سلام. من فرزین رستمی هستم، رتبه 871 کنکور تجربی97 و رتبه 262 کنکور ریاضی92. در این مطلب نکات و مفاهیم مبحث همانندسازی، گفتار دوم فصل 1 زیست دوازدهم، را با هم مرور خواهیم کرد. فصلی که توانایی ترکیب با همه فصل های هر سه کتاب زیست شناسی متوسطه دوم را دارد.
با توجه به مدل واتسون و کریک و وجود رابطه مکملی بین بازها، 3 طرح همانندسازی داریم:
1- همانندسازی حفاظتی: در این طرح هر دو رشتهٔ دِنای قبلی (اولیه) به صورت دست نخورده باقی مانده، وارد یکی از یاخته های حاصل از تقسیم می شوند، دو رشته دِنای جدید هم وارد یاختهٔ دیگر می شوند. یعنی در طی این فرآیند دنای اولیه دست نخورده باقی میماند (با همان نوکلئوتیدهای خودش) و یک دنای جدید با نوکلئوتیدهای مشابه اما جدید تولید میشود.
2- همانندسازی نیمهحفاظتی: در این طرح در هر یاخته یکی از دو رشته دِنا مربوط به دِنای اولیه است و رشتهٔ دیگر با نوکلئوتیدهای جدید ساخته شده است. چون در هر یاختهٔ حاصل، فقط یکی از دو رشته دِنای قبلی وجود دارد، به آن نیمه حفاظتی می گویند. یعنی هر مولکول دنا یک رشته جدید و یک رشته قدیمی دارد.
3- همانندسازی غیر حفاظتی (پراکنده): در این طرح هر کدام از دِناهای حاصل، قطعاتی از رشته های قبلی و رشته های جدید را به صورت پراکنده در خود دارند. یعنی هر رشته از هر مولکول دنا حاوی قطعات جدید و قدیمی است.
آزمایش مزلسون و استال: برای پی بردن به نحوه همانندسازی، باید بتوان رشته های دنای نوساز را از رشته های قدیمی تشخیص داد. لذا آنها با این هدف دناهایی را ساختند که نیتروژن موجود در باز آلی شان ایزوتوپ N15 بود؛ در نتیجه این دناها از دناهایی که با ایزوتوپ N14 ساخته میشوند سنگین تر هستند و میتوان با استفاده از سانتریفیوژ آها را از هم جداسازی کرد.
مرحله اول: آنها ابتدا باکتری ها را در محیط دارای N15 کشت دادند. N15 در ساختار بازهای آلی نیتروژن دار که در ساخت دِنای باکتری شرکت می کنند، وارد شدند. پس از چندین مرحله رشد و تکثیر در این محیط، باکتری هایی تولید شدند که دِنای سنگین تری نسبت به باکتری های اولیه داشتند. اما این دناها به صورت خالص از N15 ساخته نشده اند؛ یعنی در ساختارشان هنوز نوکلئوتیدهایی با N14 وجود دارد اما عمده نوکلئوتیدها دارای N15 هستند لذا دنای موجود در باکتری ها سنگین تر از دنای معمولی است.
مرحله دوم: این باکتری ها را به محیط کشت دارای N14 منتقل کردند. با توجه به اینکه تقسیم باکتری ها حدود 20 دقیقه طول می کشد؛ در فواصل 20 دقیقه ای باکتری ها را از محیط کشت جدا و بررسی کردند. برای سنجش چگالی دِناها در هر فاصلهٔ زمانی، دِنای باکتری را استخراج و در شیبی از محلول سزیم کلرید با غلظت های متفاوت و در سرعتی بسیار بالا گریز دادند؛ در نتیجه مواد بر اساس چگالی در بخش های متفاوتی از محلول در لوله قرار گرفتند.
نتایج این آزمایشات نشان داد که همانندسازی در باکتری ها نیمه حفاظتی است.
نتایج آزمایشات مزلسون و استال:
الف) دِنای باکتری های اولیه پس از گریز دادن، یک نوار در انتهای لوله تشکیل دادند چون هر دو رشته دِنای آنها N15 و چگالی سنگینی داشت.
