معلومة

14.3 أ: أساسيات استنساخ الحمض النووي - علم الأحياء


يستخدم تكاثر الحمض النووي طريقة شبه محافظة ينتج عنها DNA مزدوج الشريطة مع خيط أبوي واحد وخط ابنة جديدة.

أهداف التعلم

  • اشرح كيف أثبتت تجربة Meselson و Stahl بشكل قاطع أن تكرار الحمض النووي هو شبه محافظ.

النقاط الرئيسية

  • كانت هناك ثلاثة نماذج مقترحة لتكرار الحمض النووي: محافظة ، وشبه محافظة ، ومشتتة.
  • تقترح الطريقة المحافظة للنسخ المتماثل أن الحمض النووي الأبوي يبقى معًا وأن خيوط الابنة حديثة التكوين معًا أيضًا.
  • تقترح الطريقة شبه المحافظة للنسخ المتماثل أن خيطي DNA الوالدين يعملان كقالب للحمض النووي الجديد وبعد التكرار ، يحتوي كل DNA مزدوج الشريطة على حبلا واحد من الحمض النووي الأبوي وحبل جديد (الابنة).
  • تشير طريقة الاستنساخ المشتتة إلى أنه بعد النسخ المتماثل ، يكون للحمض النووي البنتان مقاطع متناوبة من الحمض النووي الأبوي والحمض النووي المركب حديثًا على كلا الخيطين.
  • ميسلسون وستال ، باستخدام بكتريا قولونية يتكون الحمض النووي من نظيرتي نيتروجين (14ن و 15N) والطرد المركزي المتدرج الكثافة ، حددوا أن الحمض النووي يتكرر عبر طريقة النسخ المتماثل شبه المحافظة.

الشروط الاساسية

  • تكرار الحمض النووي: عملية بيولوجية تحدث في جميع الكائنات الحية والتي هي أساس الميراث البيولوجي
  • النظير: أي شكل من شكلين أو أكثر من العناصر حيث تحتوي الذرات على نفس عدد البروتونات ، ولكن عددًا مختلفًا من النيوترونات داخل نواتها

أساسيات استنساخ الحمض النووي

قدم اكتشاف واتسون وكريك أن الحمض النووي عبارة عن حلزون مزدوج ثنائي الشريطة بمثابة تلميح لكيفية استنساخ الحمض النووي. أثناء انقسام الخلية ، يجب نسخ كل جزيء DNA بشكل مثالي لضمان انتقال جزيئات الحمض النووي المتطابقة إلى كل من الخليتين الوليدين. اقترح هيكل الحمض النووي مزدوج الشريطة أن الخيطين قد ينفصلان أثناء النسخ المتماثل مع عمل كل خيط كقالب يتم من خلاله نسخ الخيط التكميلي الجديد لكل منهما ، مما يولد جزيئين مزدوجين تقطعت بهم السبل من واحد.

نماذج النسخ المتماثل

كانت هناك ثلاثة نماذج للتكرار ممكن من مثل هذا المخطط: محافظ ، وشبه محافظ ، ومشتت. في التكرار المحافظ ، فإن خيوط الحمض النووي الأصلية ، والمعروفة باسم الخيوط الأبوية ، ستعيد إصلاحها مع بعضها البعض بعد استخدامها كقوالب لتجميع خيوط جديدة ؛ كما أن الخيوط المركبة حديثًا ، والمعروفة باسم خيوط الابنة ، ستصلح أيضًا مع بعضها البعض ؛ سيكون أحد جزيئي الحمض النووي بعد التكاثر "قديمًا بالكامل" والآخر سيكون "جديدًا تمامًا". في النسخ شبه المحافظ ، سيعمل كل من خيوط الحمض النووي الأبوي كقالب لخيوط الحمض النووي الجديدة التي سيتم تصنيعها ، ولكن بعد التكرار ، فإن كل خيط من الحمض النووي الأبوي سوف يتأقلم مع الخيط التكميلي المركب حديثًا الذي تم توليفه للتو ، وكلاهما مزدوج- قد تشمل الحمض النووي الذي تقطعت به السبل خيطًا واحدًا أبويًا أو "قديمًا" وابنة واحدة أو خصلة "جديدة". في النسخ المتماثل ، بعد النسخ المتماثل ، سيكون لكل من نسختين من الحمض النووي الجديد مقاطع متناوبة من الحمض النووي الأبوي والحمض النووي المركب حديثًا على كل من خيوطهما.

لتحديد نموذج التكرار الذي كان دقيقًا ، تم إجراء تجربة أساسية في عام 1958 من قبل باحثين: ماثيو ميسيلسون وفرانكلين ستال.

