שכפול DNA

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

שכפול הדנ"א הוא תהליך יצירת העתק של מולקולות הדנ"א הדו-גדיליות המתרחש בתא. מולקולת הדנ"א החדשה מסונטזת מנוקלאוטידים חופשיים הנמצאים בתא. מולקולת הדנ"א הקיימת משמשת כתבנית ליצירת המולקולה החדשה. קישור הנוקלאוטידים לתבנית מתאפשר באמצעות זיווג בסיסים - קשרי מימן שמסוגלים ליצור ביניהם הבסיסים. הבסיס G חובר לבסיס C באמצעות שלושה קשרי מימן והבסיס A לבסיס T באמצעות שני קשרים.

תהליך השכפול מתרחש במהלך המיטוזה והמיוזה ומהווה אחד משורת התהליכים הקודמים לחלוקת התא. שלב חלוקת התא במחזור התא נקרא גם שלב S. אם שלב זה מוכתר בהצלחה, בסיומו קיימות בתא 2 מולקלות דנ"א דו-גדילי זהות למולקולה המקורית. השכפול הוא תהליך סמי-קונסרבטיבי, שכן כל אחת ממולקולות הדנ"א החדשות מכילה גדיל אחד שמקורו במולקלת הדנ"א המקורית וגדיל אחד אשר נוצר בזמן תהליך השכפול.

תוכן עניינים 1 אילוצים הקיימים בשכפול דנ"א 2 שלבי שכפול הדנ"א 2.1 אתחול 2.2 שכפול 2.3 סיום 3 קישורים חיצוניים

[עריכה] אילוצים הקיימים בשכפול דנ"א

על-מנת לשכפל כרומוזומים שלמים, התא משקיע אנרגיה רבה ביצור האנזימים אשר משכפלים את הדנ"א בקצב של 50 זוגות בסיסים בשנייה. בתאים האאוקריוטיים התהליך מואץ על-ידי התחלה סימולטנית של תהליך השכפול ממספר מקורות שכפול, וכך שכפול כלל הדנ"א בתא אאוקריוטי (כ-3 מיליארד בסיסים בתא אנושי) לוקח כשעה בלבד. דיוק התהליך הוא בעל חשיבות עליונה שכן למוטציות בדנ"א יכולות להיות השפעות הרסניות על תפקיד התא ועל גורל האורגניזם כולו. על-מנת לשמור על מהימנות הדנ"א החדש, קיים בתא מנגנון ענף לתיקון דנ"א שתפקידו לתקן פגמים בזיווג הבסיסים ולתקנם.

עיקרי מנגנון מוכתבים על-ידי מספר הגבלות ביוכימיות אשר מסבכות את המלאכה:

• סינטזת גדיל דנ"א אפשרית רק בכיוון אחד - מקצה ה5' לקצה ה3'.
• סינטזת דנ"א חייבת להתחיל מקצה 3' חשוף של נוקלאוטיד כלשהו. משמעות הדבר היא שלא ניתן "לשתול" נוקלאוטיד דנ"א בודד על גבי תבנית של דנ"א חד-גדילי. לשם כך בתחילת הסינטזה של כל גדיל יש לשתול פריימר קצר - מספר בסיסים של רנ"א שאליו מתחברת ההתחלה של הגדיל החדש. לאחר שימוש יש צורך לסלק את הפריימר, להשלים במקומו מספר בסיסי דנ"א ולסגור קשר פוספודיאסטרי בפתח שנוצר ליד הבסיס שהיה מחובר לפריימר (nick).
• האורך הכולל של הכרומוזומים בתא אאוקריוטי מגיע למספר מיליארדים, בעוד שזמן מחזור התא יכול להמדד בשעות. תהליך השכפול צריך להיות לכן תהליך מהיר במיוחד, תוך שמירה על אמינות מירבית.

[עריכה] שלבי שכפול הדנ"א

תהליך השכפול מתחלק לשלושה שלבים: אתחול (Initiation), שכפול (Replication) וסיום (Termination).