ب) دِنای باکتری های حاصل از دور اول همانندسازی در محیط کشت حاوی N14 (بعد از 20 دقیقه) پس از گریز دادن، نواری در میانه لوله تشکیل دادند. پس دِنای آنها چگالی متوسط داشت.
پ) دِنای باکتری های حاصل از دور دوم همانندسازی (بعد از 40 دقیقه) پس از گریز دادن دو نوار، یکی در میانه و دیگری در بالای لوله تشکیل دادند. پس نیمی از آنها چگالی متوسط و نیمی چگالی سبک داشتند.
دقت کنید که هم پس از 20 دقیقه و هم پس از 40 دقیقه دنای با چگالی متوسط وجود دارد. حتی پس از هزاران نسل همانندسازی نیز همچنان دنای با چگالی متوسط وجود دارد.
در آزمایش مزلسون و استال پس از 3 نسل همانندسازی:
1- هشت مولکول دنا ایجاد می شود که دو مولکول آن چگالی متوسط و شش مولکول چگالی سبک دارند برای همین پس از سانتریفیوژ در لوله آزمایش دو نوار می بینیم، نوار بالایی پهن تر از نوار پایینی است، در نوار بالایی شش مولكول دنا با چگالی سبك و در نوار پاييني دو مولكول دنا با چگالی متوسط وجود دارد.
۲- بعد از ۶۰دقیقه، شانزده رشته پلی نوکلئوتیدی دنا ایجاد می شود که دو رشته آن چگالی سنگین دارند و چهارده رشته دیگر آن چگالی سبک دارند.
۳- بعد از سه نسل در همه مولکولها رشته ای با چگالی سبک (N۱۴) یافت می شود. در همانندسازی نمی تواند یک رشته متوسط شود. یک رشته یا سبک است یا سنگین است.
نکته: یک مولکول DNA اگر n نسل همانندسازی کند 2 به توان n مولکول ایجاد می شود، که از این مولکول های ایجاد شده فقط دو مولکول از آنها هر کدام یک عدد زنجیره قدیمی (مادری) و یک عدد زنجیره ی جدید را دارند. و بقیه ی مولکولها هر دو زنجیره ی آنها جدید است.
مراحل همانندسازی:
الف) باز شدن پیچ و تاب ډنا: در هسته یوکاریوتها قبل از همانندسازی دنا (یعنی قبل از فعالیت هلیکاز و DNA پلی مراز) باید ابتدا پیچ و تاب فامینه (کروماتین) باز و پروتئین های همراه آن یعنی هیستونها از آن جدا شوند تا همانندسازی بتواند انجام شود. باز شدن پیچ و تاب دنا قبل از همانندسازی و به كمك آنزیم هایی(غير از هليكاز) انجام میشود. باکتریها هیستون ندارند ولی دنای آنها یکسری پروتئین های همراه دارد. بنابراین نمی توان گفت برای همانندسازی دنای هر جانداری الزاما باید دنا از هیستون ها جدا شود.
ب) باز شدن مارپیچ دو رشته ډنا و باز شدن دو رشته ډنا از هم: آنزيم هليكاز ابتدا مارپیچ دنا را باز می کند سپس با شکستن (نه هیدرولیز؛ هیدرولیز مختص شکستن پیوندهای کووالانسی است) پیوند هیدروژنی، دو رشته دنا را در محلی از هم فاصله می دهد. تحقیقات نشان داده است که فقط در محلی که قرار است همانند سازی انجام شود، دو رشته از هم باز می شوند . بقیه قسمت ها بسته میماند و به تدریج باز می شوند.
ج) ساخته شدن رشته دنا از روی رشته الگو: انواعی دیگری از آنزیمها با همدیگر فعالیت می کنند تا یک رشته دنا در مقابل رشته الگو ساخته شود. يكي از مهمترین آنها که نوکلئوتیدهای مکمل را با نوکلئوتیدهای رشته الگو جفت می کند دنا بسپاراژ (DNA پلی مراز) است. این آنزیم نوکلئوتیدها را به صورت مکمل روبروی یکدیگر قرار میدهد و بین نوکلئوتیدهای مجاور پیوند فسفودیاستر برقرار می کند. هنگام اضافه شدن هر نوکلئوتید سه فسفاته به انتهای رشته پلی نوکلئوتید دو تا از فسفاتهای آن جدا می شوند و نوکلئوتید به صورت تک فسفاته به رشته متصل می شود. با توجه به اینکه در محل همانندسازی، همانندسازی در دو جهت انجام میشود، به آن همانندسازی دوجهته می گویند.