ميسلسون وستال

كان Meselson و Stahl مهتمين بفهم كيفية تكرار الحمض النووي. لقد نموا بكتريا قولونية لعدة أجيال في وسط يحتوي على نظير "ثقيل" من النيتروجين (15N) مدمج في القواعد النيتروجينية ، وفي النهاية ، في الحمض النووي. ال بكتريا قولونية تم بعد ذلك نقل الثقافة إلى وسط يحتوي على نظير النيتروجين "الخفيف" الشائع (14ن) ويسمح لها بالنمو لجيل واحد. تم حصاد الخلايا وعزل الحمض النووي. تم طرد الحمض النووي بسرعات عالية في جهاز طرد مركزي فائق في أنبوب تم فيه إنشاء تدرج كثافة كلوريد السيزيوم. تم السماح لبعض الخلايا بالنمو لدورة حياة أخرى في 14N ونسج مرة أخرى.

أثناء عملية الطرد المركزي الفائق المتدرج الكثافة ، تم تحميل الحمض النووي في التدرج اللوني (استخدم Meselson و Stahl تدرجًا من ملح كلوريد السيزيوم ، على الرغم من أنه يمكن أيضًا استخدام مواد أخرى مثل السكروز لإنشاء التدرج اللوني) ونسجها بسرعات عالية تتراوح من 50000 إلى 60000 دورة في الدقيقة . في أنبوب الطرد المركزي الفائق ، خلق ملح كلوريد السيزيوم تدرج كثافة ، حيث يكون محلول كلوريد السيزيوم أكثر كثافة كلما ابتعدت أسفل الأنبوب. في ظل هذه الظروف ، أثناء الدوران ، تم سحب الحمض النووي إلى أسفل أنبوب الطرد المركزي بقوة الطرد المركزي حتى وصل إلى النقطة في التدرج الملحي حيث تطابق كثافة جزيئات الحمض النووي مع محلول الملح المحيط. عند هذه النقطة ، توقفت الجزيئات عن الترسب وشكلت عصابة مستقرة. بالنظر إلى المواضع النسبية لنطاقات الجزيئات التي تعمل في نفس التدرجات ، يمكنك تحديد الكثافات النسبية للجزيئات المختلفة. الجزيئات التي تشكل العصابات الأدنى لديها أعلى كثافة.

الحمض النووي من الخلايا التي نمت حصريًا في 15أنتج N نطاقًا أقل من الحمض النووي من الخلايا التي نمت فيها حصريًا 14N. لذا نمت الحمض النووي في 15كان للنيتروجين كثافة أعلى ، كما هو متوقع من جزيء له نظير أثقل من النيتروجين مدمج في قواعده النيتروجينية. أشار Meselson و Stahl إلى أنه بعد جيل واحد من النمو في 14N (بعد نقل الخلايا من 15N) ، أنتجت جزيئات الحمض النووي نطاقًا واحدًا وسيطًا فقط في الموضع بين الحمض النووي للخلايا التي نمت حصريًا فيها 15نمت الخلايا N و DNA حصريًا في 14N. اقترح هذا إما نمط شبه محافظ أو مشتت للنسخ المتماثل. كان من الممكن أن يؤدي التكرار المحافظ إلى مجموعتين ؛ واحد يمثل الحمض النووي للوالدين لا يزال مع حصريًا 15N في قواعده النيتروجينية والأخرى تمثل DNA الابنة بشكل حصري 14N في قواعدها النيتروجينية. أشارت الفرقة المفردة التي شوهدت بالفعل إلى أن جميع جزيئات الحمض النووي تحتوي على كميات متساوية من كليهما 15ن و 14ن.

يتم حصاد الحمض النووي من الخلايا التي نمت على مدى جيلين في 14شكل N شريطين: كان شريط DNA واحد في الموضع المتوسط ​​بينهما 15ن و 14N والآخر يتوافق مع نطاق حصري 14N DNA. لا يمكن تفسير هذه النتائج إلا إذا تكرر الحمض النووي بطريقة شبه محافظة. كان من الممكن أن ينتج عن النسخ المتماثل المشتت نطاقًا واحدًا حصريًا في كل جيل جديد ، مع تحرك النطاق ببطء أقرب إلى ارتفاع 14فرقة N DNA. لذلك ، يمكن أيضًا استبعاد النسخ المتماثل المشتت.

أثبتت نتائج Meselson و Stahl أنه أثناء تكرار الحمض النووي ، يعمل كل من الخيطين اللذين يشكلان الحلزون المزدوج كقالب يتم من خلاله تصنيع خيوط جديدة. سيكون الخيط الجديد مكملاً للضفيرة الأبوية أو "القديمة" وسيظل الخيط الجديد قائمًا على الخصلة القديمة. لذا فإن كل دنا "ابنة" يتكون في الواقع من خيط دنا "قديم" وخيط واحد مُصنَّع حديثًا. عندما يتم تكوين نسختين من الحمض النووي للابنتين ، يكون لديهما تسلسلات متطابقة لبعضها البعض وتسلسلات متطابقة مع الحمض النووي الأصلي للوالدين ، ويتم تقسيم الحمض النووي للابنتين بالتساوي إلى خليتين ابنتيتين ، مما ينتج خلايا ابنة متطابقة وراثيًا مع بعضها البعض متطابقة وراثيا مع الخلية الأم.


شاهد الفيديو: تركيب حمض DNA (كانون الثاني 2022).