همانندسازی دنا_زیست دوازدهم
همانندسازی دنا و طرح های مختلف آن
در زیستشناسی، فرآیند تولید دو رشته یکسان از یک مولکول د.ان.ا را به نام “همانندسازی د.ان.ا” یا “تکثیر د.ان.ا” مینامند. این فرآیند در تقسیم سلولها اتفاق میافتد و یکی از مراحل اصلی در اینترفاز (مرحله بین دو دوره تقسیم سلولی) است. همانندسازی د.ان.ا از اهمیت بسزایی برخوردار است، زیرا اطلاعات ژنتیکی سلول به نسل جدید منتقل میشود.
در ادامه به مدلهای مختلف همانندسازی د.ان.ا میپردازیم که به شرح زیر هستند:
- همانندسازی حفاظتی: در این مدل، دو رشته دنا بدون هیچ تغییری به یک یاخته وارد میشوند و هر دو رشته د.ان.ا ثانویه نیز به یک یاخته دیگر وارد میشوند. این فرآیند باعث میشود تغییری در هیچکدام از دو رشته دنا اولیه قابل مشاهده نباشد و به همین دلیل به آن همانندسازی حفاظتی گفته میشود.
- همانندسازی نیمهحفاظتی: در این مدل، هر سلول ساختهشده شامل یک رشته از د.ان.ا قدیمی و یک رشته از د.ان.ا جدید است.
- همانندسازی پراکنده یا غیرحفاظتی: در این مدل، د.ان.اهای به وجودآمده، قطعاتی از رشته اولیه و ثانویه را بهشکل پراکنده در خود دارند.
این مدلها به توصیف و تبیین روندهای همانندسازی د.ان.ا و نحوهٔ تولید نسخه مشابه و یکسان از اطلاعات ژنتیکی در سلولها کمک میکنند.
همانندسازی حفاظتی
در این نوع همانندسازی، دو رشته جدیدی که تازه از طریق همانندسازی به وجود آمدهاند، در کنار هم قرار میگیرند و همچنین دو رشته د.ن.ا قدیمی نیز در کنار یکدیگر باقی میمانند. این نوع همانندسازی به نام “همانندسازی حفاظتی” معروف است. دلیل این نامگذاری به این خاطر است که دن.ا قدیمی همراه با دو رشته جدید، به صورت دست نخورده وارد یک یاخته میشوند و تغییری در آنها رخ نمیدهد.
این تعریف از همانندسازی حفاظتی نسبت به تغییراتی که در دن.ا قدیمی به وجود میآید، انجام میشود. اگر دن.ا قدیمی یک رشته را از دست بدهد و یک رشته دیگر به صورت دست نخورده جایگزین شود، آن را همانندسازی نیمه حفاظتی مینامیم. در صورتی که هر دو رشته دن.ا تغییر کنند، این مدل به نام همانندسازی غیر حفاظتی یا پراکنده شناخته میشود. تاکید شده است که این مدل مود تایید دانشمندان قرار نگرفته است.
همانندسازی غیرحفاظتی
در این مدل همانندسازی، هر دو رشته د.ان.ا قدیمی و جدید به صورت پراکنده در میان یکدیگر قرار میگیرند و در هر دو رشته، قطعاتی از د.ان.ا جدید و قطعاتی از د.ان.ا قدیمی مشاهده میشود. این نوع همانندسازی به نام “همانندسازی غیرحفاظتی” معروف است، زیرا هر دو رشته د.ان.ا دچار تغییرات شده و قطعات جدید و قدیمی به صورت پراکنده در هر دو رشته حضور دارند. این مدل مورد تایید دانشمندان قرار نگرفته است.
در این روش، هر دو رشته د.ان.ا دختر دچار تغییر میشوند و قطعاتی از د.ان.ا جدید و قدیمی به صورت پراکنده در هر دو رشته دیده میشود. این تغییرات در هر دو رشته به وجود آمده و الگوی قرارگیری قطعات در دو د.ان.ا دختر حاصل تفاوتی ندارد. در این مدل، پیوند فسفودیاستر بین نوکلئوتیدهای قدیمی نیز شکسته میشود، که این ویژگی آن را از سایر روشها متمایز میکند.