دوراهی همانندسازی: هلیکاز با شکستن پیوند هیدروژنی دو رشته دنا را از هم باز می کند. محلی که دو رشته دنا از هم جدا می شوند را حباب همانندسازی می گویند. در محلی که دو رشته دنا از هم جدا می شوند در ساختار Y مانندی به وجود می آید که به هریک از آنها دوراهی همانندسازی می گویند.
نکته1: اضافه شدن یک نوکلئوتید به نوع بازی بستگی دارد که در نوکلئوتید رشته الگو قرار دارد. هر نوکلئوتید باید با نوکلئوتید روی رشته الگو مکمل باشد. به این ترتیب که با استفاده از نوکلئوتیدهای آزاد، در مقابل A ، باز T و در مقابل C باز G قرار می گیرد.
نکته۲: توجه كنيد كه در همانندسازی DNA بیش از دو نوع آنزیم دخالت دارند. اگر بگویند در همانندسازی DNA فقط دو آنزیم هلیکاز و DNA پلی مراز (دنابسپاراز) دخالت دارند نادرست است.
نکته ۳: هر مولكول دنای هستهی یوکاریوتها دارای چندین جایگاه آغاز همانندسازی است ولی اغلب پروکاریوتها فقط يك جايگاه آغاز همانند سازی در دنای خود دارند. به ازای هر جایگاه آغاز همانندسازی، يك عدد حباب همانندسازی و دو عدد دوراهی همانند سازی وجود دارد و دو عدد هلیکاز و چهار عدد DNA پلیمراز فعالیت می کنند.
نکته4: در همانندسازی هر دو رشته دنا، الگو قرار می گیرند. بعد از همانندسازی، دو مولکول DNA تولید می شود در هر مولکول حاصل از همانندسازی، صد در صد یک رشته ی جدید و صد در صد یک رشتهی قدیمی (مادری) است، بنابراین همانندسازی DNA به روش نیمه حفاظت شده است.
فعالیتهای آنزیم DNA پلیمراز (ډنابسپاراز)
نکته1: همانندسازی دنا با دقت زیادی انجام می شود؛ این دقت تا حدود زیادی مربوط به رابطه مکملی بین نوکلئوتیدها است. اگرچه آنزیم دنابسپاراز نوکلئوتیدها را براساس رابطه مکملی مقابل هم قرار میدهد ولی گاهی در این مورد اشتباهی هم صورت می گیرد؛ مثلا اگر در مقابل A به جای C ،T قرار گیرد. برای جلوگیری از این اشتباه آنزیم دنا بسپاراز پس از برقراری هر پیوند فسفودی استر، برمی گردد و رابطه مکملی نوکلئوتید را بررسی می کند که رابطه آن درست است یا اشتباه؟ اگر اشتباه باشد آن را برداشته و نوکلئوتید درست را به جای آن قرار می دهد. برای حذف نوکلئوتید نادرست باید بتواند پیوند فسفودی استر را بشکند و نوکلئوتید نادرست را از دنا جدا کند. توانایی بریدن دنا را فعالیت نوكلئازی گویند که در آن پیوند فسفودی استر میشكند.
نکته۲: آنزيم دنابسپاراز هم فعالیت بسپارازی (پلیمرازی) دارد كه در آن پیوند فسفودی استر را تشکیل می دهد و هم فعالیت نوكلئازی که در آن پیوند فسفودی استر را برای رفع اشتباه میشكند. فعالیت نوکلئازی دنا بسپاراز را که باعث رفع اشتباه ها در همانندسازی می شود، ویرایش می گویند.
