ในกระบวนการ dna replication สายของ dna ทั้งสองจะแยกกันตรงพันธะใด

การจำลองโมเลกุล DNA หรือ DNA Replication จะเกิดขึ้นเมื่อเซลล์ต้องการแบ่งเซลล์ จะเกิดขึ้นในระยะอินเตอร์เฟสและในระยะอินเตอร์เฟสจะมี 3 ระบบย่อย คือ G1 S G2  การจำลอง DNA จะเกิดในระยะ S ( Synthesis Phase )

# ถ้าถามว่าการจำลอง DNA นี้เกิดขึ้นขึ้นได้อย่างไร #

ก่อนจะพูดเรื่องการจำลอง DNA เรามาทบทวนโครงสร้าง DNA กันก่อน

      DNA ประกอบด้วย สายพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายมาเชื่อมต่อกัน โดยมีหน่อวย่อย คือ นิวคลีโอไทด์ สายพอลินิวคลีโอไทด์ แต่ละสายจะเรียงตัวกกันในทิศตรงกันข้าม หากสายแรกมีปลาย 3’ อีกสายก็จะเป็นปลาย 5’ โดยนิวคลีโอไทด์จะเชื่อมกันด้วยพันธะไอโดรเจนจนบูเรนคู่เบสจะยกตัวอย่าง เช่น ไซโตซีน (C)คู่กับเบสกวานีน(G)และเบสอะดีมีน(A)คู่กับเบสไทมีน(T)

เมื่อทราบโครงสร้างของ DNA แล้ว หลังจากนี้เราจะมาเริ่มการจำลอง DNA กันได้เลยค่ะ เริ่มแรกเราจะมีเอนไซน์helicase เข้ามาทำลายพันธะไฮโดรเจนหรือการคลายเกลียวที่ตำแหน่งจุดเริ่มต้นของการจำลอง DNA เราจะเรียกตำแหน่งนี้ว่า Origin 0f replication เมื่อใดที่ DNA ทั้ง 2 สาย แยกออกจากกันแล้วจะมี SSBP หรือ Single strand binding protein ซึ่งเป็นโปรตีนที่เข้ามาจับกับสาย DNA ทั้ง 2 สาย ไม่ให้มันกับมาเข้าคู่กันเหมือนเดิมนั่นเอง และเมื่อ DNA ทั้ง 2 สาย คลายเกลียวออกมาแล้ว ทีนี้จะเริ่มจำลอง DNA ได้ง่ายขึ้น จากนั้นจะมีเอนไซม์ RNA primase เข้ามาเติม RNA primer ทำหน้าที่กำหนดจุดเริ่มต้นการจำลอง DNAสายใหม่ หลังจากนั้นเอนไซม์ Polymerase III ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่สำคัญในการสร้าง DNA สายใหม่ โดยการนำ     นิวคลีโอไทด์ที่เข้าคู่กับนิวคลีโอไทด์แม่แบบ มาเชื่อมต่อกันเป็นสายยาวไปเรื่อย ๆ และจะมีการสร้างพันธะไฮโดรเจนเชื่อมระหว่าง DNA แม่แบบกับ DNA สายใหม่ โดยเอนไซม์ DNA Polymerase ”นั้นจะเริ่มสร้าง DNA สายใหม่ จากทิศ 5’ ไป 3’ เท่านั้น”ดังนั้นเอนไซม์ DNA Polymerase III จึงต้องการ DNA แม่แบบ ที่เป็นสายจากทิศ 3’ ไป 5’ แต่ DNA แม่แบบมีการเรียงตัวทิศทางที่ตรงกันข้ามกัน ดังนั้นวิธีการจำลอง DNA ก็จะแบ่งเป็น 2 แบบ คือ

แบบที่ 1 สายต่อเนื่อง ( Leading strand ) เป็นสายที่ DNA แม่แบบการจากทิศ 3’ ไป 5’ ในสายนี้ DNA Polymerase III จะมีการดรียงตัวการสร้าง DNA สายใหม่ ได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งเริ่มต้นโดยเอนไซม์ Primase จะเข้ามาจับกับ DNA แม่แบบที่จุดแยก DNA หรือเรียกอีกอย่างว่า ( Replication fork ) มีการสร้างง Primer ที่เป็น RNA สายสั้น ๆจากนั้น เอนไซม์ DNA Polymerase III จะเติมนิวคลีโอไทด์ในทิศทาง 5’ ไป 3’ แบบนี้ต่อเนื่องไปจนสุดสาย

