بوليميراز الحمض النووي: الأنواع والوظيفة والهيكل - مادة الاحياء - 2026

إن إنزيم DNA polymerase هو إنزيم مسؤول عن تحفيز بلمرة خيط DNA الجديد أثناء تكرار هذا الجزيء. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في إقران ثلاثي فوسفات ديوكسي ريبونوكليوتيدات مع تلك الموجودة في سلسلة القالب. كما أنها تشارك في إصلاح الحمض النووي.

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

هيكل DNA بوليميريز بيتا في البشر.

المصدر: Yikrazuul ، من ويكيميديا ​​كومنز

يجب أن تكون عملية تكرار الحمض النووي فعالة ويجب تنفيذها بسرعة ، لذلك يعمل بوليميراز الحمض النووي بإضافة حوالي 700 نيوكليوتيد في الثانية ويرتكب خطأ واحدًا فقط كل 10 ⁹ أو 10 ¹⁰ نيوكليوتيدات مدمجة.

هناك أنواع مختلفة من بوليميراز الدنا. هذه تختلف في كل من حقيقيات النوى وبدائيات النوى ، ولكل منها دور محدد في تكرار الحمض النووي وإصلاحه.

من الممكن أن يكون أحد الإنزيمات الأولى التي ظهرت في التطور هو البوليميراز ، لأن القدرة على تكرار الجينوم بدقة هي مطلب جوهري لتطور الكائنات الحية.

يعود الفضل في اكتشاف هذا الإنزيم إلى آرثر كورنبرغ وزملائه. حدد هذا الباحث DNA polymerase I (Pol I) في عام 1956 ، أثناء عمله مع Escherichia coli. وبالمثل ، اقترح واتسون وكريك أن هذا الإنزيم يمكن أن ينتج نسخًا مخلصة من جزيء الحمض النووي.

أنواع

بدائيات النوى

الكائنات بدائية النواة (كائنات بدون نواة حقيقية ، يحدها غشاء) تمتلك ثلاثة بوليمرات رئيسية للحمض النووي ، يتم اختصارها عادةً كـ pol I و II و III.

يشارك DNA polymerase I في تكرار وإصلاح الحمض النووي وله نشاط نوكلياز خارجي في كلا الاتجاهين. يعتبر دور هذا الإنزيم في التكرار ثانويًا.

يشارك II في إصلاح الحمض النووي ويكون نشاط نوكليازه الخارجي 3'-5 '. يشارك III في تكرار ومراجعة الحمض النووي ، ومثل الإنزيم السابق ، فإنه يعرض نشاط نوكلياز خارجي بمعنى 3'-5 '.

حقيقيات النواة

حقيقيات النوى (الكائنات الحية ذات النواة الحقيقية ، المحددة بواسطة غشاء) لها خمسة بوليمرات DNA ، تحمل أسماء الأبجدية اليونانية: α و و γ و δ و.

يقع البوليميراز γ في الميتوكوندريا وهو مسؤول عن تكرار المادة الوراثية في عضية الخلية هذه. في المقابل ، توجد الأربعة الأخرى في نواة الخلايا وتشارك في تكرار الحمض النووي النووي.

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

يُظهر بوليميراز الحمض النووي β ، من جانبه ، قمم نشاط في الخلايا التي لا تنقسم ، لذلك يُفترض أن وظيفته الرئيسية مرتبطة بإصلاح الحمض النووي.

تمكنت تجارب مختلفة من التحقق من الفرضية القائلة بأنها تربط في الغالب بوليمرات α و و ε مع تكرار الحمض النووي. تُظهر الأنواع γ و δ و نشاط نوكلياز خارجي 3'-5 '.

أقواس

نجحت طرق التسلسل الجديدة في تحديد مجموعة كبيرة ومتنوعة من عائلات بوليميراز الدنا. في العتائق ، على وجه التحديد ، تم تحديد عائلة من الإنزيمات ، تسمى عائلة D ، والتي تنفرد بها هذه المجموعة من الكائنات الحية.

الوظائف: تكرار وإصلاح الحمض النووي

ما هو تكرار الحمض النووي؟

الحمض النووي هو الجزيء الذي يحمل جميع المعلومات الجينية للكائن الحي. يتكون من السكر وقاعدة النيتروجين (الأدينين والجوانين والسيتوزين والثايمين) ومجموعة الفوسفات.