نکته۳: آنزیم هلیکاز و DNA پلی مراز (دنابسپاراز) پلیمری از آمینواسید هستند یعنی جنس آنها پروتئینی است و واحد سازنده آنها آمینواسید است و بین مونومرهای آنها پیوند پپتیدی و هیدروژنی وجود دارد. دقت کنید در ساختار این دو آنزیم نوکلئوتید و پیوند فسفودی استر یافت نمی شود.
نکته4: آنزیم هلیکاز و DNA پلی مراز (دنابسپاراز) توسط آنزیم غیر پروتئینی به نام rRNA (رنای ریبوزومی) در سیتوپلاسم ساخته میشوند. در سلول های یوکاریوتی، این آنزیم ها پس از ساخته شدن در سیتوپلاسم از طریق منافذ هسته وارد هسته می شوند. در یوکاریوتها، همانندسازی DNA خطی درون هسته در مرحله S اینترفاز است.
نکته5: میتوکندری و دیسه ها می تواند همراه با یاخته و یا مستقل از آن تقسیم شود. در یوکاریوتها، هلیکاز و DNA پلیمراز می توانند خارج از هسته (در بستره میتوکندری و پلاستها) و خارج از مرحله S(در مرحله G1 ،G0 و G۲) اینترفاز فعالیت کنند. بطور مثال، اغلب نورون ها در G0 قرار دارند و میتوکندری آنها در مرحله G0 تقسیم می شود.
همانندسازی در پروکاریوتها(پیش هسته ای ها)
نکته1: پروکاریوتها که شامل همه باکتریها هستند، اطلاعات وراثتی شان در غشا محصور نشده است. کروموزوم اصلی آنها به صورت یک مولکول دنا حلقویاست در سیتوپلاسم قرار دارد و به غشای پلاسمایی یاخته متصل است. هر یاخته ای که دنای آن به غشای پلاسمایی متصل است قطعا پروکاریوت است.
نکته۲: پروکاریوتها علاوه بر دنای اصلی ممكن است مولکول هایی از دنای دیگر به نام دیسك (پلازمید) در اختیار داشته باشند. اطلاعات این مولکول ها می تواند ویژگی های دیگری را به باکتری بدهد مانند افزایش مقاومت باکتری در برابر آنتی بیوتیک ها.
نکته۳: اغلب پروکاریوتها فقط يك جايگاه آغاز همانندسازی در دنا خود دارند. در این جایگاه دو رشته دنا از هم باز می شوند. برخی پروکاریوتها در دنای خود بیش از يك جايگاه آغاز همانندسازی دارند. بنابراین در جاندارانی که عامل اصلی انتقال صفات وراثتی به غشای یاخته متصل است. می تواند یک یا چند جایگاه آعاز همانندسازی داشته باشد.
نکته4: تحقیقات نشان داده است همانندسازی دوجهتی در باكتریها هم وجود دارد یعنی از یک نقطه همانندسازی شروع و در دو جهت ادامه می یابد تا به همدیگر رسیده و همانندسازی پایان یابد.
نکته5: در بیشتر باكتریها همانندسازی از يك جايگاه آغاز و در دو جهت پیش می رود، در این حالت دو عدد دو راهی همانند سازی وجود دارد و چون DNA باکتریها حلقوی است ، جایگاه پایان همانند سازی مقابل نقطه آغاز همانند سازی است. در این حالت دو عدد هلیکاز و چهار عدد DNA پلی مراز فعالیت می کند.
نکته6: در باكتریها اكر همانندسازی از يك جايگاه آغاز شود و يك جهت پیش برود، یک عدد دو راهی همانند سازی وجود دارد و نقطه ی پایان در کنار نقطه ی آغاز است. در این حالت یک عدد هلیکاز و ۲ عدد آنزیم DNA پلیمراز فعالیت دارند.
همانندسازی در یوکاریوت ها
نکته1: در یوکاریوتها که بقیه موجودات زنده یعنی آغازیان، قارچها، گیاهان و جانوران را شامل می شوند؛ دنا در هر فامتن به صورت خطی است و مجموعه ای از پروتئینها که مهم ترین آنها هیستون ها هستند همراه آن قرار دارند. توجه کنید که اگر بگویند هر پروتئین همراه با دنای داخل هسته هيستون است؛ غلط است چون علاوه بر پروتئین های هیستونی، پروتئین های دیگری هم وجود دارد.
