بوليميريز الحمض النووي: الأنواع والوظيفة والبنية

إن بوليميريز الحمض النووي هو إنزيم مسؤول عن تحفيز بلمرة الطبقة الجديدة من الحمض النووي أثناء تكرار هذا الجزيء. وتتمثل مهمتها الرئيسية في مطابقة ثلاثي فوسفات النوكليوتيد مع تلك الموجودة في سلسلة القوالب. كما تشارك في إصلاح الحمض النووي.

يسمح هذا الإنزيم بالتطابق الصحيح بين قواعد الحمض النووي لسلسلة القالب والقالب الجديد ، باتباع مخطط A يتزاوج مع T ، و G مع C.

يجب أن تكون عملية تكاثر الحمض النووي فعالة ويجب تنفيذها بسرعة ، وبالتالي فإن بوليميريز الحمض النووي يعمل على إضافة حوالي 700 نيوكليوتيد في الثانية الواحدة ويحدث خطأ فقط في كل 10910 أو 1010 نيوكليوتيدات مدمجة.

هناك أنواع مختلفة من بوليميريز الحمض النووي. هذه تختلف في كل من حقيقيات النوى و بدائيات النوى ، ولكل منها دور محدد في تكرار الحمض النووي وإصلاحه.

من المحتمل أن تكون واحدة من الإنزيمات الأولى التي ظهرت في التطور هي البوليميرات ، حيث أن القدرة على نسخ الجينوم بدقة تعد مطلبًا جوهريًا لتطوير الكائنات الحية.

ينسب اكتشاف هذا الإنزيم إلى آرثر كورنبرج وزملاؤه. حدد هذا الباحث بوليميريز الحمض النووي (بول الأول) في عام 1956 ، بينما كان يعمل مع الإشريكية القولونية. وبالمثل ، اقترح واتسون وكريك أن هذا الإنزيم يمكنه إنتاج نسخ وفية من جزيء الحمض النووي.

نوع

بدائيات النوى

تمتلك الكائنات أولية النواة (الكائنات الحية التي لا تحتوي على نواة حقيقية ، محددة بواسطة غشاء) ثلاثة بوليميرات دنا رئيسية ، يتم اختصارها عادةً على أنها بول الأول والثاني والثالث.

يشارك بوليميريز الحمض النووي 1 في تكرار وإصلاح الحمض النووي ويمتلك نشاط نوكلياز في كلا الاتجاهين. يعتبر أن دور هذا الإنزيم في التكرار ثانوي.

يشارك II في إصلاح الحمض النووي ونشاطه نوكلياز هو في 3'-5'sense. يشارك الثالث في تكرار ومراجعة الحمض النووي ، ومثل الانزيم السابق ، يعرض نشاط نوكلياز في 3'-5'sense.

حقيقية النواة

تمتلك حقيقيات النوى (الكائنات الحية ذات النواة الحقيقية ، المحددة بواسطة غشاء) خمسة بوليمرات الحمض النووي ، معنية بأحرف الأبجدية اليونانية: α و β و γ و δ و ε.

يقع بوليميريز in في الميتوكوندريا وهو مسؤول عن تكرار المادة الوراثية في هذه الخلية الخلوية. في المقابل ، تم العثور على الأربعة الأخرى في نواة الخلايا وتشارك في تكرار الحمض النووي النووي.

المتغيرات α و δ و are هي الأكثر نشاطًا في عملية انقسام الخلايا ، مما يشير إلى أن وظيفتها الرئيسية مرتبطة بإنتاج نسخ من الحمض النووي.

من ناحية أخرى ، يقدم بوليميريز الحمض النووي قمم النشاط في الخلايا التي لا تنقسم ، لذلك يُفترض أن وظيفتها الرئيسية مرتبطة بإصلاح الحمض النووي.

لقد تمكنت تجارب مختلفة من التحقق من الفرضية القائلة بأنها تربط بشكل رئيسي البوليميرات α و δ و ε بتكرار الحمض النووي. أنواع γ و δ و have لها نشاط نوكلياز 3'-5 '.