همانندسازی نیمه حفاظتی
در این نوع همانندسازی، هر دو د.ان.ا ایجاد شده دارای یک رشته از د.ان.ا مادر (د.ان.ا قدیمی) و یک رشته از د.ان.ا جدید میباشند. تفاوت این مدل با همانندسازی حفاظتی در این است که در هر دنای ایجاد شده، یک رشته به یک یاخته و رشته دیگر به یاخته دیگر وارد میشود، به جای اینکه هر دو رشته به یک یاخته وارد شوند.
همانندسازی نیمه حفاظتی امروزه توسط دانشمندان تایید شده و دو طرح دیگر (همانندسازی حفاظتی و همانندسازی غیرحفاظتی) رد شدهاند. در این نوع همانندسازی، تقسیم یاخته میتوز را تجربه میکند که به این معناست که عدد کروموزوم و مجموعه کروموزوم دچار تغییر نمیشود و دقیقاً مشابه سلول مادر باقی میماند.
در همانندسازی نیمه حفاظتی، در هر د.ان.ا دختری (نه در هر رشته د.ان.ا دختری) قطعاتی از د.ان.ا جدید و د.ان.ا قدیمی یافت میشود. آزمایشات انجامشده توسط دو دانشمند به نامهای مزلسوت و استال به نتیجه رسیدند که طرح نیمه حفاظتی بهترین روش برای همانندسازی د.ان.ا میباشد.
آزمایشات مزلسون و استال
مزلسون و استال با استفاده از روشهای علمی به پرسش خود پاسخ دادند. هدف آنها تشخیص رشتههای جدید و قدیمی د.ان.ا بود. برای این منظور، از نوکلئوتیدهایی که دارای ایزوتوپ سنگین نیتروژن (۱۵N) بودند، استفاده کردند.
نیتروژن یک عنصر اساسی در ساختار نوکلئوتیدها است و دو ایزوتوپ طبیعی دارد: ۱۴N و ۱۵N. با استفاده از این دو ایزوتوپ، میتوان رشتههای د.ان.ا را از یکدیگر تشخیص داد. آنها دنا را در دستگاه سانترفیوژ با سرعت بالا قرار دادند تا دنا حاوی ۱۵N با سرعت بیشتری حرکت کند و در ته لوله جمع شود.
این روش به آنها این امکان را میداد که با توجه به حرکت دنا در سانترفیوژ، رشتههای حاوی ۱۵N (نوکلئوتیدهای جدید) و رشتههای حاوی ۱۴N (نوکلئوتیدهای قدیمی) را از هم تفکیک کرده و تشخیص دهند. این روش توسط مزلسون و استال به منظور تحلیل و تفکیک دقیق رشتههای د.ان.ا به کار گرفته شد.
مراحل نشانه گذاری دنا
مزلسون و استال برای نشانهگذاری دنا، از باکتری اشریشیا کلای استفاده کردند. این مراحل نشانهگذاری به شرح زیر بود:
- قرار دادن باکتری اشریشیا کلای در محیط کشت حاوی ۱۵N: باکتری اشریشیا کلای به محیط کشتی اضافه شد که حاوی ایزوتوپ سنگین نیتروژن (۱۵N) بود. این ایزوتوپ نیتروژن جایگزین نیتروژن طبیعی (۱۴N) در محیط بود.
- تکثیر و تقسیم باکتریها در محیط حاوی ۱۵N: باکتریهای اشریشیا کلای در محیط حاوی ۱۵N تکثیر و تقسیم کردند. این باعث شد که نوکلئوتیدهای جدید د.ان.ا که در محیط حاوی ۱۵N تولید شده بودند، به باکتریها افزوده شوند.