نکته۲: در یوکاریوتها، بیشتر دنا درون هسته قرار دارد که به آن دنای هسته ای گفته میشود. در یوکاریوتها علاوه بر هسته در سیتوپلاسم نیز مقداری دنا وجود دارد که به آن دنای سیتوپلاسمي گفته می شود.
نکته3: در یوکاریوتها دنای سیتوپلاسمی حالت حلقوی دارد و فاقد هیستون است در بستره راکیزه (میتوکندری) و بستره دیسه (پلاست) دیده میشود. در دنای میتوکندری، ژنهای مربوط به اطلاعات مورد نیاز برای ساخته شدن تعدادی از پروتئینهای مهم در تنفس یاخته ای وجود دارند.
نکته4: همانندسازی در یوکاریوتها بسیار پیچیده تر از پروکاریوتها است. علت این مسئله وجود مقدار زیاد دنا و قرار داشتن در چندین فامتن است که هر کدام از آنها چندین برابر دنای باکتری هستند. بنابراین اگر فقط یک جایگاه آغاز همانندسازی در هر فامتن داشته باشند مدت زمان زیادی برای همانندسازی لازم است. به همین علت در یوکاریوتها، آغاز همانندسازی در چندین نقطه در هر فامتن انجام میشود.
نکته5: تعداد جایگاههای آغاز همانندسازی در یوکاریوتها حتی می تواند بسته به مراحل رشد و نمو تنظیم شود؛ مثلا در دوران جنینی در مراحل مورولا وبلاستولا (مرحله تشكيل بلاستوسیست) سرعت تقسیم زیاد و تعداد جایگاه آغاز همانندسازی هم زیاد است. ولی پس از تشکیل اندامها سرعت تقسیم و تعداد نقاط آغاز همانندسازی کم می شوند.
نکته6: در سلول هایی که تقسیم بیشتری دارند مثلا یاخته های مریستم دارای هسته درشت مرکزی هستند و یا سلول های لنفوئیدی و میلوئیدی مغز قرمز استخوان، فعالیت هلیکاز و DNA پلیمراز در آنها بیشتر است و تعداد نقاط آغاز همانندسازی بیشتر است و اینترفاز آنها کوتاه است. سلول های پادتن ساز (پلاستوسیت) و اغلب نورونها در G0 هستند و وارد مرحله S اینترفاز نمی شوند. بنابراین هر کروموزوم آنها تک کروماتیدی است.
نکته7: سلولهای مرده مثل آوند چوبی (تراکئید و عناصر آوندی ) و بافت اسکلرانشیم (اسکلروئيد و فیبر) فاقد هسته هستند و همچنین برخی سلولهای یوکاریوتی مانند اریتروسیت و آوند آبکش زنده هستند ولی فاقد هسته هستند، در این یاخته ها هلیکاز و DNA پلیمراز فعالیت ندارد.
نکته8: در برخی ياخته های فاقد هسته هليكاز و DNA پلی مراز می تواند فعالیت داشته باشد (باكتری ها) یعنی سلول های فاقد هسته می تواند همانند سازی DNA داشته باشد.
نکته9: توجه کنید که در یک فرد تمام ژن هایی که روی یک کروموزوم قرار دارند (چه ژنهای مغلوب و چه ژنهای غالب) به کمک آنزیم های مشابهی (هلیکاز و DNA پلی مراز) و به یک نسبت همانند سازی (مضاعف) می شود. مثلا در یاخته های میلوئیدی و یا یاخته های لنفوئیدی ژن انسولین و ژن هموگلوبین و ژن پیسینوژن و ژن tRNA و ژن rRNA و ... وجود دارند و به کمک آنزیم های مشابهی(هلیکاز و DNA پلی مراز) به یک نسبت همانند سازی (مضاعف) می شوند.
نکته 10: در پایان مرحله S اینترفاز پس از همانندسازی از یک کروموزوم تک کروماتیدی، یک کروموزوم دو کروماتیدی ایجاد می شود. در پایان مرحله S در هر کروموزوم مضاعف شده هر دو رشته قدیمی و هر دو رشته جدید وجود دارند. در هر کروماتید آن یک مولکول DNA وجود دارد که یک رشته آن قدیمی و یک رشته آن جدید است.
