تضاعف الحمض النووي وأهميته

بالتأكيد ، إليك ملاحظات الدراسة من النص المقدم:

تضاعف الحمض النووي (DNA REPLICATION)

• عملية أساسية لتقسيم الخلايا ونقل المعلومات الجينية بدقة.

أهمية التضاعف في الكائنات الحية

• في الكائنات وحيدة الخلية، يؤدي إلى تكوين كائن جديد.
• في الكائنات متعددة الخلايا، يساعد في تشكيل خلايا جديدة كجزء من الكائن الحي.

بداية التضاعف

• في حقيقيات النوى (Eukaryotes)، يبدأ التضاعف في المرحلة S من دورة الخلية (مرحلة التخليق).
• في بدائيات النوى (Prokaryotes)، يعتمد على كمية البروتين وحجم الخلية.
• يلعب بروتين DnaA دورًا حاسمًا في هذه العملية عند وصوله إلى مستوى معين.

المعلومات الوراثية

• الوحدة الأساسية للمعلومات الوراثية هي "الجين".
• جميع الكائنات الحية تحتوي على جينات توجد في الكروموسومات.
• كل الجينات تشكل المعلومات الوراثية التي يتم نقلها في الحمض النووي (DNA) أو الحمض النووي الريبوزي (RNA).

المكونات الأساسية للأحماض النووية

• الوحدات البنائية للأحماض النووية هي النيوكليوتيدات (Nucleotide).
• النيوكليوتيدات تتكون من سكر خماسي (ribose في RNA و deoxyribose في DNA).
• تتكون أيضًا من قاعدة نيتروجينية (أدنين، جوانين [Purine]، ثايمين، سيتوزين، يوراسيل [Pyrimidine]) وجزيء فوسفات.

المبدأ المركزي (CENTRAL DOGMA)

• المعلومات الوراثية المخزنة في الحمض النووي (DNA) تنتقل إلى الحمض النووي الريبوزي (RNA).
• الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) ينقل التعليمات من الحمض النووي (DNA) إلى الريبوسومات.
• الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) يحول تسلسل mRNA إلى حمض أميني.
• الحمض النووي الريبوزي الريبوزومي (rRNA) ضروري للتركيب الهيكلي والتحفيزي.

العمليات الرئيسية في المبدأ المركزي

• التضاعف (Replication): نسخ الحمض النووي (DNA).
• النسخ (Transcription): تخليق mRNA من الحمض النووي (DNA).
• الترجمة (Translation): تخليق البروتين من mRNA، ويحدث في الريبوسومات.

الفروق في البكتيريا

• جزيء mRNA واحد يمكن أن يشفر أكثر من بروتين واحد.
• لا توجد نواة (Nucleus)، وتحدث عمليات التضاعف والنسخ والترجمة في منطقة النيوكليود.
• تتم عمليات النسخ والترجمة بشكل متزامن.

خصائص الحمض النووي (DNA)

• يتكون من سلسلتين متكاملتين متوازيتين بشكل معاكس.
• يتميز بوجود روابط هيدروجينية ضعيفة بين القواعد.
• يتم تحديد الاقتران القاعدي (base pairing)؛ أدنين (A) يرتبط مع ثايمين (T) برابطتين هيدروجينيتين، وجوانين (G) يرتبط مع سيتوزين (C) بثلاث روابط هيدروجينية.

حجم الحمض النووي (DNA)

• 1000 قاعدة DNA تساوي 1 كيلوبايت (kb).
• الحمض النووي المزدوج (double-stranded DNA) يساوي كيلوبايت (kbp).
• البكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli) تحتوي على 4640 كيلوبايت (kbp) من الحمض النووي (DNA).

البنية الفائقة (Super coiling)و دور انزيم Topoisomerases

• يحدث التواء فائق للحمض النووي (DNA) بواسطة إنزيمات توبويزوميراز (Topoisomerases).
• الحمض النووي (DNA) للبكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli) أطول بعدة مرات من الخلية نفسها.

دقة التضاعف

• التضاعف عملية دقيقة جدًا تهدف إلى نقل المعلومات الوراثية بدقة كاملة (%100).
• يستغرق تضاعف كروموسوم الحمض النووي (DNA) في الإشريكية القولونية (E. coli) 40 دقيقة.
• منطقة الحمض النووي (DNA) حيث يحدث التضاعف تسمى "Replicon".

التضاعف شبه المحافظ

• كل جزيء جديد من الحمض النووي (DNA) يتكون من سلسلة جديدة وسلسلة قديمة.
• اكتشف Watson و Crick هذه الطريقة من التضاعف.

اتجاه تخليق الحمض النووي (DNA )

• دائمًا ما يتم تخليق الحمض النووي (DNA) في اتجاه 5' إلى 3'.
• يتم ربط الفوسفات في الطرف 5' للنيوكليوتيد القادم بمجموعة 3'-OH للنيوكليوتيد السابق.

الإنزيمات الرئيسية في التضاعف

• بوليميراز الحمض النووي (DNA polymerase) هو الإنزيم الرئيسي المسؤول عن تخليق الحمض النووي (DNA).
• في الإشريكية القولونية (E. coli)، هناك خمسة أنواع من بوليميراز الحمض النووي (DNA polymerase) (I-V).
• بوليميراز الحمض النووي (DNA polymerase) III هو الإنزيم الأساسي لتخليق الحمض النووي (DNA).
• برايميز (Primase) يقوم بتخليق بادئ RNA (RNA primer) لبدء التضاعف.

