การจำลองแบบของดีเอ็นเอ

กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก ซึ่งก็คือ DNA ( DNAเป็นตัวย่อในภาษาอังกฤษ) ประกอบขึ้นเป็นลักษณะเฉพาะของแต่ละเซลล์เนื่องจากเป็นสารพันธุกรรม เมื่อเซลล์แบ่งตัวเป็นสองเซลล์ ไม่ว่าจะผ่านไมโทซิสหรือไมโอซิส สารชีวโมเลกุลและออร์แกเนลล์จะต้องทำซ้ำเพื่อสร้างเซลล์ใหม่แต่ละเซลล์ ในเซลล์ยูคารีโอต จะพบดีเอ็นเอภายในนิวเคลียสของเซลล์ และต้องจำลองแบบอย่างแน่นอนเพื่อให้แน่ใจว่าเซลล์ใหม่สองเซลล์นั้นเหมือนกันกับเซลล์ที่สร้างเซลล์เหล่านั้น และมีจำนวนโครโมโซมที่ถูกต้องด้วย กระบวนการทำซ้ำของ DNA เรียกว่า  การจำลองแบบ; เป็นกระบวนการที่จำเป็นในการเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์ของเซลล์ ตลอดจนในกระบวนการซ่อมแซมเซลล์ กระบวนการจำลองแบบของ DNA มีหลายขั้นตอนและเกี่ยวข้องกับโปรตีนหลายชนิดที่เรียกว่าเอนไซม์จำลองแบบเช่นเดียวกับRNA กรดไรโบนิวคลีอิก  ในเซลล์ยูคาริโอตเซลล์ที่ประกอบกันเป็นสัตว์และพืช การจำลอง แบบของดีเอ็นเอเกิดขึ้นในเฟส S ของวัฏจักรเซลล์

นี่คือลักษณะสำคัญของการจำลองแบบของ DNA:

• กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกหรือที่เรียกกันทั่วไปว่า DNA เป็นกรดนิวคลีอิกที่มีองค์ประกอบหลักสามส่วน ได้แก่ น้ำตาล ดีออกซีไรโบส; กลุ่มฟอสเฟต และฐานไนโตรเจน
• เนื่องจาก DNA ประกอบด้วยสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต จึงเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องมีการคัดลอกทันทีเมื่อเซลล์แบ่งตัว กระบวนการทางชีวเคมีที่ซับซ้อนซึ่งนำไปสู่การคัดลอก DNA เรียกว่าการจำลองแบบ
• การจำลองแบบเกี่ยวข้องกับการผลิตดีเอ็นเอสายที่เหมือนกันจากโมเลกุลดีเอ็นเอเกลียวคู่
• เอนไซม์มีความสำคัญต่อการจำลองแบบของ DNA เนื่องจากพวกมันกระตุ้นขั้นตอนที่สำคัญมากในกระบวนการนี้
• กระบวนการทั่วไปของการจำลองแบบของ DNA มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเติบโตของเซลล์และการสืบพันธุ์ของสิ่งมีชีวิต นอกจากนี้ยังมีความสำคัญในกระบวนการซ่อมแซมเซลล์

โครงสร้างของดีเอ็นเอ

DNA หรือกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกเป็นโมเลกุลชนิดหนึ่งที่เรียกว่ากรดนิวคลีอิก ประกอบด้วยดีออกซีไรโบส น้ำตาลที่มีคาร์บอน 5 อะตอม (C ₅ H ₁₀ O ₄ ) ฟอสเฟต และไนโตรเจนเบส DNA ประกอบด้วยกรดนิวคลีอิกสองสายที่มีรูปร่างเป็นเกลียวซึ่งเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างเกลียวคู่ รูปร่างเกลียวที่พันกันทำให้ DNA เป็นโมเลกุลที่เรียกว่าโครมาตินและเป็นส่วนประกอบของโครโมโซม ก่อนการจำลองแบบของ DNA โครมาตินจะเปิดออกเพื่อให้กระบวนการจำลองแบบของเซลล์ของสาย DNA เข้าควบคุม

กำลังเตรียมการจำลองแบบ

ขั้นตอนที่ 1: การก่อตัวของส้อมการจำลองแบบ

ก่อนที่กระบวนการจำลองแบบของ DNA จะเริ่มต้นขึ้น จะต้องแยกสายที่พันกันสองเส้นที่ประกอบกัน DNA ประกอบด้วยเบสสี่ชนิดที่เรียกว่า adenine (A), thymine (T), cytosine (C) และ guanine (G) ซึ่งจัดเป็นคู่ที่เชื่อมโซ่ทั้งสองเข้าด้วยกันและสร้างสะพาน อะดีนีนจับกับไทมีนเท่านั้น ส่วนไซโตซีนจับกับกัวนีนเท่านั้น เพื่อแยกสายดีเอ็นเอทั้งสองออกจากกัน สะพานเชื่อมเหล่านี้ที่เกิดจากฐานจะต้องแตกออก กระบวนการนี้ดำเนินการโดยเอนไซม์ที่เรียกว่า DNA helicase DNA helicase ขัดขวางพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบสที่ก่อตัวเป็นสะพานเชื่อมระหว่างสองเส้นตามลำดับ ดึงพวกมันออกจากกัน และในกระบวนการนี้ จะเปลี่ยนเกลียวคู่เป็นส่วนประกอบการแตกกิ่งรูปตัว Y ที่รู้จักกันในชื่อ replication fork ดังที่แสดงไว้ใน รูป.