۱-در فرایند همانندسازی دنا، به دنبال .............
۱) تشکیل ساختار Y مانند، نوکلئوتیدهای تک فسفاته موجود در محیط توسط آنزیم دنابسپاراز مصرف می شوند.
۲) فعالیت هر آنزیم هلیکاز، دو آنزیم همانند سازی کننده در طی فعالیت نوکلئازی، پیوندهای فسفودی استر را تشکیل می دهند.
۳) اتصال نوکلئوتیدها به انتهای رشته های در حال ساخت، دو مولکول فسفات از نوکلئوتیدها جدا می شوند.
۴) برقراری پیوند فسفودی استر، آنزیم همانندسازی کننده صحت رابطه مکملی بین بازهای آلی را بررسی می کند.
۲-در فرایند همانندسازی در یوکاریوتها...........، پیش هسته ای ها....................
۱) همانند - پیچ و تاب دنا باز و هیستون ها جدا می شوند.
۲) برخلاف - در هر بخش باز شده دنا بیش از یک آنزیم دنابسپاراز فعالیت می کند.
۳) همانند - هر نوکلئیک اسیدی که تحت تأثیر هلیکاز قرار می گیرد، قطعا دو رشته ای است.
۴) برخلاف - فقط در مرحله دوم چرخه یاخته ای، بر مقدار ژنوم یاخته افزوده می شود.
۳-در مراحل همانندسازی دنا ................بلافاصله قبل از ......................... صورت می گیرد.
1) باز شدن پیچ و تاب دنا - باز شدن مارپیچ دنا
۲) باز شدن مارپیچ دنا - شکستن پیوند هیدروژنی
۳) تک فسفانه شدن نوکلئوتید- تشكیل پیوند بین قند و فسفات
۴) جایگزینی نوکلئوتید صحیح - شکسته شدن پیوند فسفودی استر
4-اگر دنای دارای N15 بخواهد با نوکلئوتیدهای دارای N14 به روش ................. همانندسازی کند، انتظار می رود پس از ............... همانندسازی، در لوله های آزمایش خارج شده از دستگاه فراگریزانه ...............
۱) حفاظتی – یک بار- یک نوار در وسط لوله تشکیل شود.
۲) نیمه حفاظتی - دوبار - یک نوار در وسط لوله تشکیل شود.
۳) حفاظتی- دوبار - دو نوار یکی در بالا و دیگری در پایین لوله تشکیل شود.
۴) نیمه حفاظتی - یکبار - دو نوار یکی در وسط و دیگری در پایین لوله تشکیل شود.
5- همه عبارت های زیر به درستی بیان شده اند، به جز ..................
۱) در هر دوراهی همانندسازی، آنزیم های هلیکاز همانند آنزیم های دنا بسپاراز دیده می شوند.
۲) ممکن نیست در همه پروکاریوتها، هر مولکول دنا، در اتصال با غشای یاخته ای باشد.
۳) تشکیل دوراهی همانندسازی، در پی شکستن پیوندهای هیدروژنی توسط آنزیم هلیکاز صورت می گیرد.
4) برای جلوگیری از اشتباه در همانند سازی، آنزيم دنابسپاراز پس از برقراری هر پیوند فسفودی استر، رابطه مکملی نوکلئوتید را بررسی میکند.
پاسخ و تحلیل تست ها در قالب فایل صوتی ساعت 9 شب دوشنبه 10 مرداد در همین مطلب بارگذاری خواهد شد.
صفحه ی اینستاگرام ما
دوستان عزیزم ما تصمیم گرفتیم برای اینکه بتوانیم ارتباطمان را با هم بیشتر کنیم و قدم به قدم کنارتان باشیم ، صفحه ی اینستاگرام را بسازیم و همراهتان باشیم . برای دیدن صفحه ما روی لینك زير كليك كنيد.
فرزین رستمی دانشجوی پزشکی دانشگاه علوم پزشکی کردستان