أثناء عمليات الانقسام الخلوي ، التي تحدث باستمرار ، يجب نسخ الحمض النووي بسرعة وبدقة - على وجه التحديد في المرحلة S من دورة الخلية. تُعرف هذه العملية التي تقوم فيها الخلية بنسخ الحمض النووي بالنسخ المتماثل.

من الناحية الهيكلية ، يتكون جزيء الحمض النووي من خيطين ، يشكلان الحلزون. أثناء عملية النسخ المتماثل ، يتم فصل هذه العناصر ويعمل كل منها كقالب لتشكيل جزيء جديد. وبالتالي ، تنتقل الخيوط الجديدة إلى الخلايا الوليدة في عملية انقسام الخلية.

نظرًا لأن كل خيط يعمل كقالب ، يُقال إن تكرار الحمض النووي يكون شبه متحفظ - في نهاية العملية ، يتكون الجزيء الجديد من خيط جديد وقديم. تم وصف هذه العملية في عام 1958 من قبل الباحثين ميسلسون وستال ، باستخدام نظائر متساوية.

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

رد فعل

لكي يحدث تخليق الحمض النووي ، فإن الركائز اللازمة للعملية مطلوبة: ديوكسي ريبونوكليوتيد ثلاثي الفوسفات (dNTP)

تتضمن آلية التفاعل هجومًا محبًا للنواة بواسطة مجموعة الهيدروكسيل في نهاية 3 'من الخيط المتنامي على فوسفات ألفا من dNTPs التكميلية ، مما يؤدي إلى القضاء على بيروفوسفات. هذه الخطوة مهمة للغاية ، لأن طاقة البلمرة تأتي من التحلل المائي لـ dNTPs والبيروفوسفات الناتج.

يرتبط pol III أو alpha بالبادئة (انظر خصائص البوليميراز) ويبدأ في إضافة النيوكليوتيدات. يُطيل إبسيلون سلسلة الرصاص ، ويطيل الدلتا الشريط المتخلف.

خصائص بوليميراز الحمض النووي

تشترك جميع بوليميرات الحمض النووي المعروفة في خاصيتين أساسيتين مرتبطتين بعملية النسخ المتماثل.

أولاً ، تقوم جميع البوليميرات بتجميع خيط الحمض النووي في اتجاه 5'-3 '، مضيفًا dNTPs إلى مجموعة الهيدروكسيل في سلسلة النمو.

ثانيًا ، لا يمكن لبوليميرات الحمض النووي أن تبدأ في تصنيع خيط جديد من الصفر. يحتاجون إلى عنصر إضافي يُعرف باسم التمهيدي أو التمهيدي ، وهو جزيء يتكون من عدد قليل من النيوكليوتيدات التي توفر مجموعة هيدروكسيل حرة ، حيث يمكن للبوليميراز أن يثبت ويبدأ نشاطه.

هذا هو أحد الاختلافات الأساسية بين بوليميراز DNA و RNA ، حيث أن الأخير قادر على بدء تخليق سلسلة de novo.

شظايا أوكازاكي

تمثل الخاصية الأولى لبوليميرات الحمض النووي المذكورة في القسم السابق تعقيدًا للتكرار شبه المحافظ. نظرًا لأن خيطي DNA يعملان بشكل عكسي ، يتم تصنيع أحدهما بشكل متقطع (الذي يحتاج إلى تصنيعه بمعنى 3'-5 ').

في الخيط المتأخر ، يحدث التخليق غير المستمر من خلال النشاط الطبيعي للبوليميراز ، 5'-3 '، وترتبط الأجزاء الناتجة - المعروفة في الأدبيات باسم أجزاء Okazaki - بواسطة إنزيم آخر ، ligase.

إصلاح الحمض النووي

يتعرض الحمض النووي باستمرار لعوامل داخلية وخارجية يمكن أن تتلفه. يمكن أن تمنع هذه الأضرار التكاثر وتتراكم ، مما يؤثر على تعبير الجينات ، ويسبب مشاكل في العمليات الخلوية المختلفة.