อันเป็นผลมาจากการแยกโซ่และพิจารณาว่าฐานที่สร้างสะพานนั้นแตกต่างกันในแต่ละโซ่ แต่ละโซ่จะมีองค์ประกอบที่แตกต่างกันหลังจากการแบ่ง จุดสิ้นสุดของสะพานที่ยังคงอยู่ในแต่ละเส้นหลังจากการแยกจะแสดงเป็น 5 ′หรือ 3 ′ ปลาย 5′ มีหมู่ฟอสเฟต (P) ในขณะที่ปลาย 3′ มีหมู่ไฮดรอกซิล (OH) ทิศทางนี้มีความสำคัญในกระบวนการจำลอง เนื่องจากเกิดขึ้นในทิศทาง 5′ ถึง 3′ เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ตามที่ระบุไว้ การแยกส่วนทำให้เกิดจุดสิ้นสุดที่แตกต่างกันในแต่ละห่วงโซ่ สตริงหนึ่งจะถูกวางในทิศทาง 3 ‘ถึง 5’ ซึ่งเป็นสตริงนำ ในขณะที่อีกสตริงหนึ่งจะวางในทิศทาง 5 ‘ถึง 3’ ซึ่งเป็นสตริงที่ปกคลุมด้วยวัตถุฉนวน ดังนั้น,

การจำลองแบบเริ่มต้นขึ้น

ขั้นตอนที่ 2: การเริ่มต้นผูกพัน

ห่วงโซ่หลักนั้นง่ายที่สุดในการทำซ้ำ เมื่อแยกสาย DNA แล้ว RNA ชิ้นสั้นๆ ซึ่งเป็นโมเลกุลเริ่มต้นจะติดอยู่ที่ปลายด้าน 3 ของสาย ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการจำลองแบบ โมเลกุลเริ่มต้นเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยเอนไซม์ DNA primase

การจำลองแบบของ DNA: การยืดตัว

ขั้นตอนที่ 3: การยืดตัว

เอนไซม์ที่เรียกว่า DNA polymerases มีหน้าที่สร้างเส้นใยใหม่ผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการยืดตัว DNA polymerases มีห้าประเภทที่แตกต่างกันทั้งในแบคทีเรียและเซลล์ของมนุษย์ ในแบคทีเรียเช่นอี โคไล, พอลิเมอเรส III เป็นเอนไซม์หลักในการจำลองแบบ ในขณะที่พอลิเมอเรส I, II, IV และ V มีหน้าที่ตรวจสอบและซ่อมแซมข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นในห่วงโซ่ DNA polymerase III จับกับสายที่ตำแหน่งเริ่มต้นและเริ่มเพิ่มคู่เบสที่สมบูรณ์ใหม่ให้กับสายการจำลอง ในเซลล์ยูคาริโอต อัลฟา เดลต้า และเอปไซลอนโพลีเมอเรสเป็นโพลีเมอเรสหลักที่เกี่ยวข้องกับการจำลองแบบของดีเอ็นเอ เนื่องจากการจำลองจะดำเนินการในทิศทาง 5 ‘ถึง 3’ บนสายหลัก สายใหม่จึงถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่อง

ห่วงโซ่ที่ล้าหลังเริ่มการจำลองแบบจากตัวเริ่มต้นหลายตัว ไพรเมอร์แต่ละตัวถูกคั่นด้วยเบสหลายตัว DNA polymerase เพิ่มชิ้นส่วนของ DNA ที่เรียกว่าชิ้นส่วน Okazaki ไปยังเส้นใยที่อยู่ระหว่างไพรเมอร์ ดังนั้น กระบวนการจำลองแบบจึงไม่ต่อเนื่อง เนื่องจากจะมีการสลับกันในความยาวของสายโซ่ระหว่างตัวริเริ่ม

