ต้องใช้เวลานานแค่ไหนกว่าที่โมเลกุลดีเอ็นเอจะทำซ้ำ?

กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกหรือดีเอ็นเอเป็นโมเลกุลของธรรมชาติในการถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมจากรุ่นสู่รุ่น เกือบทุกเซลล์ในร่างกายของคุณมีโครโมโซม 46 ชุด ซึ่งเป็นชุดที่ 23 จากผู้ปกครองแต่ละกลุ่ม ซึ่งเซลล์ต้องทำซ้ำก่อนที่จะแบ่งได้
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้าง หน้าที่ และความสำคัญของ DNA

ในทางกลับกัน แบคทีเรีย (และโปรคาริโอตอื่นๆ) มักจะมีโครโมโซมเดียว น่าแปลกที่คุณและแบคทีเรียจะใช้เวลาประมาณเดียวกัน ประมาณหนึ่งชั่วโมงหรือน้อยกว่านั้นในการทำซ้ำ DNA ผ่านขั้นตอนการจำลองแบบ DNA เดียวกัน

ระยะเวลาของการจำลองแบบขึ้นอยู่กับความเร็วของการจำลองแบบดีเอ็นเอ จำนวนดีเอ็นเอในเซลล์ และจำนวนต้นกำเนิดการจำลองแบบในแต่ละโมเลกุลดีเอ็นเอ ดีเอ็นเอเป็นพอลิเมอร์ยาวที่มีแกนหลักของกลุ่มน้ำตาลและฟอสเฟตสลับกัน เบสนิวคลีโอไทด์ไนโตรเจนหนึ่งในสี่จะห้อยออกจากกลุ่มน้ำตาลแต่ละกลุ่ม ลำดับเบสเป็นตัวอักษรสี่ตัวที่สะกดลำดับของกรดอะมิโนในโปรตีน ซึ่งเป็นโมเลกุลที่รับผิดชอบต่อลักษณะทางกายภาพและชีวเคมีของคุณ

โครโมโซมเป็นแพ็คเกจขนาดเล็กของ DNA และโปรตีน DNA สองสายสร้างเกลียวคู่ที่หัวใจของโครโมโซมแต่ละอัน
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครโมโซม

เพื่อให้การจำลองแบบดำเนินต่อไป เครื่องจักรของเซลล์ต้องคลายซิปเกลียวคู่และใช้เกลียวที่เปิดเผยแต่ละเส้นเป็นเทมเพลตสำหรับสร้างเกลียวคู่ใหม่ นี่คือการจำลองแบบกึ่งอนุรักษ์ โดยผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายคือเกลียวสองเส้น แต่ละเกลียวมีเกลียวเดิมและเกลียวใหม่ คู่เบสในเกลียวเทมเพลตจะกำหนดคู่เบสในเกลียวใหม่ผ่านกระบวนการจับคู่เสริม - เบสนิวคลีโอไทด์แต่ละประเภทสามารถจับคู่กับพันธมิตรเฉพาะเท่านั้น

นี่คือพื้นฐานของ DNA ของการจำลองแบบ DNA

ขั้นตอนที่ 1: แบบฟอร์มส้อมจำลอง เอนไซม์ที่เรียกว่าดีเอ็นเอเฮลิเคส "คลายซิป" เกลียวคู่ให้เป็นรูปตัว Y

ขั้นตอนที่ 2: ไพรเมอร์ผูก ไพรเมอร์ดีเอ็นเอจับกับบริเวณที่เอ็นไซม์การจำลองแบบ DNA polymerase จะเริ่มจำลองแบบ ไพรเมอร์ทำหน้าที่เป็นสัญญาณของเอ็นไซม์และบอกให้รู้ว่าจะเริ่มจากตรงไหนและจะไปในทิศทางใด

ขั้นตอนที่ 3: การยืดตัว นี่เป็นระยะที่ DNA ถูกจำลองแบบจริงๆ DNA polymerase "ยืด" เส้นสายใหม่ หมายความว่าจะเริ่มสร้างสายใหม่โดยยึดตามแม่แบบแต่ละเส้น

ขั้นตอนที่ 4: การยกเลิก เมื่อการจำลองแบบเสร็จสมบูรณ์ บางสิ่งจะเกิดขึ้น อย่างแรก เอนไซม์ที่เรียกว่า "exonuclease" จะนำไพรเมอร์ออกจาก DNA และจุดเหล่านั้นจะถูกเติมด้วยลำดับดีเอ็นเอที่เหมาะสม

ขั้นต่อไป เส้นใยหนึ่งเส้น (เรียกว่าสายที่ "ปกคลุมด้วยฉนวน") จำเป็นต้องมี DNA ligase เพื่อเชื่อมต่อชิ้นส่วนของ DNA ที่เพิ่งจำลอง เอนไซม์อื่นเข้ามาตรวจสอบและแก้ไขข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นระหว่างการจำลองแบบ ขั้นตอนสุดท้ายของการจำลองดีเอ็นเอคือเมื่อเทโลเมียร์เพิ่มลำดับพิเศษที่เรียกว่า "เทโลเมียร์" ที่ส่วนท้ายของเส้นใย

โครโมโซมเดี่ยวของแบคทีเรียเป็นวงของ DNA ที่มีเกลียวคู่ จำนวนของฐานอาจแตกต่างกันไปในแต่ละสายพันธุ์ แบคทีเรียที่รู้จักกันดี E. coli มีเบส 4.7 ล้านคู่ซึ่งใช้เวลาประมาณ 40 นาทีในการทำซ้ำ ซึ่งหมายถึงความเร็วมากกว่า 1,000 เบสต่อวินาที

การจำลองแบบเริ่มต้นที่ตำแหน่งคงที่แห่งเดียวและดำเนินการบนเกลียวแต่ละเส้นในทิศทางตรงกันข้าม กระบวนการจำลองแบบรวมถึงขั้นตอนการพิสูจน์อักษรที่รับรองอัตราความผิดพลาดไม่เกินหนึ่งในพันล้าน

เซลล์ของมนุษย์และยูคาริโอตอื่น ๆ ได้จัดนิวเคลียสที่ล้อมรอบชุดของโครโมโซม โครโมโซมมนุษย์โดยทั่วไปมีประมาณ 150 ล้านคู่เบสที่เซลล์ทำซ้ำในอัตรา 50 คู่ต่อวินาที ด้วยความเร็วของการจำลองดีเอ็นเอนั้น เซลล์จะใช้เวลามากกว่าหนึ่งเดือนในการคัดลอกโครโมโซม

ความจริงที่ว่าใช้เวลาเพียงหนึ่งชั่วโมงเป็นเพราะต้นกำเนิดการจำลองแบบหลายจุด การจำลองแบบพร้อมกันเกิดขึ้นจากจุดต่างๆ มากมายบนโครโมโซม และเอ็นไซม์จะรวมส่วนต่างๆ เข้าด้วยกันเพื่อสร้างสำเนาสุดท้ายที่สมบูรณ์ โครโมโซมมนุษย์ทั้ง 46 โครโมโซมทำซ้ำในเวลาเดียวกัน ในช่วง S ของวัฏจักรเซลล์