แบบที่ 2 สายไม่ต่อเนื่อง (Lagging strand)ในแบบนี้ DNA แม่แบบจะมีการเรียงตัวทิศ 5’ ไป 3’ ซึ่งเอนไซม์ DNA Polymerase III จะมาสามารถสังเคราะห์ DNA สายใหม่จากจุดแยกจุดนี้ได้จึงต้องให้เอนไซม์ RNA primase และ DNA Polymerase III เดินไปข้างหน้าก่อนให้ห่างจากจุดแยกเพื่อไปหาปลาย 3’ ของ DNA แม่แบบ พอปลาย 3’ ของ DNA แม่แบบ เจอแล้ว เอนไซม์ RNA Primase ก็จะนำ RNA Primer มาเชื่อมที่ปลายสายนี้ เพื่อกำหนดจุดเริ่มต้นการสังเคราะห์ DNA Polymerase III ก็จะสร้าง DNA สายใหม่ จากทิศ 5’ ไป 3’ ได้ และเมื่อสังเคราะห์เสร็จก็จะได้ชิ้นส่วน DNA สายใหม่ เกิดขึ้นเป็นชิ้นเล็ก ๆ เรียกชิ้นส่วนนี้ว่า (Okazaki Fragment)หลังจากนั้นเอนไซม์ Helicase ก็จะมีการคลายเกลียว DNA แม่แบบเพิ่มขึ้น ทำให้เอนไซม์ RNA Primase ต้องเข้ามากำหนดจุดเริ่มต้นการสังเคราะห์ DNA ในเส้น Lagging strand อีกครั้งและเอนไซม์ DNA Polymerase III ก็จะเข้ามาสังเคราะห์ DNA สายใหม่ในทิศทาง 5’ ไป 3’ แบบนี้ปเรื่อย ๆ ทำให้สาย Lagging strand จะได้ Okazaki Fragment หลาย ๆ ชิ้นและก็จะมีเอนไซม์ DNA Polymerase I เข้ามาเพื่อนำเอา RNA Primer ออกไปเพราะอย่าลืมว่าส่วนนี้คือ RNA ไม่ใช่ DNA จะต้องมีการตัดออกไป เมื่อเอา RNA Primer ออกไปแล้ว ก็จะสร้าง DNA ทดแทนส่วนที่ตัดออกไป และสุดท้ายก็จะมีเอนไซม์ligase เข้ามาเชื่อมต่อระหว่างชิ้นส่วน Okazaki Fragment แต่ละชิ้นให้เป็น DNA สายที่ยาวต่อเนื่องกันปละการจำลอง DNA ก็เสร็จสิ้น เมื่อการจำลองเสร็จก็จะได้ DNA ชุดใหม่ 2 ชุด แต่ละชุดประกอบด้วย DNAสายใหม่ 1สาย และ DNA สายเดิมอีก 1 สาย จะเรียกการจำลองที่เกิดขึ้นนี้ว่าการจำลองกึ่งอนุรักษ์

Original Link: ระหว่างDNA Replication กับแมวอะไรเอาใจยากกว่ากัน - YouTube

            โดยทั่วไปที่ทุกคนได้ศึกษาขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)จะเป็นการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)ของพวกโปรคาริโอต เพราะเนื่องด้วยการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)ของพวกยูคาริโอตมีความซับซ้อนกว่าพวกโปรคาริโอต ดังนั้นเนื้อหาในหลักสูตรต่างๆจึงได้ให้ศึกษาขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)ของพวกโปรคาริโอตเป็นหลัก วิธีสังเกตว่าขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)ที่ได้ศึกษาเป็นของพวกโปรคาริโอตหรือพวกยูคาริโอต คือ ดูที่ชื่อของ DNA Polymerase ถ้ามีชื่อ DNA Polymerase III อยู่ในขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication) จะเป็นขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)ของพวกโปรคาริโอต แต่หากไม่มีชื่อของ DNA Polymerase III ปรากฏอยู่ในขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)เลย แต่อาจจะมีชื่อ DNA Polymerase α หรือ DNA Polymerase δ อยู่ในขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)แทน จะเป็นขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)ของพวกยูคาริโอต
     ขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication)มีอยู่ 3 ขั้นตอน คือ