ขั้นตอนที่ 4: การสิ้นสุด

เมื่อสายที่ต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่องถูกสร้างขึ้น เอนไซม์ที่เรียกว่า exonuclease จะกำจัดไพรเมอร์ RNA ทั้งหมดออกจากสายเดิม ไพรเมอร์เหล่านี้จะถูกแทนที่ด้วยฐานที่สอดคล้องกัน เอ็กโซนิวคลีเอสอีกตัวจะพิสูจน์อักษรดีเอ็นเอที่สร้างขึ้นใหม่เพื่อตรวจสอบ ลบและแทนที่ข้อผิดพลาดใดๆ ที่อาจเกิดขึ้นในกระบวนการ เอนไซม์อีกชนิดหนึ่งที่เรียกว่า DNA ligase จะรวมชิ้นส่วน Okazaki เข้าด้วยกันเป็นเส้นเดียว การสิ้นสุดของ DNA เชิงเส้นทำให้เกิดปัญหา เนื่องจาก DNA polymerase สามารถเพิ่มนิวคลีโอไทด์ในทิศทาง 5 ‘ถึง 3’ เท่านั้น ปลายของสายแม่ประกอบด้วยลำดับดีเอ็นเอซ้ำ ๆ ที่เรียกว่าเทโลเมียร์ Telomeres ทำหน้าที่เป็นฝาครอบป้องกันที่ปลายโครโมโซมเพื่อป้องกันไม่ให้โครโมโซมที่อยู่ใกล้เคียงหลอมรวมกัน เอนไซม์ DNA polymerase ชนิดพิเศษที่เรียกว่า telomerase กระตุ้นการสังเคราะห์ลำดับของ telomere ที่ส่วนท้ายของ DNA เมื่อสร้างเสร็จแล้ว สายแม่และสายดีเอ็นเอคู่สมของมันจะถูกเชื่อมโยงเข้าด้วยกันในรูปแบบเกลียวคู่ที่รู้จักกันดี ในตอนท้ายของกระบวนการทำซ้ำ โมเลกุล DNA 2 โมเลกุลจะถูกสร้างขึ้น แต่ละโมเลกุลประกอบด้วยเส้นใยจากโมเลกุลเดิมและเส้นใยใหม่ที่เกิดจากกระบวนการจำลองแบบ

เอนไซม์จำลองแบบ

การจำลองแบบของ DNA จะไม่เกิดขึ้นหากปราศจากการมีส่วนร่วมของเอนไซม์ที่กระตุ้นขั้นตอนต่างๆ ในกระบวนการ เอนไซม์หลักที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการจำลองดีเอ็นเอของยูคาริโอตคือ:

• DNA helicase: คลี่และแยก DNA สายคู่ขณะที่มันเคลื่อนที่ไปตามความยาวของโมเลกุล ดังนั้นมันจึงสร้างแบบจำลองทางแยกโดยการทำลายพันธะไฮโดรเจนที่สร้างสะพานเชื่อมระหว่างคู่ของนิวคลีโอไทด์ DNA
• DNA primase: RNA polymerase ชนิดหนึ่งที่สร้างไพรเมอร์สำหรับกระบวนการ ไพรเมอร์เป็นโมเลกุลอาร์เอ็นเอสายสั้นที่ทำหน้าที่เป็นแม่แบบที่จุดเริ่มต้นของการจำลองแบบดีเอ็นเอ
• DNA polymerases: สังเคราะห์โมเลกุล DNA ใหม่โดยการเพิ่มนิวคลีโอไทด์ให้กับสาย DNA ชั้นนำและที่ปกคลุมด้วยวัตถุฉนวน
• Topoisomerase หรือ DNA gyrase: คลี่และพันสาย DNA เพื่อป้องกันไม่ให้ DNA พันกัน
• Exonucleases: กลุ่มของเอนไซม์ที่กำจัดเบสของนิวคลีโอไทด์ออกจากปลายสายดีเอ็นเอ
• DNA ligase: รวมชิ้นส่วน DNA ที่สร้างพันธะ phosphodiester ระหว่างนิวคลีโอไทด์

สรุป

การจำลองแบบของดีเอ็นเอเป็นกระบวนการที่สร้างสายดีเอ็นเอที่เหมือนกันจากโมเลกุลดีเอ็นเอเกลียวคู่เดี่ยว แต่ละโมเลกุลของ DNA ใหม่ประกอบด้วยหนึ่งสายจากโมเลกุลเดิมและหนึ่งสายที่เกิดขึ้นในกระบวนการจำลองแบบ ก่อนการจำลองแบบ DNA จะคลี่ออกและเกลียวของเกลียวคู่จะแยกออกจากกัน ส้อมการจำลองรูปตัว Y ถูกสร้างขึ้นซึ่งทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการจำลองแบบ โมเลกุลไพรเมอร์ยึดติดกับสายดีเอ็นเอที่แยกจากกัน และดีเอ็นเอโพลิเมอเรสจะเพิ่มลำดับนิวคลีโอไทด์ใหม่ในทิศทาง 5 ถึง 3

การรวมตัวของนิวคลีโอไทด์นี้ต่อเนื่องบนเกลียวนำและแยกส่วนบนเกลียวที่ปกคลุมด้วยวัตถุฉนวน เมื่อการยืดตัวของสาย DNA เสร็จสิ้นลง สายใหม่จะถูกตรวจสอบหาข้อผิดพลาด ซ่อมแซมตามความจำเป็น และเพิ่มลำดับเทโลเมียร์ที่ส่วนท้ายของ DNA

น้ำพุ

• รีซ, เจน บี. และนีล เอ. แคมป์เบล. แคมป์เบลชีววิทยา . เบนจามิน คัมมิงส์, 2554.
• เลห์นิงเงอร์. หลักการทางชีวเคมี – โอเมก้า รุ่นที่ 6 ปี 2014