วิธีที่เซลล์คัดลอกเกลียวคู่ด้วยโพลีเมอเรส ไพรเมอร์ ส้อม การพิสูจน์อักษร และการซ่อมแซม
การจำลองแบบ DNA
การจำลองแบบ DNA คือกระบวนการของเซลล์ที่คัดลอกข้อมูลทางพันธุกรรมก่อนการแบ่งเซลล์ โดยใช้แต่ละเกลียวของเกลียวคู่เป็นเทมเพลตเพื่อสร้างเกลียวเสริมใหม่ที่มีความแม่นยำสูง
การจำลองแบบ DNA ทำอะไร
ก่อนที่เซลล์จะแบ่ง เซลล์นั้นจะต้องคัดลอก DNA เพื่อให้เซลล์ลูกแต่ละเซลล์ได้รับชุดคำสั่งทางพันธุกรรมที่ครบถ้วน การจำลองแบบ DNA เป็นกระบวนการที่สร้างสำเนานั้น จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโต การซ่อมแซมเนื้อเยื่อ การสืบพันธุ์ และการถ่ายทอดทางพันธุกรรม ในมนุษย์ ทุกเซลล์ที่แบ่งแยกจะต้องคัดลอกคู่เบส DNA หลายพันล้านคู่ ในขณะที่แบคทีเรียและไวรัสจะคัดลอกจีโนมที่มีขนาดเล็กกว่าโดยใช้กลไกที่เกี่ยวข้อง แต่บางครั้งก็ต่างกัน
เหตุใดเกลียวคู่จึงมีความสำคัญ
DNA มีสองเส้นพันกันเป็นเกลียวคู่ เบสจับคู่ในลักษณะที่คาดเดาได้: อะดีนีนจับคู่กับไทมีน และไซโตซีนจับคู่กับกัวนีน เนื่องจากกฎการจับคู่ฐานนี้ แต่ละเกลียวเดิมจึงสามารถใช้เป็นแม่แบบสำหรับสร้างเกลียวคู่ที่หายไปขึ้นมาใหม่ได้ การจำลองแบบเรียกว่ากึ่งอนุรักษ์นิยม เนื่องจากโมเลกุล DNA ที่เสร็จแล้วแต่ละโมเลกุลประกอบด้วยเกลียวดั้งเดิมหนึ่งเส้นและเกลียวที่สร้างขึ้นใหม่หนึ่งเส้น
เมื่อการจำลองแบบเริ่มต้นขึ้น
การจำลองเริ่มต้นที่ลำดับ DNA เฉพาะที่เรียกว่าต้นกำเนิดของการจำลอง โปรตีนรู้จักต้นกำเนิดเหล่านี้ เปิดเกลียวคู่ และสร้างฟองอากาศจำลอง ที่ปลายแต่ละด้านของฟองอากาศจะมีทางแยกการจำลอง ซึ่งเป็นบริเวณรูปตัว Y ที่ DNA กำลังถูกคลายและคัดลอก แบคทีเรียมักมีต้นกำเนิดหลักเพียงจุดเดียวบนโครโมโซมทรงกลม ในขณะที่เซลล์ยูคาริโอต เช่น เซลล์พืชและสัตว์ ใช้ต้นกำเนิดหลายจุดบนโครโมโซมเชิงเส้นยาว
เครื่องจักรการจำลองแบบ
เอนไซม์หลายชนิดทำงานร่วมกัน Helicase คลายเกลียวคู่ โปรตีนที่จับตัวเป็นเกลียวเดี่ยวจะป้องกันไม่ให้เกลียวที่แยกออกจากกันกลับมารวมกัน Topoisomerase ช่วยลดความเครียดจากการบิดตัวบริเวณหน้าส้อม Primase สร้างไพรเมอร์ RNA แบบสั้น เนื่องจาก DNA polymerase ไม่สามารถเริ่มเกลียวใหม่ได้ด้วยตัวเอง DNA polymerase ขยายจากไพรเมอร์โดยการเติมนิวคลีโอไทด์ DNA ligase ปิดผนึกช่องว่าง ดังนั้น sugar-phosphate backbone จึงมีความต่อเนื่อง
เส้นนำและล้าหลัง