1. การเริ่มต้นการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ (Initiation of DNA Replication)
2. การขยายยาวของสายโพลีนิวคลีโอไทด์สายใหม่ (Polymerlization of DNA Replication)
3. การสิ้นสุดการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ (Termination of DNA Replication)

     1. การเริ่มต้นการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ (Initiation of DNA Replication)

     ในดีเอ็นเอ(DNA) ของแบคทีเรียนั้นจะมีจุดสำหรับเริ่มการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(Origin of DNA Replication หรือ Ori) จะมีโปรตีนเข้ามากระตุ้นให้ดีเอ็นเอ(DNA)ที่จุดเริ่มต้นดังกล่าวเกิดการคลายตัว โดยมีเอนไซม์เฮลิเคส(Helicase)เข้ามาตัดหรือทำลายพันธะไฮโดรเจนในสายของดีเอ็นเอ(DNA) เพื่อให้ดีเอ็นเอ(DNA)สายเกลียวคู่เป็นดีเอ็นเอ(DNA)สายเดี่ยว โดยจะเกิดการแยกตัวของสายดีเอ็นเอ(DNA) ที่เรียกว่า “เรพลิเคชันฟอร์ค (Replication Fork)” ซึ่งโปรตีน SSB (Single Strand Binding Protein)จะเข้ามาจับเพื่อป้องกันไม่ให้สายของดีเอ็นเอ(DNA) สร้างพันธะไฮโดรเจนขึ้นมาอีกในระหว่างขั้นตอน เมื่อดีเอ็นเอ(DNA)สายเกลียวคู่ได้ถูกแยกออกจากกันแล้ว ส่วนที่อยู่ตรงเหนือจุดแยกของดีเอ็นเอ(DNA)สายเกลียวคู่นั้นจะเกิดการขดม้วนตัวเป็นกลายเป็นเกลียวซ้อนเกลียวเกิดขึ้น (Super Coiling) มีผลทำให้เอนไซม์เฮลิเคส(Helicase)ไม่สามารถที่จะทำการแยกสายดีเอ็นเอ(DNA)เกลียวคู่ให้เป็นดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบต่อไปได้ ซึ่งจะมีเอนไซม์โทโปไอโซเมอเรส (Topoisomerase) จะเข้ามาทำหน้าที่ในการคลายเกลียวในบริเวณที่เกิดเป็นเกลียวซ้อนเกลียว(Super Coiling) ของดีเอ็นเอ(DNA) โดยทำการตัดในส่วนของ Phosphate Backbone ของดีเอ็นเอ(DNA) เพื่อลดการพันกันที่ยุ่งเหยิงและการขมวดปมของสายดีเอ็นเอ(DNA)ในระหว่างการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)ขึ้นมาอีก

     2. การขยายยาวของสายโพลีนิวคลีโอไทด์สายใหม่ (Polymerlization of DNA Replication)

     เมื่อดีเอ็นเอ(DNA)ทั้งสองสายได้แยกออกจากกันแล้วเอนไซม์ DNA Polymerase III (ดีเอ็นเอพอลีเมอเรส ทรี) หรือเรียกสั้นๆว่า DNA Pol III จะเข้ามาตรงที่จุดที่แยกออกเพื่อสร้างดีเอ็นเอ(DNA)สายใหม่ขึ้น เนื่องจาก DNA Polymerase III มีคุณสมบัติในการสร้างดีเอ็นเอ(DNA)สายใหม่จากทิศ 5’ ไป 3’ เท่านั้น จึงต้องการดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบที่เป็นสายมีทิศเป็น 3’ ไป 5’ แต่ดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบจะมี 2 สาย ทั้งที่เป็นทิศ 3’ ไป 5’ และทิศ 5’ ไป 3’ ดังนั้น การสร้างสายดีเอ็นเอ(DNA)จึงสามารถแบ่งได้เป็น 2 แบบ ดังนี้