العتيقة

تمكنت الطرق الجديدة للتسلسل من التعرف على مجموعة كبيرة ومتنوعة من عائلات بوليميرات الدنا. في الأركيا ، على وجه التحديد ، حددنا عائلة من الإنزيمات ، تسمى العائلة D ، والتي تعد فريدة من نوعها لهذه المجموعة من الكائنات الحية.

وظائف هي: تكرار الحمض النووي وإصلاح

ما هو تكرار الحمض النووي؟

الحمض النووي هو الجزيء الذي يحمل جميع المعلومات الوراثية للكائن الحي. وهو يتألف من سكر وقاعدة نيتروجينية (الأدينين والجوانيين والسيتوزين والثيمين) ومجموعة الفوسفات.

أثناء عمليات انقسام الخلايا ، والتي تحدث باستمرار ، يجب نسخ الحمض النووي بسرعة وبدقة - وتحديدا في المرحلة S من دورة الخلية. هذه العملية حيث تقوم الخلية بنسخ الحمض النووي المعروف باسم النسخ المتماثل.

من الناحية الهيكلية ، يتكون جزيء الحمض النووي عن طريق شقين ، مكونين الحلزون. أثناء عملية النسخ المتماثل ، يتم فصل كل منها ويعمل كل واحد كطرف لتشكيل جزيء جديد. وبالتالي ، فإن فروع جديدة تنتقل إلى الخلايا الابنة في عملية انقسام الخلايا.

نظرًا لأن كل حبلا مخفف ، يُقال إن تكاثر الحمض النووي هو شبه متحفظ - في نهاية العملية ، يتكون الجزيء الجديد من حبلا جديد وحبلا قديم. تم وصف هذه العملية في عام 1958 من قبل الباحثين Meselson و Stahl ، وذلك باستخدام النظائر.

يتطلب تكرار الحمض النووي سلسلة من الإنزيمات التي تحفز العملية. ومن بين جزيئات البروتين هذه ، يبرز بوليميريز الحمض النووي.

رد فعل

لحدوث تخليق الحمض النووي ، يلزم وجود ركائز ضرورية للعملية: ثلاثي فوسفات الديوكسي ريبونوكليوتيد (dNTP)

تتضمن آلية التفاعل هجومًا نوويًا لمجموعة هيدروكسيل في الطرف الثالث من نهاية حبلا النمو في فوسفات ألفا من dNTP التكميلي ، مما يؤدي إلى القضاء على بيروفوسفات. هذه الخطوة مهمة للغاية ، لأن طاقة البلمرة تأتي من التحلل المائي لل dNTPs والبيروفوسفات الناتج.

يربط pol III أو alpha الأول (انظر خصائص البوليميرات) ويبدأ في إضافة النيوكليوتيدات. يطيل إبسيلون سلسلة القائد ، ويطيل الدلتا الشريط المتأخر.

خصائص الحمض النووي البوليمرات

تشترك جميع بوليميرات الدنا المعروفة في خواصتين أساسيتين ترتبطان بعملية النسخ المتماثل.

أولاً ، تقوم جميع البوليميرات بتوليف شريط DNA في اتجاه 5'3 '، مضيفًا dNTPs إلى مجموعة الهيدروكسيل في سلسلة النمو.

ثانياً ، لا يمكن أن تبدأ بوليميرات الدنا في تجميع سلسلة جديدة من لا شيء. يحتاجون إلى عنصر إضافي يُعرف باسم التمهيدي أو التمهيدي ، وهو جزيء يتكون من عدد قليل من النيوكليوتيدات يعطي مجموعة هيدروكسيل مجانية ، حيث يمكن للبوليميراز أن يرسو وبدء نشاطه.

هذا هو أحد الاختلافات الأساسية بين بوليميراز الحمض النووي الريبي (DNA) والبوليمرات الحمض النووي الريبي (RNA) ، حيث أن هذا الأخير قادر على بدء توليف سلسلة دي نوفو.

