտաբը և տեսնենք՝ ինչպես են կրկնապատկման մեջ ընդգրկված ֆերմենտները և սպիտակուցները աշխատում համատեղ՝ նոր ԴՆԹ սինթեզելու համար:
  • Հելիկազը ռեպլիկացիոն եղանում ապապարուրում է ԴՆԹ-ն:
  • Միաշղթա ԴՆԹ կապող սպիտակուցները ամրանում են ԴՆԹ-ին ռեպլիկացիոն եղանի շուրջ՝ կանխարգելելով ԴՆԹ-ի վերամիացումը:
  • Տոպոիզոմերազը աշխատում է ռեպլիկացիոն եղանի դիմաց ընկած հատվածում՝ գերպարուրումը կանխարգելելու համար:
  • Պրայմազը սինթեզում է ՌՆԹ պրայմերներ, որոնք կոմպլեմենտար են ԴՆԹ շղթային:
  • ԴՆԹ պոլիմերազ III-ը ընդլայնում է պրայմերները՝ ավելացնելով 3' ծայրին, նոր ԴՆԹ-ի հիմնական մասը կառուցելու համար:
  • ՌՆԹ պրայմերները հեռացվում են և փոխարինվում ԴՆԹ-ով ԴՆԹ պոլիմերազ I-ի օգնությամբ:
  • ԴՆԹ-ի հատվածների միջև ընդհատումները կարում է ԴՆԹ լիգազ ֆերմենտը:

ԴՆԹ-ի կրկնապատկումը կորիզավորների օրգանիզմում

ԴՆԹ-ի կրկնապատկման հիմունքները բակտերիաներում և կորիզավորներում նման են, բայց կան որոշ տարբերություններ.
  • Կորիզավորները սովորաբար ունեն բազմաթիվ գծային քրոմոսոմներ, յուրաքանչյուրը բազմաթիվ ռեպլիկացիոն տեղամասերով : Մարդիկ կարող են ունենալ մինչև 100,000 ռեպլիկացիոն տեղամասեր5:
  • E.coli-ի ֆերմենտների մեծ մասը ունեն իրենց անալոգները կորիզավորների ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայում, սակայն E.coli-ի օրգանիզմի մեկ ֆերմենտը կորիզավորների օրգանիզմում կարող է ներկայացված լինելբազմաթիվ ֆերմենտներով: Օրինակ՝ մարդու օրգանիզմում կան 5 ԴՆԹ պոլիմերազներ, որոնք կարևոր դեր են խաղում կրկնապատկման մեջ5:
  • Կորիզավորների քրոմոսոմների մեծամասնությունը գծային է: Այն պատճառով, թե ինչ ձևով է հետ մնացող շղթան կառուցվում, որոշակի քանակով ԴՆԹ կորչում է գծային քրոմոսոմների ծայրից (թելոմերներ) կրկնապատկման յուրաքանչյուր շրջանում:

Բացահայտի՛ր «Քան» ակադեմիայից դուրս

Ցանկանու՞մ ես ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի մասին ավելին իմանալ: Տես LabXchange-ի scrollable interactive հոդվածը:
LabXchange-ն օնլայն գիտակրթական անվճար հարթակ է՝ ստեղծված Հարվարդի համալսարանի արվեստի և գիտության ֆակուլտետի կողմից, և աջակցվում է Amgen հիմնադրամի կողմից։

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Առայժմ հրապարակումներ չկան։
Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: