گفتار 2
همانندسازی دِنا
طرح‌های پیشنهادی همانندسازی
مقدمه
دنا به‌عنوان ماده وراثتی، اطلاعات حیاتی یاخته را در خود ذخیره می‌کند. هنگام تقسیم یاخته، انتقال بدون کم‌وکاست این اطلاعات به یاخته‌های حاصل ضروری است. این فرآیند از طریق همانندسازی دنا صورت می‌گیرد. همانندسازی به معنای ساخت یک مولکول دنا جدید از روی دنای قدیمی است.
همانندسازی، بر اساس مدل واتسون و کریک و وجود رابطه مکملی بین بازهای آلی، تا حد زیادی قابل توضیح است. با این حال، پیش از دستیابی به مدل قطعی، طرح‌های مختلفی برای توضیح این فرآیند پیشنهاد شده بود.
طرح‌های پیشنهادی برای همانندسازی دنا
در گذشته، دانشمندان سه طرح برای همانندسازی دنا پیشنهاد کردند:
1. همانندسازی حفاظتی
در این طرح، هر دو رشته دنای اولیه به‌صورت دست‌نخورده باقی مانده و وارد یکی از یاخته‌های حاصل می‌شوند. دو رشته دنای جدید نیز وارد یاخته دیگر می‌شوند.
چون دنای اولیه به‌طور دست‌نخورده در یکی از یاخته‌ها حفظ می‌شود، این طرح «حفاظتی» نامیده شده است.
ویژگی: در هر نسل همانندسازی حفاظتی، همواره یکی از مولکول‌های دنا همان مولکول اولیه است و سایر مولکول‌ها کاملاً جدید هستند.
2. همانندسازی نیمه‌حفاظتی
در این طرح هر یاخته حاصل، دارای یک رشته از دنای اولیه و یک رشته دیگر با نوکلئوتیدهای جدید است.
چون در هر یاخته حاصل، نیمی از دنای اولیه حفظ می‌شود، به آن «نیمه‌حفاظتی» می‌گویند.
ویژگی: در هر نسل همانندسازی نیمه‌حفاظتی، در دو مولکول دنا یکی از رشته‌ها مربوط به دنای اولیه است و رشته دیگر جدید است.
3. همانندسازی غیرحفاظتی (پراکنده)
در این طرح، هر کدام از مولکول‌های دنا حاوی قطعاتی از رشته‌های اولیه و رشته‌های جدید به‌صورت پراکنده هستند زیرا هم پیوندهای فسفودی‌استر رشته‌های اولیه و هم پیوندهای هیدروژنی بین رشته‌ها از بین می‌روند و رشته‌های جدید از ترکیب قطعات دنای اولیه و نوکلئوتیدهای جدید ساخته می‌شوند.
چون هیچ‌یک از رشته‌های اولیه به‌طور کامل حفظ نمی‌شوند و قطعات پراکنده‌ای از دنای اولیه در همه یاخته‌های حاصل وجود دارد، به آن «غیرحفاظتی» می‌گویند.
ویژگی: در این طرح، هم پیوندهای فسفودی‌استر رشته‌های اولیه و هم پیوندهای هیدروژنی بین رشته‌ها از بین می‌روند. رشته‌های جدید از ترکیب قطعات دنای اولیه و نوکلئوتیدهای جدید ساخته می‌شوند.
شکل 9 - طرح‌های مختلف برای همانندسازی
تفاوت طرح‌ها
در طرح حفاظتی، رشته‌های اولیه به‌صورت کامل و دست‌نخورده حفظ می‌شوند.
در طرح نیمه‌حفاظتی، رشته‌های اولیه حفظ می‌شوند اما پیوندهای هیدروژنی میان آنها از بین می‌رود.
در طرح غیرحفاظتی، نه رشته‌های اولیه و نه پیوندهای هیدروژنی حفظ نمی‌شوند و دناهای حاصل ترکیبی از قطعات جدید و قدیمی هستند.
نکات تکمیلی درباره همانندسازی
ثبات توالی نوکلئوتیدی: به طور طبیعی تمامی مولکول‌های حاصل از همانندسازی، دارای توالی نوکلئوتیدی یکسان با دنای اولیه هستند.
نقش پیوندهای شیمیایی:
در طرح‌های حفاظتی و نیمه‌حفاظتی، پیوندهای فسفودی‌استر موجود در رشته‌های اولیه به‌طور کامل حفظ می‌شوند.
در طرح غیرحفاظتی، این پیوندها به‌صورت کامل حفظ نمی‌شوند و بازآرایی صورت می‌گیرد.
اهمیت جهش: در صورتی که در طول همانندسازی جهش رخ دهد، توالی نوکلئوتیدی دنای در حال ساخت تغییر کرده و ممکن است اطلاعات وراثتی به‌درستی منتقل نشود.
مقایسه پیوندهای شیمیایی در طرح‌های همانندسازی دنا
طرح همانندسازی | وضعیت پیوندهای فسفودی‌استر در رشته‌های اولیه | وضعیت پیوندهای هیدروژنی بین رشته‌ها |
حفاظتی | به‌طور کامل حفظ می‌شوند. | حفظ می‌شوند. |
نیمه‌حفاظتی | به‌طور کامل حفظ می‌شوند. | از بین می‌روند. |
غیرحفاظتی | به‌صورت کامل حفظ نمی‌شوند و بازآرایی صورت می‌گیرد. | از بین می‌روند. |
نتیجه‌گیری
فرآیند همانندسازی دنا تضمین می‌کند که اطلاعات حیاتی به‌طور دقیق و کامل به یاخته‌های حاصل منتقل شود. در میان طرح‌های پیشنهادی، مدل نیمه‌حفاظتی که مبتنی بر رابطه مکملی بازها است، به‌عنوان مدل پذیرفته‌شده شناخته می‌شود. این مدل، پایداری دنا و انتقال اطلاعات وراثتی را به‌طور همزمان تضمین می‌کند.
کدام طرح مورد تایید قرار گرفته است؟
آزمایش مزلسون و استال
برای بررسی طرح‌های پیشنهادی همانندسازی دنا و تأیید یکی از آنها، مزلسون و استال آزمایشی طراحی کردند. آنها فرضیه‌های متعدد ارائه‌شده را در نظر گرفتند و با توجه به امکانات، آزمایشی را طراحی کردند تا بتوانند به پاسخ قانع‌کننده‌ای برسند. برای شروع کار، آنها باید می‌توانستند رشته‌های دنای نوساز را از رشته‌های قدیمی تشخیص دهند.
با این هدف، آنها دنا را با استفاده از نوکلئوتیدهایی که ایزوتوپ سنگین نیتروژن () دارند، نشانه‌گذاری کردند. زیرا چگالی دناهایی که با ساخته‌شده‌اند بیشتر از دناهای معمولی است که در نوکلئوتیدهای خود () دارند. به کمک گریزانه (سانتریفیوژ) با سرعت بالا، این دناها از یکدیگر جدا می‌شوند.
آنها ابتدا باکتری‌ها را در محیط دارای
کشت دادند.
در ساختار بازهای آلی نیتروژن‌دار که در ساخت دنای باکتری شرکت می‌کنند، وارد شدند. پس از چندین مرحله رشد و تکثیر در این محیط، باکتری‌هایی تولید شدند که دنای سنگین‌تری نسبت به باکتری‌های اولیه داشتند.
سپس این باکتری‌ها را به محیط کشت دارای
منتقل کردند. با توجه به اینکه تقسیم باکتری‌ها حدود 20 دقیقه طول می‌کشد در فواصل 20 دقیقه‌ای باکتری‌ها را از محیط کشت جدا و بررسی کردند.
ویژگی‌های روش آزمایش
استفاده از باکتری اشرشیا کُلای (E.coli): این باکتری که دارای پوشینه و به شکل بیضی است، سریع تقسیم می‌شود (طی ۲۰ دقیقه) و به همین دلیل برای آزمایش مناسب است.
استفاده از سزیم کلرید:
سزیم کلرید به‌دلیل ایجاد شیب چگالی مناسب، امکان جداسازی دقیق مولکول‌های دنا را فراهم می‌کند.
دناهای سنگین‌تر به بخش‌های پایین‌تر لوله و دناهای سبک‌تر به بخش‌های بالاتر منتقل می‌شوند.
تشخیص دقیق چگالی: روش گریزانه با سرعت بسیار بالا، تفکیک دقیق دناها بر اساس چگالی را ممکن ساخت.
نکته: هر سه نمونه با هم به گریزانه داده شدند.
نتیجه نهایی
آزمایش مزلسون و استال نشان داد که همانندسازی دنا به صورت نیمه‌حفاظتی انجام می‌شود.
یعنی هر بار که مولکول دنا همانندسازی می‌شود، تنها یکی از دو رشته‌اش از نسل پیش باقی می‌ماند و دیگری تازه ساخته می‌شود. نتایج این آزمایش به‌عنوان سندی در راستای تایید مدل پیشنهادی واتسون و کریک شناخته می‌شود.
جزئیات نتایج آزمایش مزلسون و استال
نتایج گریزانه
مزلسون و استال آزمایش خود را در سه زمان مشخص انجام دادند: زمان صفر، 20 دقیقه (یک دور همانندسازی)، و 40 دقیقه (دو دور همانندسازی). مشاهدات این آزمایش عبارتند از:
نمونه زمان صفر دقیقه:
مشاهدات: دناهای اولیه باکتری‌ها که در محیط حاوی رشد کرده بودند، پس از گریز دادن، یک نوار در انتهای لوله ایجاد کردند. قرار گرفتن این نوار در انتهای لوله نشان می‌داد که دناهای استخراج‌شده دارای چگالی بیشتری هستند.
تحلیل: تمام نوکلئوتیدهای این دناها حاوی بودند و بنابراین، این دناها سنگین‌تر از دناهای معمولی بودند.
نمونه زمان 20 دقیقه (دور اول همانندسازی):
مشاهدات: یک نوار در میانه لوله تشکیل شد که نشان‌دهنده چگالی متوسط بود.
تحلیل: وجود نوار در میانه لوله نشان دهنده این بود که دناهای حاصل چگالی متوسط دارند و دارای نوکلئوتیدهای سبک و سنگین هستند.
نتیجه: همانندسازی حفاظتی رد شد، چون اگر این مدل درست بود دو نوار تشکیل می‌شد یکی در بالا (سبک) و یکی در پایین (سنگین). تا این مرحله از آزمایش، شواهد کافی برای تفکیک دقیق میان مدل نیمه‌حفاظتی و غیرحفاظتی رشته‌ها وجود نداشت.
نمونه زمان 40 دقیقه (دور دوم همانندسازی):
مشاهدات: دو نوار مشاهده شد:
یک نوار در میانه لوله (چگالی متوسط).
یک نوار در بالای لوله (چگالی سبک).
تحلیل: با توجه به این که نوار در بالای لوله تشکیل شده است، می‌توان گفت که مدل غیرحفاظتی نیز رد می‌شود چون درصورت صحیح بودن آن باید یک نوار در میانه لوله تشکیل می‌شد.
نتیجه: مدل همانندسازی غیرحفاظتی رد شد، و نتایج نشان داد که همانندسازی دنا به صورت نیمه‌حفاظتی انجام می‌شود.
شکل 10 - آزمایش‌های مزلسون و استال و نتایج به‌دست‌آمده: الف) دِنای باکتری‌های اولیه پس از گریز دادن، یک نوار در انتهای لوله تشکیل دادند، زیرا هر دو رشته دِنای آنها و چگالی سنگین داشت. ب) دِنای باکتری‌های حاصل از دور اول همانندسازی در محیط کشت حاوی (بعد از 20 دقیقه)، پس از گریز دادن، نواری در میانه لوله تشکیل دادند. پس دِنای آنها چگالی متوسط داشت. پ) دِنای باکتری‌های حاصل از دور دوم همانندسازی (بعد از 40 دقیقه)، پس از گریز دادن دو نوار، یکی در میانه و دیگری در بالای لوله تشکیل دادند. پس نیمی از آنها چگالی متوسط و نیمی چگالی سبک داشتند.چرا؟
بررسی جزئیات بیشتر نتایج آزمایش
نمونه زمان صفر دقیقه
مشخصات: دناهای اولیه کاملاً سنگین بودند و تمام نوکلئوتیدهای آنها از تشکیل شده بود.
مشاهدات گریزانه: فقط یک نوار در پایین لوله تشکیل شد.
تحلیل: این نتیجه تأیید کرد که دناهای اولیه، چگالی سنگین دارند و هیچ رشته سبکی وجود ندارد.
نمونه زمان 20 دقیقه (دور اول همانندسازی)
مدل‌های پیشنهادی:
مدل حفاظتی: انتظار می‌رود یک نوار سنگین و یک نوار سبک مشاهده شود.
مدل نیمه‌حفاظتی: انتظار می‌رود فقط یک نوار با چگالی متوسط تشکیل شود.
