21.10
يتضمن تكرار DNA فصل خيطي اللولب المزدوج، حيث يعمل كل خيط كقالب يتم من خلاله نسخ الخيط التكميلي الجديد. بعد النسخ المتماثل، يتضمن كل DNA مزدوج الشريطة…
يحدث تضاعف الـDNA عبر تكوين سلاسل جديدة من الـDNA،باستخدام السلاسل الموجودة كقالب. يحتوي كل من اللولبين الجديدين على سلسلة قالب أصلية وسلسلة وليدة تكونت حديثًا،ولهذا يُطلق على هذه العملية،التضاعف نصف المحافظ. لبدء التضاعف،يعمد إنزيم،هو الهيليكيز،على فكك لولب الـDNA وتحطيم الروابط الهيدروجينية بين السلسلتين.
بعد ذلك يفصل السلسلتين مشكلًا بنية على شكل Y،تُعرف بشوكة التناسخ،حيث يصبح باستطاعة إنزيمات إضافية الوصول إلى سلاسل القوالب. ثم يأتي إنزيم آخر هو البريميز،ليضيف قطعًRNA قصيرة،تُسمى البادئات على كل سلسلة قالب. هذه البادئات ضرورية لتكوين الـDNA،لأن بوليميراز الـDNA يستطيع أن يضيف نيوكليوتيدات فقط لسلسلة موجودة أصلًا.
يُضاف بوليميراز الـDNA إلى السلاسل الوليدة،التي في طور التكوين على جانبي قالب الـDNA. إضافة النيوكليوتيدات تسترشد بالتسلسل الأصلي لسلسلة الـDNA،وفقًا لقواعد الاقتران في الـDNA. يحدث تكوين إحدى السلاسل الوليدة،و هي السلسلة المتقدمة،باتجاه حركة شوكة التناسخ.
أما السلسلة الأخرى،السلسلة المتأخرة،فتتكون بالاتجاه المعاكس. يؤدي هذا إلى أن تتكون السلسلة المتقدمة على شكل بوليمر متواصل،بينما تتكون السلسلة المتأخرة على شكل قطع قصيرة. يحدث هذا لأن الـDNA يستطيع أن يتكون فقط من الاتجاه 5'إلى الاتجاه 3'قبل إضافتها إلى البوليمر الذي في طور التكوين،تتواجد النيوكليوتيدات على شكل ريبونوكليوسيد منقوص الأكسجين ثلاثي الفوسفات،بحيث تترابط ثلاث ذرات فوسفات مع ذرة الكربون الخامسة في السكر.
يتفاعل النيوكليوسيد ثلاثي الفوسفات مع مجموعات الهيدروكسيل في الطرف 3'وهي مجموعة OH المرتبطة بذرة الكربون الثالثة في السكر،عند طرف السلسلة التي في طور التكوين. يتسبب التفاعل بانطلاق البيروفوسفات،وتشكيل رابطة فوسفات ثنائية الإستر بين النيوكليوتيدتين. بعد تكوين السلاسل الجديدة،فإن H الموجودة في الـ RNase،أو البدائل الاضافية من بوليميرازات الـDNA،تزيل البادئات،وتصنع الـDNA مكانها.
بعد ذلك،تُغلق الفجوات بين القطع بواسطة إنزيم ليغاز الـDNA،لتكوين سلسلة متواصلة. تستمر إضافة النيوكليوتيدات إلى أن تلتقي شوكتا تناسخ،فينتج عن ذلك اكتمال التضاعف.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why is DNA replication called semiconservative?
DNA replication is semiconservative because each newly formed double helix contains one original template strand and one newly synthesized daughter strand. After replication, the two resulting DNA molecules each preserve one parental strand from the original double helix, ensuring genetic continuity while incorporating new genetic material.
Q2: What role does helicase play in DNA replication?
Helicase unwinds the DNA double helix by breaking hydrogen bonds between the two strands. This separation creates a Y-shaped structure called the replication fork, which exposes the template strands so that other enzymes can access and copy them during DNA synthesis.
Q3: Why are RNA primers necessary for DNA synthesis?
RNA primers are essential because DNA polymerase can only add nucleotides to an existing strand; it cannot initiate synthesis de novo. Primase adds short RNA fragments to each template strand, providing the 3'-OH group that DNA polymerase requires to begin extending the new DNA strand.
Q4: How does the directionality of DNA synthesis affect leading and lagging strand formation?
DNA polymerase synthesizes only in the 5' to 3' direction. The leading strand is synthesized continuously toward the replication fork. The lagging strand grows away from the fork, requiring DNA polymerase to repeatedly restart synthesis, producing short DNA fragments called Okazaki fragments separated by RNA primers.
Q5: What happens to nucleotide triphosphates when they are added to the growing DNA strand?
Nucleotide triphosphates react with the 3'-OH group at the end of the growing strand. This reaction releases pyrophosphate, and the energy from breaking phosphate bonds drives the formation of a phosphodiester bond between nucleotides, linking them together in the DNA backbone.
Q6: How are gaps sealed after DNA polymerase removes RNA primers?
After RNase H or DNA polymerase variants remove RNA primers and fill the gaps with DNA nucleotides, the enzyme DNA ligase seals the remaining nicks. DNA ligase catalyzes the formation of phosphodiester bonds between the 3'-OH end of one DNA fragment and the 5' phosphate end of the adjacent fragment.
Q7: How does eukaryotic DNA replication differ from prokaryotic replication?
Eukaryotic genomes are larger and more complex, with multiple origins of replication per chromosome, whereas prokaryotes have single origins. Eukaryotic replication occurs at approximately 100 nucleotides per second—ten times slower than prokaryotic replication. Despite these differences, the essential enzymatic steps and base pairing and its significance in DNA replication remain fundamentally similar.