نوكليازات داخلية: وظائف وأنواع وأمثلة - مادة الاحياء - 2025

و نوكلياز داخلي هي الانزيمات التي تقطع أواصر phosphodiester تقع ضمن سلسلة النوكليوتيدات. مواقع تقييد نوكلياز داخلية متنوعة للغاية. بعض هذه الإنزيمات تقطع الحمض النووي (حمض الديوكسي ريبونوكليك ، مادتنا الوراثية) في أي مكان تقريبًا ، أي أنها غير محددة.

في المقابل ، هناك مجموعة أخرى من نوكليازات داخلية محددة جدًا في المنطقة أو التسلسل المراد قطعه. تُعرف هذه المجموعة من الإنزيمات باسم إنزيمات التقييد ، وهي مفيدة جدًا في البيولوجيا الجزيئية. في هذه المجموعة لدينا الإنزيمات المعروفة Bam HI و Eco RI و Alu I.

تقطع نوكليازات الحمض النووي داخليًا.

المصدر: pixabay.com

على عكس نوكليازات داخلية ، هناك نوع آخر من البروتينات التحفيزية - نوكليازات خارجية - المسؤولة عن تكسير روابط الفوسفوديستر في نهاية السلسلة.

نوكليازات تقييدية

نوكليازات التقييد أو إنزيمات التقييد هي بروتينات محفزة مسؤولة عن شق روابط الفوسفوديستر داخل سلسلة الحمض النووي في تسلسلات محددة للغاية.

يمكن شراء هذه الإنزيمات من العديد من شركات التكنولوجيا الحيوية ، ويعتبر استخدامها ضروريًا تقريبًا في تقنيات معالجة الحمض النووي الحالية.

تتم تسمية نوكليازات التقييد باستخدام الأحرف الأولى من الاسم العلمي ذي الحدين للكائن الذي أتوا منه ، متبوعًا بالسلالة (هذا اختياري) وتنتهي بمجموعة إنزيمات التقييد التي تنتمي إليها. على سبيل المثال ، تستخدم Bam HI و Eco RI على نطاق واسع نوكليازات داخلية.

تسمى منطقة الحمض النووي التي يتعرف عليها الإنزيم موقع التقييد وهي فريدة لكل نوكلياز داخلي ، على الرغم من أن العديد من الإنزيمات قد تتزامن في مواقع التقييد. يتكون هذا الموقع بشكل عام من تسلسل متناوب قصير طوله حوالي 4 إلى 6 أزواج أساسية ، مثل AGCT (لـ Alu I) و GAATTC لـ Eco RI.

المتواليات المتناظرة هي متواليات متطابقة بالرغم من قراءتها في الاتجاه من 5 إلى 3 أو من 3 إلى 5. على سبيل المثال ، بالنسبة لحالة Eco RI ، فإن التسلسل المتناوب هو: GAATTC و CTTAAG.

وظائف وتطبيقات النواة الداخلية للتقييد

لحسن الحظ بالنسبة لعلماء الأحياء الجزيئية ، طورت البكتيريا في سياق التطور سلسلة من نوكليازات مقيدة تعمل على تفتيت المادة الوراثية داخليًا.

في الطبيعة ، تطورت هذه الإنزيمات - على الأرجح - كنظام حماية بكتيري ضد غزو جزيئات الدنا الغريبة ، مثل تلك الموجودة في العاثيات.

من أجل التمييز بين المواد الجينية الأصلية والأجنبية ، يمكن أن تتعرف نوكليازات التقييد هذه على متواليات نوكليوتيد محددة. وبالتالي ، فإن الحمض النووي الذي لا يحتوي على هذا التسلسل يمكن أن يتزعزع داخل البكتيريا.

في المقابل ، عندما يتعرف نوكلياز على موقع التقييد ، فإنه يرتبط بالحمض النووي ويقطعه.

يهتم علماء الأحياء بدراسة المادة الوراثية للكائنات الحية. ومع ذلك ، فإن الحمض النووي يتكون من عدة ملايين من الأزواج الأساسية في الطول. هذه الجزيئات طويلة للغاية ويجب تحليلها في أجزاء صغيرة.

لتحقيق هذا الهدف ، تم دمج نوكليازات التقييد في بروتوكولات البيولوجيا الجزيئية المختلفة. على سبيل المثال ، يمكن التقاط الجين الفردي وتكراره للتحليل المستقبلي. تسمى هذه العملية "استنساخ" الجين.

تعدد أشكال طول جزء التقييد (RFLP)

تشير تعدد الأشكال في طول جزء التقييد إلى نمط متواليات نوكليوتيد محددة في الحمض النووي يمكن للنوكليازات المقيدة التعرف عليها وقطعها.

بفضل خصوصية الإنزيمات ، يتميز كل كائن حي بنمط قطع محدد في الحمض النووي ، وينشأ أجزاء من أطوال متغيرة.

أنواع نوكليازات التقييد

تاريخيًا ، تم تصنيف نوكليازات التقييد إلى ثلاثة أنواع من الإنزيمات ، تم تحديدها بواسطة الأرقام الرومانية. في الآونة الأخيرة ، تم وصف نوع رابع من نوكلياز داخلي.

النوع I

إن أهم ما يميز نوكلياز النوع الأول هو أنها بروتينات مكونة من عدة وحدات فرعية. كل من هذه الوظائف كمركب بروتين واحد وعادة ما يكون لها وحدتان فرعيتان تسمى R ، واثنتان M وواحدة S.