اكتشاف بوليميراز الحمض النووي (DNA polimeraz)

• تم اكتشاف أول إنزيم، بوليميراز الحمض النووي (DNA polimeraz) I، بواسطة آرثر كورنبرغ وزملاؤه في عام 1957.
• اكتشافه كان علامة فارقة في علم الأحياء الجزيئي.

وظيفة بوليميراز الحمض النووي I

• يمتلك نشاط نوكلياز خارجي 5'-3' .
• يمكنه إزالة النيوكليوتيدات من التسلسل، وهو أكثر وفرة وأكثر استقرارًا من بوليميراز الحمض النووي III، يقوم بإزالة بادئ RNA واستبداله بالحمض النووي (DNA).

دور النيوكليوتيدات الحرة

• النيوكليوتيدات الحرة (ديوكسي ريبونوكليوسيد ثلاثي الفوسفات؛ dNTPs) تعمل كركائز(substrates) لهذا الإنزيم.

آلية (Mechanism) التضاعف

• يبدأ التضاعف عند مواقع محددة تسمى "origins of replication".
• يتم التعرف على هذه المواقع بواسطة جهاز التضاعف.
• يتم فك الحمض النووي المزدوج (dsDNA) بواسطة إنزيم الهيليكاز (Helicase).

منطقة أوريك (oriC)

• تحتوي منطقة أوريك (oriC) على تسلسلات متكررة غنية بمحتوى AT، مما يسهل فك اللولب.
• يرتبط بروتين DnaA بهذه المنطقة ويفتح الحمض النووي (DNA).

شوكة (Fork) التضاعف

• هيليكاز (Helikase) يفك اللولب المزدوج باستخدام energy من ATP.

خطوات بدء التضاعف

• هيليكاز (Helikase) يقوم بفك اللولب.
• برايميز(Primase) يقوم بتخليق بادئ RNA.
• بروتين الربط أحادي السلاسل (SSBP) يقوم بتثبيت الحمض النووي (DNA) أحادي السلاسل.
• بوليميراز الحمض النووي (DNA polymerase )III يقوم ببدء عملية استطالة السلسلة (chain elongation).
• الحمض النووي (DNA) جيراز ( gyrase) يفك الحمض النووي (DNA) الفائق الالتواء عن طريق إحداث شقوق.

وظيفة DnaA

• البروتين DnaA هو بروتين البادئ للتضاعف، يفتح الحمض النووي (DNA).
• يرتبط بصناديق dnaA في منطقة oriC.

السلسلة الرائدة (Leading Strand) والسلسلة المتأخرة (Lagging Strand)

• تخليق الحمض النووي (DNA) على السلسلة الرائدة (Leading Strand) مستمر.
• تخليق الحمض النووي (DNA) على السلسلة المتأخرة (Lagging Strand) متقطع، وينتج عنه أجزاء أوكازاكي.

الإنزيمات الرئيسية في عمليات إكمال التضاعف

• يقوم بوليميراز الحمض النووي (DNA) III بتخليق الحمض النووي (DNA).
• يقوم بوليميراز الحمض النووي (DNA) I بإزالة بداء RNA واستبداله بالحمض النووي (DNA).
• يقوم دي أن أي ليجيز (DNA ligase) بلصق الفجوات بالحمض النووي (DNA) .

التضاعف ثنائي الاتجاه

• يبدأ التضاعف ثنائي الاتجاه من منطقة أوريك (oriC).

• • كل كروموسوم يحتوي على شوكتي تضاعف تتحركان في اتجاهين متعاكسين، وهي عملية تعرف بتضاعف الحمض النووي. يحدث ذلك خلال مرحلة النسخ في دورة حياة الخلية، حيث تتفاعل إنزيمات معينة مع وسط الحمض النووي لضمان ظهور نسخ دقيقة.
  • تتوقف عملية التضاعف عند منطقة محددة بالحمض النووي تُعرف باسم "Ter sequence". هذه المنطقة تعتبر نقطة إنهاء مهمة تضمن أن عملية التضاعف لا تستمر بشكل غير محدود وتؤدي إلى نسخ إضافية غير ضرورية.

  آلية التدقيق اللغوي (Proofreading)

  • معدل الخطأ منخفض جدًا بسبب:

    • إضافة قواعد بواسطة بوليميراز الحمض النووي III وفقًا لقواعد الاقتران القاعدي، حيث يتفاعل الإنزيم بدقة مع القواعد الموجودة على سلاسل الحمض النووي لضمان التوافق المناسب.
    • تعتبر آلية التدقيق اللغوي فعالة أيضًا لبوليميراز الحمض النووي I، حيث يقوم هذا الإنزيم بالتحقق من الأخطاء وإصلاحها، مما يُسهم في المحافظة على استقرار الحمض النووي ويقلل من فرص حدوث طفرات.

  • كل كروموسوم يحتوي على شوكتي تضاعف تتحركان في اتجاهين متعاكسين، مما يعظم من كفاءة التداخل بين الجينات، ويعزز من تنوع المعلومات الوراثية ضمن الخلايا.

  • تتوقف العملية عند منطقة محددة بالحمض النووي، تُعرف بـ"Ter sequence"، مما يعكس دقة العمليات الحيوية في الخلايا.

  آلية التدقيق اللغوي (Proofreading)

  • معدل الخطأ منخفض جدًا نتيجة:

    • الإضافة المنظمة للقواعد بواسطة بوليميراز الحمض النووي III، مما يضمن تكوين نسخ دقيقة تتماشى مع نمط التزاوج الفريد.
    • تكون آلية التدقيق اللغوي أيضًا فعالة لبوليميراز الحمض النووي I، الذي يمتلك قدرة فريدة على تصحيح الأخطاء بعد وقوعها، مما يزيد من دقة النسخ الوراثية.

  • II.