شظايا أوكازاكي

الخاصية الأولى لبوليمرات الحمض النووي المذكورة في القسم السابق هي مضاعفة للتكرار شبه المحافظ. بما أن شريطين الحمض النووي يعملان بطريقة غير متوازية ، يتم تصنيع أحدهما بطريقة متقطعة (وهو ما سيحتاج إلى توليفه بالمعنى 3'-5).

يحدث التخليق المتقطع في الحبل المفاجئ من خلال النشاط العادي للبوليميريز ، 5'-3 '، والشظايا الناتجة - المعروفة في الأدب باسم شظايا أوكازاكي - ترتبط بإنزيم آخر ، يغاز.

إصلاح الحمض النووي

يتعرض الحمض النووي باستمرار لعوامل ، داخلية وخارجية على حد سواء ، يمكن أن تلحق به الضرر. هذه الأضرار يمكن أن تمنع التكاثر والتراكم ، بحيث تؤثر على التعبير عن الجينات ، مما يولد مشاكل في العمليات الخلوية المختلفة.

بالإضافة إلى دورها في عملية تكاثر الحمض النووي ، يعد بوليميريز أيضًا مكونًا رئيسيًا في آليات إصلاح الحمض النووي. يمكن أن تعمل أيضًا كأجهزة استشعار في دورة الخلية تمنع الدخول إلى مرحلة الانقسام في حالة تلف الحمض النووي.

هيكل

حاليًا ، بفضل دراسات علم البلورات ، أصبح من الممكن توضيح هياكل البوليميرات المختلفة. استنادًا إلى تسلسلها الأساسي ، يتم تجميع البوليميرات في مجموعات: A و B و C و X و Y.

بعض الجوانب شائعة في جميع البوليميرات ، وخاصة تلك المتعلقة بالمراكز الحفزية للإنزيم.

يتضمن ذلك موقعين رئيسيين نشطين لهما أيونات معدنية ، مع اثنين من الوحدات البنائية الأسبارتية وبقايا متغيرة - إما الأسبارتات أو الغلوتامات ، التي تنسق المعادن. هناك سلسلة أخرى من المخلفات المشحونة التي تحيط بالمركز الحفاز ويتم حفظها في بوليميرات مختلفة.

في بدائيات النوى ، DNA polymerase I عبارة عن polypeptide 103 kd ، II هو polypeptide 88 kd و III له عشر وحدات فرعية.

في حقيقيات النوى ، تكون الإنزيمات أكبر وأكثر تعقيدًا: تتكون α من خمس وحدات ، β و γ بواسطة وحدة فرعية ، δ بواسطة وحدتين فرعيتين ، و ε بمقدار 5.

تطبيقات

PRC

تفاعل البلمرة المتسلسل (PRC) هو طريقة تستخدم في جميع مختبرات البيولوجيا الجزيئية ، وذلك بفضل فائدتها وبساطتها. الهدف من هذه الطريقة هو تضخيم جزيء الحمض النووي بشكل كبير.

ولتحقيق ذلك ، يستخدم علماء الأحياء بوليميريز الحمض النووي الذي لا يتضرر من جراء الحرارة (درجات الحرارة العالية لا غنى عنها لهذه العملية) لتضخيم الجزيء. نتيجة هذه العملية هي وجود عدد كبير من جزيئات الحمض النووي التي يمكن استخدامها لأغراض مختلفة.

واحدة من المرافق السريرية الأكثر بروزا لهذه التقنية هو استخدامه في التشخيص الطبي. يمكن استخدام لجان المقاومة الشعبية للتحقق من وجود البكتيريا المسببة للأمراض والفيروسات في المرضى.

المضادات الحيوية ومضادات الأورام

يهدف عدد كبير من الأدوية إلى اقتطاع آليات تكرار الحمض النووي في الكائن الممرض ، سواء كان فيروسًا أو بكتيريا.

في بعض هذا ، يكون الهدف هو تثبيط نشاط إنزيم البلمرة DNA. على سبيل المثال ، سيتارابين المخدرات العلاج الكيميائي ، وتسمى أيضا السيتوزين أرابينوسيد ، يعطل بوليميريز الحمض النووي.