مدل غیرحفاظتی: انتظار می‌رود فقط یک نوار با چگالی متوسط تشکیل شود.
مشاهدات گریزانه: فقط یک نوار در وسط لوله تشکیل شد (چگالی متوسط).
تحلیل: این نتیجه نشان داد که همانندسازی به صورت حفاظتی انجام نمی‌شود. اما هنوز مشخص نبود که همانندسازی به صورت نیمه‌حفاظتی است یا غیرحفاظتی.
نمونه زمان 40 دقیقه (دور دوم همانندسازی)
مدل‌های پیشنهادی:
مدل نیمه‌حفاظتی: انتظار می‌رود دو نوار مشاهده شود: یک نوار در وسط (چگالی متوسط) و یک نوار در بالا (چگالی سبک).
مدل غیرحفاظتی: انتظار می‌رود فقط یک نوار در وسط لوله تشکیل شود.
مشاهدات گریزانه: دو نوار مشاهده شد: یکی در وسط لوله (چگالی متوسط) و دیگری در بالای لوله (چگالی سبک).
تحلیل: این نتیجه نشان داد که همانندسازی به صورت نیمه‌حفاظتی انجام می‌شود. اگر همانندسازی غیرحفاظتی بود، فقط یک نوار با چگالی متوسط تشکیل می‌شد.
باز شدن رشته‌ها و مراحل همانندسازی
نحوه باز شدن رشته‌های دنا
با تأیید مدل نیمه‌حفاظتی، سوالی دیگر مطرح شد: دو رشته دنا چگونه از یکدیگر باز می‌شوند؟
مشاهدات
باز شدن رشته‌ها در نقاط مشخصی آغاز می‌شود.
فرآیند باز شدن تدریجی است و با همانندسازی همزمان انجام می‌شود.
بخش‌هایی از دنا که هنوز همانندسازی در آنها آغاز نشده است، بسته باقی می‌مانند.
این یافته‌ها درک ما را از نحوه تکثیر اطلاعات ژنتیکی افزایش داد.
عوامل و مراحل همانندسازی
عوامل همانندسازی
در همانندسازی عوامل متعددی مؤثرند که مهم‌ترین آنها به شرح زیر است:
مولکول دنا به‌عنوان الگو: رشته‌های دنا به عنوان الگو برای ساخت نسخه مکمل عمل می‌کنند.
واحدهای سازنده دنا: نوکلئوتیدهای آزاد داخل یاخته و سه‌فسفاته.
هنگام افزودن نوکلئوتید جدید به زنجیره در حال ساخت، دو گروه فسفات از آن جدا می‌شود و تنها یک فسفات در ساختار باقی می‌ماند.
برای اتصال نوکلئوتیدها، انرژی از تجزیه‌ی پیوندهای بین گروه‌های فسفات آنها تأمین می‌گردد؛ این انرژی مستقیماً از خود نوکلئوتید آزاد می‌شود.
آنزیم‌های لازم برای همانندسازی: آنزیم‌ها نقش‌های متعددی ایفا می‌کنند.
باز کردن دو رشته دنا.
قرار دادن نوکلئوتیدها به صورت مکمل مقابل یکدیگر.
ایجاد پیوندهای فسفودی‌استر بین نوکلئوتیدها.
جمع‌بندی: آزمایش مزلسون و استال به‌صورت قطعی نشان داد که همانندسازی دنا به صورت نیمه‌حفاظتی انجام می‌شود. این نتایج همراه با کشف نحوه باز شدن تدریجی رشته‌های دنا و نقش عوامل مختلف در این فرآیند، پیشرفت بزرگی در درک سازوکار انتقال اطلاعات ژنتیکی و تکثیر دنا به حساب می‌آید.
مراحل همانندسازی دنا
مقدمه
همانندسازی دنا فرآیندی است که طی آن از روی رشته‌های دنا، نسخه‌ای جدید ساخته می‌شود. قبل از همانندسازی دنا باید پیچ و تاب فامینه، باز و پروتئین های همراه آن یعنی هیستون‌ها از آن جدا شوند تا همانندسازی بتواند انجام شود. سپس آنزیم هلیکاز مارپیچ دنا و دو رشته آن را از هم باز می کند. همانندسازی طی مراحل زیر صورت می‌گیرد:
آماده‌سازی دنا
باز کردن پیچ و تاب فامینه:
برای شروع همانندسازی، لازم است پیچ‌خوردگی‌های فامینه باز شوند.