     สายต่อเนื่อง (Leading Strand) คือสายดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบที่มีทิศจาก 3’ ไป 5’ ในสายนี้ DNA Polymerase III จะสามารถสร้างดีเอ็นเอ(DNA)สายใหม่ได้อย่างต่อเนื่อง เริ่มต้นโดยเอนไซม์ Primase(ไพรเมส) ทำการสร้างไพรเมอร์(Primer) คือ เป็นอาร์เอ็นเอ(RNA)สายสั้นๆ[หรือ อาจเรียกว่า อาร์เอ็นเอไพรเมอร์(RNA Primer)] มีขนาดประมาณ 10-26 นิวคลีโอไทด์ เข้ามาจับกับดีเอ็นเอ(DNA)ตรงจุดที่แยกออก จากนั้น DNA Polymerase III จะเข้าไปเติม dNTPs เข้ามาบนสายดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบในทิศทาง 5’ ไป 3’ ไปเรื่อยๆ

     สายไม่ต่อเนื่อง (Lagging Strand) คือสายดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบมีทิศจาก 5’ ไป 3’ ทำให้การสร้างดีเอ็นเอ(DNA)ที่เป็นสายยาวไปเลยทีเดียว DNA Polymerase III ไม่สามารถทำได้ แต่จะทำให้สายดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบสายนี้จะม้วนงอผ่าน DNA Polymerase III เพื่อจะทำให้ DNA polymerase III สามารถสร้างดีเอ็นเอ(DNA)สายใหม่ในทิศทาง 5’ ไป 3’ โดยจะสร้างดีเอ็นเอ(DNA)เป็นสายสั้นๆ เรียกว่า “โอคาซากิ แฟรกเม้นต์” หรือ “ชิ้นส่วน โอคาซากิ” (Okazaki Fragment) โดย Primase(ไพรเมส) จะทำการสร้างไพรเมอร์(Primer)คืออาร์เอ็นเอ(RNA)สายสั้นๆ[หรือ อาจเรียกว่า อาร์เอ็นเอไพรเมอร์(RNA Primer)] สำหรับในการสร้างชิ้นส่วนโอคาซากิแต่ละชิ้น ซึ่งหน่วยย่อยเบต้า(β Subunit)ของ DNA Polymerase III จะเข้ามาจับที่ไพรเมอร์(Primer)และทำการเชื่อมต่อกับ DNA Polymerase III เมื่อหมดชิ้นจะสร้างชิ้นใหม่ หน่วยย่อยเบต้า(β Subunit)อันเดิมจะหลุดออกไป แล้วหน่วยย่อยเบต้า(β Subunit)อันใหม่จะเข้ามาจับกับไพรเมอร์(Primer)อันต่อไป เป็นลักษณะนี้ต่อไปเรื่อยๆ

     DNA Polymerase I จะทำหน้าที่ตรวจสอบความถูกต้องของลำดับของสายดีเอ็นเอ(DNA)ที่สร้างขึ้นมาใหม่ ทำการทำลายส่วนของไพรเมอร์(Primer)ที่เป็นอาร์เอ็นเอ(RNA) และ ทำการสร้างดีเอ็นเอ(DNA)ซ่อมแซมส่วนที่ถูกตัดออกไป ในจุดที่ DNA Polymerase I ตัดออกไป จะยังไม่ได้เชื่อมต่อด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์(Phosphodiester Bond)ตรงปลาย 5’ ของจุดที่ถูกตัด จะถูกเชื่อมด้วยเอนไซม์ ดีเอ็นเอไลเกส (DNA Ligase) โดยที่ในสายต่อเนื่อง(Leading Strand)จะตัดครั้งเดียว ส่วนสายไม่ต่อเนื่อง(Lagging Strand)จะตัดไพรเมอร์(Primer)ของชิ้นส่วนโอคาซากิทุกชิ้น

     3. การสิ้นสุดการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ (Termination of DNA Replication)

     การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)จะมีตำแหน่งที่เป็นจุดสิ้นสุดของการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)อยู่ ที่ตำแหน่งนี้มีขนาดประมาณ 20 คู่เบส ที่เรียกว่า Ter Sequence โดยจะมีโปรตีนที่ทำการจดจำตำแหน่งนี้เข้ามาจับที่ Ter Sequence เพื่อทำให้ DNA Polymerase III ได้หยุดการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA Replication)ลง