الجزء S مسؤول عن التعرف على موقع التقييد في DNA. الوحدة الفرعية R ، من جانبها ، ضرورية للانقسام و M مسؤولة عن تحفيز تفاعل المثيلة.

هناك أربع فئات فرعية من إنزيمات النوع الأول ، والمعروفة بالأحرف A و B و C و D ، وهي شائعة الاستخدام. يعتمد هذا التصنيف على التكامل الجيني.

كانت إنزيمات النوع الأول هي أول نوكليازات داخلية يتم اكتشافها وتنقيتها. ومع ذلك ، فإن الأكثر فائدة في البيولوجيا الجزيئية هو النوع الثاني ، والذي سيتم وصفه في القسم التالي.

النوع الثاني

تتعرف نوكليازات التقييد من النوع الثاني على تسلسلات محددة للحمض النووي وانقسامها في موضع ثابت قريب من تسلسل ينتج 5 فوسفات و 3 هيدروكسيل. تتطلب عمومًا أيونات المغنيسيوم (Mg ²⁺) كعوامل مساعدة ، ولكن هناك بعضًا لها متطلبات أكثر تحديدًا.

من الناحية الهيكلية ، يمكن أن تظهر على شكل مونومرات أو ثنائيات أو حتى رباعية. تستخدم التكنولوجيا المؤتلفة نويدات داخلية من النوع الثاني ولهذا السبب تم تمييز أكثر من 3500 إنزيم.

النوع الثالث

تتكون هذه الأنظمة الأنزيمية من جينين ، يسمى mod و res ، يرمزان للوحدات الفرعية التي تتعرف على الحمض النووي وللتعديلات أو القيود. كلتا الوحدتين الفرعيتين ضروريتان للتقييد ، وهي عملية تعتمد كليًا على التحلل المائي ATP.

من أجل شق جزيء الحمض النووي ، يجب أن يتفاعل الإنزيم مع نسختين من تسلسل التعرف غير المتناظر ويجب أن تكون المواقع في اتجاه عكسي على الركيزة. يسبق الانقسام انتقال الحمض النووي.

النوع الرابع

تم تحديد مجموعة إضافية في الآونة الأخيرة. يتكون النظام من اثنين أو أكثر من الجينات التي ترمز للبروتينات التي تشق متواليات الحمض النووي المعدلة فقط ، إما جلوكوزيل ميثيل ، أو هيدروكسي ميثيل ، أو جلوكوزيل هيدروكسي ميثيل.

على سبيل المثال ، يتعرف الإنزيم EckKMcrBC على اثنين من النوكليوتيدات من الشكل العام RmC ؛ البيورين متبوعًا بالسيتوزين الميثلي ، والذي يمكن فصله عن طريق عدة أزواج قاعدية - من 40 إلى 3000 تقريبًا. يحدث الانقسام حوالي 30 زوجًا قاعديًا بعد الموقع الذي يتعرف عليه الإنزيم.

نوكليازات من النوع الخامس

تُعرف نوكليازات من هذا النوع أيضًا باسم نوكليازات داخلية "homing". تتعرف هذه الإنزيمات على تسلسل الحمض النووي المستهدف وتقطعه في مواقع فريدة في الجينوم من 14 إلى 40 نقطة أساس.

غالبًا ما يتم ترميز هذه الإنزيمات في الإنترونات ويُعتقد أن وظيفتها هي تعزيز النقل الأفقي لتسلسلات القطع. بعد القطع ، يحدث إصلاح كسر في الحلزون المزدوج للحمض النووي بناءً على التسلسل التكميلي.

أمثلة

يعمل نوكلياز 1 من الإشريكية القولونية كنظام دفاع ضد الملتهمة والطفيليات. يقع بشكل رئيسي بين الغشاء السيتوبلازمي وجدار الخلية. إنه ينتج فواصل مزدوجة الشريطة في الحمض النووي الغريب الذي يتفاعل معه في الفضاء المحيط بالبلازما.

نوكليازات كريسبر-كاس عبارة عن إنزيمات تعمل على آلية الدفاع للعديد من أنواع البكتيريا. هذه تحدد وتقطع تسلسلات DNA معينة من الكائنات الغازية ، والتي هي بشكل عام فيروسات.

في الآونة الأخيرة ، اكتشف باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) نظام تحرير الجينوم CRISPR-Cas12bm بدقة عالية لتعديل الخلايا البشرية.

المراجع

1. بوريل ، مم (محرر). (1993). إنزيمات البيولوجيا الجزيئية. توتووا ، نيوجيرسي: مطبعة هيومانا.
2. Loenen، WA، Dryden، DT، Raleigh، EA، & Wilson، GG (2013). النوع الأول من إنزيمات التقييد وأقاربهم. بحوث الأحماض النووية ، 42 (1) ، 20-44.
3. Murray ، PR ، Rosenthal ، KS ، & Pfaller ، MA (2017). الأحياء الدقيقة الطبية + استشارة الطلاب باللغة الإسبانية + استشارة الطلاب. العلوم الصحية Elsevier.
4. ناثانز ، د. ، وسميث ، هو (1975). نوكليازات مقيدة في تحليل وإعادة هيكلة جزيئات الحمض النووي. المراجعة السنوية للكيمياء الحيوية، 44 (1) ، 273-293.
5. Pingoud، A.، Fuxreiter، M.، Pingoud، V.، & Wende، W. (2005). نوكليازات التقييد من النوع الثاني: الهيكل والآلية. علوم الحياة الخلوية والجزيئية، 62 (6) ، 685.