[עריכה] אתחול

תהליך האתחול מתרחש באזור מקור השכפול (Origin of Replication), על גבי מולקלת הדנ"א. ביצורים פרוקריוטים, שלהם לרוב כרומוזום מעגלי בודד, קיים בדרך כלל מקור שכפול אחד, בעוד שבאאוקריוטים, שמולקלות הדנ"א שלהם גדולות בהרבה, השכפול מתחיל בו זמנית במספר מקורות. בתחילת התהליך מספר חלבוני מפתח נקשרים לאזור מקור השכפול וגורמים לפתיחה חלקית של סליל הדנ"א באזור. כתוצאה מפתיחה זו נוצרת בועת השכפול(Replication bubble), שמכילה שני מזלגות השכפול - אחד לכל כיוון (המזלגות קיבלו את שמם מצורת ה-Y שלהם). תהליך השכפול מתקדם משלב האתחול בשני כיוונים, כאשר המזלגות הולכים ומתרחקים ממקור השכפול ובועת השכפול הולכת וגדלה לכל אורך התהליך. במרכזו של כל מזלג נמצאת קבוצת אנזימים. האנזימים העיקריים בתהליך הם:

• דנ"א הליקאז (DNA Helicase): אנזים אשר מבצע התכה (Denaturation) של הדנ"א הדו-גדילי ומפריד אותו לשני גדילים נפרדים.
• חלבונים קושרי חד-גדיל (Single-Strand Binding Proteins):לאחר פתיחת הדו-גדיל, הנטייה הכימית של הגדילים היא לחבור בחזרה, דבר אשר לא יאפשר, כמובן, את שכפולם. תפקיד החלבונים קושרי החד-גדיל הוא למנוע קישור זה ולהשאיר את שני הגדילים כתבניות חשופות.
• דנ"א פרימאז (DNA Primase):כאמור, לא ניתן להתחיל את סינטזת הדנ"א מדיאוקסי נוקלאוטיד (בסיס דנ"א) בודד, אולם הדבר אפשרי עם נוקלאוטיד של רנ"א. תפקידו של הפרימאז הוא ליצור פריימר רנ"א ראשוני שאליו מתחברים לאחר מכן בסיסי הדנ"א.
• דנ"א פולימארז (DNA Polymerase): אנזים אשר מבצע פלמור של שני הגדילים החדשים על ידי יצירת קשרים פוספודיאסטריים בין הנוקלאוטידים אשר נקשרים לאחד מגדילי התבנית. אנזים זה הוא למעשה קומפלקס המורכב ממספר חלבונים הפועלים יחדיו.
• דנ"א ליגאז (DNA Ligase): בשלבים מסוימים בשכפול, נוצר הצורך בסילוק הפריימרים אשר נחוצים לתחילת הסינטזה. לאחר הסילוק יש צורך "לקשר מחדש" בקשר פוספודיאסטרי את הנוקלאוטיד שהיה צמוד לפריימר הרנ"א. הליגאז מבצע תפקיד זה.

[עריכה] שכפול

בשלב זה מזלגות השכפול "מתקדמים" לשני הכיוונים ומתרחקים ממקור השכפול. בפתח של כל מזלג מצוי הדנ"א פולימראז המאריך את הגדילים המתהווים על גבי שתי התבניות המקוריות. בשל האילוץ המתואר לעיל, רק על אחד הגדילים של המזלג ניתן לבצע סינטזה רצופה של גדיל אחד לכל אורך המולקולה - גדיל זה מתחיל בקצה ה5' ומתארך לכיוון ה3'. בכיוון השני נוצרת בעיה שנפתרת על ידי מקטעי אוקזקי. כל כמה מאות בסיסים מוטבע פריימר על התבנית, מסונטז קטע דנ"א קצר בכיוון הנכון ואז הפריימר מסולק. קומפלקס האנזימים אוחז בשני הגדילים של מולקלת הדנ"א בצורה המאפשרת פעילות בו-זמנית של הסינטזה בשני הגדילים.

[עריכה] סיום

בסיום השכפול, כאשר המזלגות משני הצדדים מגיעים לסוף הכרומוזום, נוצרת בעיה חדשה - לאחר שמוסר פריימר הרנ"א של המקטע האוקזקי האחרון, לא ניתן להחליפו במקטע דנ"א, שכן אין קצה 3' חשוף שאליו ניתן לחברו. הפתרון שמצאה האבולוציה לבעיה זו הוא הטלומר. אנזים מיוחד בתא - הטלומראז, אחראי בשלבי התפתחות עובריים של התאים על יצירת מקטעי דנ"א חוזרניים וארוכים בשני צידי הכרומוזום. מקטע דנ"א זה אינו מקודד וכל תפקידו הוא להתקצר במהלך השכפולים שהתא עובר במחזור חייו, כדי שההתקצרות הבלתי נמנעת של הכרומוזום לא תפגע בחלקים המקודדים. כיום מאמינים שמנגנון זה מבקר הזדקנות של התאים ומהווה את אחד ממנגנוני ההגנה של הגוף כנגד גידולים סרטניים. אחת ההיפוטזות היא שחלק מן התאים הסרטניים "רוכשים מחדש" את פעילות הטלומראז ובכך מונעים את מותם הטבעי מ"זקנה".

[עריכה] קישורים חיצוניים

הלכה למעשה - כיצד פועל הדנ"א