- نشانهگذاری دنا مادر: با این کار، د.ان.ا مادر (د.ان.ا حاوی ۱۴N) نشانهگذاری شد. چرا که نوکلئوتیدهای جدید تولید شده در محیط حاوی ۱۵N به د.ان.ا مادر افزوده شدند.
- با این روش، مزلسون و استال توانستند دنا را با استفاده از ایزوتوپ ۱۵N نشانهگذاری کنند و از آن برای مطالعه فرآیند همانندسازی دنا در باکتریها استفاده نمایند.
مراحل آزمایشات
باکتریهای حاصل از مرحله نشانهگذاری با ۱۵N پس از سانترفیوژ در لوله یک نوار در انتهای لوله تشکیل دادند، که نشان میدهد دناهای دور اول همانندسازی چگالی متوسط دارند. سپس باکتریها را وارد محیط کشت حاوی ۱۴N کردند و به آنها ۲۰ دقیقه زمان دادند تا تقسیم شوند. پس از این مدت، باکتریها را دوباره سانترفیوژ کردند.
در این مرحله، دو نوار شکل گرفت: یکی در میانه لوله و دیگری در بالای لوله. این نشان میدهد دناهای باکتریهای دور دوم همانندسازی (پس از ۴۰ دقیقه) دارای چگالی متوسط در نوار میانی و چگالی سبک (۱۴N) در نوار بالای لوله بودند.
بر اساس آزمایشات مزلسون و استال، طرح نیمه حفاظتی مورد تایید قرار گرفت. زیرا اگر همانندسازی بهروش حفاظتی بود، در دور اول باید یک نوار در ته لوله و یک نوار در بالای لوله تشکیل میشد، و اگر همانندسازی بهروش پراکنده بود، پس از دور دوم باید یک نوار در میانه لوله تشکیل میشد، نه یک نوار در میانه و یک نوار در بالای لوله. این نتیجه نشاندهنده تایید طرح نیمه حفاظتی بهجای دیگر طرحهای همانندسازی است.
خلاصه تکثیر DNA در باکتری E.coli
در همانندسازی DNA، مراحل مختلف توسط آنزیمها و پروتئینها که در این فرایند نقش دارند، به شکل زیر است:
- DNA هلیکاز:
- باز کردن رشتههای DNA: آنزیم DNA هلیکاز رشتههای DNA را از یکدیگر باز میکند و چنگال همانند سازی را تشکیل میدهد.
- پروتئینهای اتصالی به DNA:
- پوشاندن رشتههای جداشده: پروتئینهای اتصالی به DNA تک رشتهای، رشتههای DNA را در اطراف چنگال همانند سازی پوشانده و از اتصال مجدد DNA و تشکیل دو رشتهایها جلوگیری میکنند.
- توپوایزومرازها:
- جلوگیری از پیچخوردگی: توپوایزومرازها در منطقه پیش از چنگال همانند سازی برای جلوگیری از پیچخوردگیهای بیش از حد وارد عمل میشوند.
- آنزیمهای پرایماز:
- ساخت آغازگر RNA: آنزیمهای پرایماز آغازگر RNA را میسازند که مکمل رشته DNA در حال سنتز هستند.
- DNA پلیمراز III:
- سنتز رشتههای جدید: DNA پلیمراز III آغازگرها را گسترش داده و نوکلئوتیدهای جدید را مطابق با رشتههای الگو به انتهای ‘3 اضافه میکند و رشتههای جدید DNA را سنتز میکند.
- پرایمرهای RNA و DNA پلیمراز I:
- حذف پرایمرها و جایگزینی با DNA: پرایمرهای RNA توسط DNA پلیمراز I حذف شده و با DNA جایگزین میشوند.
- آنزیم DNA لیگاز:
- اتحاد قطعات: شکاف بین قطعات DNA توسط آنزیم DNA لیگاز از بین رفته و رشتههای DNA به صورت یکپارچه ایجاد میشوند.
این مراحل به ترتیب و با همکاری این آنزیمها و پروتئینها، منجر به تولید دو رشته جدید DNA میشوند.
دیدگاهتان را بنویسید