بالإضافة إلى دوره في عملية تكرار الحمض النووي ، يعد البوليميراز أيضًا مكونًا رئيسيًا في آليات إصلاح الحمض النووي. يمكن أن تعمل أيضًا كمستشعرات في دورة الخلية تمنع الدخول إلى مرحلة الانقسام في حالة تلف الحمض النووي.

بناء

حاليًا ، بفضل دراسات علم البلورات ، تم توضيح هياكل البوليميرات المختلفة. بناءً على تسلسلها الأساسي ، يتم تجميع البوليمرات في عائلات: A و B و C و X و Y.

بعض الجوانب مشتركة لجميع البوليميرات ، خاصة تلك المتعلقة بالمراكز التحفيزية للإنزيم.

يتضمن ذلك موقعين نشطين رئيسيين يمتلكان أيونات معدنية ، مع اثنين من بقايا الأسبارتات وبقايا متغيرة - إما الأسبارتات أو الغلوتامات ، التي تنسق المعادن. هناك سلسلة أخرى من المخلفات المشحونة التي تحيط بالمركز التحفيزي ويتم حفظها في البوليميرات المختلفة.

في بدائيات النوى ، فإن بوليميريز الحمض النووي I عبارة عن بولي ببتيد 103 كيلو دالتون ، والثاني عبارة عن بولي ببتيد 88 كيلو دالتون ، والثالث يتكون من عشر وحدات فرعية.

في حقيقيات النوى ، تكون الإنزيمات أكبر وأكثر تعقيدًا: تتكون α من خمس وحدات ، و و من وحدة فرعية واحدة ، و من وحدتين فرعيتين ، و من 5.

التطبيقات

جمهورية الصين الشعبية

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

لتحقيق ذلك ، يستخدم علماء الأحياء بوليميريز DNA الذي لا يتلف بسبب الحرارة (درجات الحرارة المرتفعة ضرورية لهذه العملية) لتضخيم الجزيء. نتيجة هذه العملية هي عدد كبير من جزيئات الحمض النووي التي يمكن استخدامها لأغراض مختلفة.

واحدة من أبرز المرافق السريرية لهذه التقنية هي استخدامها في التشخيص الطبي. يمكن استخدام PRC لفحص المرضى بحثًا عن البكتيريا والفيروسات المسببة للأمراض.

المضادات الحيوية والأدوية المضادة للأورام

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

في بعض هذا ، يكون الهدف هو تثبيط نشاط بوليميراز الدنا. على سبيل المثال ، دواء العلاج الكيميائي سيتارابين cytarabine ، والذي يُطلق عليه أيضًا cytosine arabinoside ، يعطل بوليميريز الحمض النووي.

المراجع

1. ألبرتس ، بي ، براي ، دي ، هوبكين ، ك ، جونسون ، إيه دي ، لويس ، جيه ، راف ، إم ،… ووالتر ، بي (2015). بيولوجيا الخلية الأساسية. علوم جارلاند.
2. Cann، IK، & Ishino، Y. (1999). استنساخ الحمض النووي البدائي: تحديد القطع لحل اللغز. علم الوراثة، 152 (4) ، 1249-67.
3. Cooper ، GM ، & Hausman ، RE (2004). الخلية: النهج الجزيئي. ميديسينسكا نكلادا.
4. جارسيا دياز ، إم ، وبيبينيك ، ك. (2007). وظائف متعددة لبوليميراز الحمض النووي. مراجعات نقدية في علوم النبات، 26 (2) ، 105-122.
5. Shcherbakova ، PV ، Bebenek ، K. ، & Kunkel ، TA (2003). وظائف بوليميرات الحمض النووي حقيقية النواة. Science's SAGE KE، 2003 (8)، 3.
6. Steitz ، TA (1999). بوليميرات الحمض النووي: التنوع الهيكلي والآليات المشتركة. مجلة الكيمياء البيولوجية، 274 (25)، 17395-17398.
7. Wu، S.، Beard، WA، Pedersen، LG، & Wilson، SH (2013). تشير المقارنة الهيكلية لمعمارية بوليميراز الحمض النووي إلى وجود بوابة نوكليوتيد إلى موقع البوليميراز النشط. مراجعات كيميائية، 114 (5) ، 2759-74.