DNA polymerase สามารถเพิ่มนิวคลีโอไทด์ไปที่ปลาย 3-prime ของเส้นใยที่กำลังเติบโตเท่านั้น ดังนั้น DNA ใหม่จึงถูกสร้างขึ้นในทิศทาง 5-prime ถึง 3-prime เนื่องจากเทมเพลตเกลียวทั้งสองวิ่งไปในทิศทางตรงกันข้าม เกลียวใหม่หนึ่งเกลียวจึงถูกคัดลอกไปยังทางแยกอย่างต่อเนื่อง นี่คือเกลียวชั้นนำ อีกอันถูกคัดลอกออกจากทางแยกโดยย่อ Okazaki fragments; นี่คือเส้นที่ล้าหลัง ต่อมา ไพรเมอร์จะถูกลบออก แทนที่ด้วย DNA และแฟรกเมนต์จะถูกรวมเข้าด้วยกันด้วย ligase
พิสูจน์อักษรและซ่อมแซม
การจำลองแบบมีความถูกต้องเนื่องจาก DNA polymerases เลือกฐานตามการจับคู่เทมเพลตและโพลีเมอเรสจำนวนมากจะตรวจทานในขณะที่ทำงาน หากมีการเพิ่มฐานที่ไม่ถูกต้อง การพิสูจน์อักษรสามารถลบออกได้ก่อนที่การสังเคราะห์จะดำเนินต่อไป ระบบการซ่อมแซมเพิ่มเติมสามารถแก้ไขความไม่ตรงกันหรือความเสียหายหลังการจำลองแบบได้ ระบบเหล่านี้ไม่สมบูรณ์แบบ ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงบางอย่างจึงกลายเป็นการกลายพันธุ์ การกลายพันธุ์อาจส่งผลเป็นกลาง เป็นอันตราย หรือมีประโยชน์ต่อวิวัฒนาการเป็นบางครั้ง แต่ในเซลล์ของร่างกาย การกลายพันธุ์สามารถทำให้เกิดมะเร็งได้เช่นกัน
เทโลเมียร์และความเครียดในการจำลอง
โครโมโซมยูคาริโอตมีลักษณะเป็นเส้นตรง ซึ่งสร้างปัญหาที่ส่วนปลายเนื่องจากการจำลองแบบธรรมดาไม่สามารถคัดลอกส่วนปลายสุดของเกลียวที่ล้าหลังได้ทั้งหมด เทโลเมียร์ถูกทำซ้ำตามลำดับ DNA เพื่อปกป้องปลายโครโมโซม และเทโลเมียร์สามารถขยายออกไปในบางเซลล์ได้ ความเครียดในการจำลองเกิดขึ้นเมื่อการคัดลอกช้าลงหรือหยุดทำงานเนื่องจากความเสียหาย DNA ลำดับที่ยากลำบาก ปริมาณนิวคลีโอไทด์ต่ำ หรือการชนกับกระบวนการของเซลล์อื่นๆ เซลล์จะต้องจัดการความเครียดนี้เพื่อรักษาเสถียรภาพของจีโนม
ทำไมมันถึงสำคัญ
การจำลองแบบ DNA มีความสำคัญเนื่องจากชีวิตขึ้นอยู่กับการคัดลอกข้อมูลทางพันธุกรรมอย่างถูกต้องเพียงพอที่จะรักษาเอกลักษณ์ แต่มีความยืดหยุ่นเพียงพอสำหรับการวิวัฒนาการในช่วงเวลาที่ยาวนาน การทำความเข้าใจการจำลองแบบช่วยอธิบายการถ่ายทอดทางพันธุกรรม การพัฒนา การแก่ชรา มะเร็ง เป้าหมายยาปฏิชีวนะ การติดเชื้อไวรัส โรคทางพันธุกรรม เทคโนโลยีชีวภาพ และลำดับ DNA เมื่อการจำลองแบบได้ผล เซลล์จะส่งต่อคำสั่ง เมื่อล้มเหลว ผลที่ตามมาอาจมีตั้งแต่การเปลี่ยนแปลงที่ไม่เป็นอันตรายไปจนถึงโรคร้ายแรง