در این مرحله، پروتئین‌های همراه دنا مانند هیستون‌ها (در یوکاریوت‌ها) از دنا جدا می‌شوند.
نکته: در یوکاریوت‌ها، هیستون‌ها بخشی از پروتئین‌های همراه هستند؛ اما در پروکاریوت‌ها، مانند باکتری‌ها، هیستون وجود ندارد.
باز کردن مارپیچ دنا
عملکرد آنزیم هلیکاز:
آنزیم هلیکاز مارپیچ دنا را باز کرده و دو رشته آن را از هم جدا می‌کند.
این فرآیند با شکستن پیوندهای هیدروژنی بین بازهای مکمل انجام می‌گیرد.
چالش‌های باز کردن رشته‌ها: باز کردن دو رشته دنا در بخش‌هایی که تعداد نوکلئوتیدهای سیتوزین‌دار و گوانین‌دار بیشتر است، دشوارتر است؛ زیرا تعداد پیوندهای هیدروژنی بین این بازها بیشتر است.
به یاد داشته باشید که: باز کردن پیچ‌وتاب‌های فامینه قبل از شروع همانندسازی انجام می‌شود، در حالی که باز شدن دو رشته دنا نشان‌دهنده شروع همانندسازی است.
ساخت رشته مکمل
فعالیت آنزیم‌های مختلف:
انواع دیگری از آنزیم‌ها با همدیگر فعالیت می‌کنند تا یک رشته دنا در مقابل رشته الگو ساخته شود. یکی از مهم‌ترین آنها که نوکلئوتیدهای مکمل را با نوکلئوتیدهای رشته الگو جفت می‌کند، دنابسپاراز (DNA پلی‌مراز) است.
نقش دنابسپاراز (DNA پلی‌مراز):
این آنزیم نوکلئوتیدهای مکمل را در مقابل نوکلئوتیدهای رشته الگو قرار می‌دهد. (با این کار زمینه تشکیل پیوند هیدروژنی بین نوکلئوتیدهای رشته الگو و رشته درحال ساخت فراهم می‌شود).
دنابسپاراز پیوند فسفودی‌استر را بین نوکلئوتیدهای ایجاد کننده رشته جدید تشکیل می‌دهد.
همانندسازی دوجهتی: همانندسازی از یک نقطه آغاز می‌شود و در دو جهت ادامه پیدا می‌کند. به همین دلیل به آن «همانندسازی دوجهتی» نیز گفته می‌شود. در نتیجه، آنزیم‌ها به طور همزمان به دو طرف حرکت کرده و رشته‌های جدید را تشکیل می‌دهند.
فرآیند جفت شدن: نوکلئوتیدهای مکمل بر اساس از رابطه مکملی بین بازهای آلی (آدنین با تیمین و گوانین با سیتوزین) به رشته الگو جفت می‌شوند.
شکل 11 - همانندسازی دِنا
نتیجه نهایی
در نهایت با همکاری آنزیم‌ها و جفت شدن بازهای آلی، همانندسازی انجام و موجب انتقال پایدار اطلاعات ژنتیکی از یک نسل به نسل بعدی می‌شود.
دوراهی همانندسازی
تعریف دوراهی همانندسازی
دوراهی همانندسازی ساختاری Yمانند است که در محلی که دو رشته دنا از هم توسط هلیکاز جدا می‌شوند، تشکیل می‌شود. هر ساختار Yمانند یک دوراهی همانندسازی محسوب می‌شود. در هر نقطه آغاز همانندسازی، دو دوراهی تشکیل می‌شود، زیرا همانندسازی فرآیندی دوجهتی است. هر دوراهی همانندسازی امکان پیشروی فرآیند در دو جهت را فراهم می‌کند.
تشکیل دوراهی
زمانی که هلیکاز دو رشته دنا را از هم باز می‌کند، ساختاری شبیه Y ظاهر می‌شود که آن را دوراهی همانندسازی می‌نامند.
در فاصله بین دو دوراهی:
آنزیم هلیکاز پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته دنای اولیه را از هم گسیخته و رشته‌ها از یکدیگر باز می‌شوند.
در فرآیند همانندسازی، اتصال نوکلئوتیدها به زنجیره جدید منجر به شکل‌گیری پیوندهای فسفودی‌استر می‌شود و این کار تحت هدایت آنزیم دنابسپاراز انجام می‌گیرد.