البوليميراز: الخصائص والبنية والوظائف - مادة الاحياء - 2026

و بلمرة هي الانزيمات التي ترتبط عمليات التكرار والنسخ من الأحماض النووية وظيفة. هناك نوعان رئيسيان من هذه الإنزيمات: DNA polymerase و RNA polymerase.

إن بوليميراز الدنا مسؤول عن تصنيع سلسلة الحمض النووي الجديدة أثناء عملية النسخ ، مضيفًا نيوكليوتيدات جديدة. إنها إنزيمات كبيرة ومعقدة ، وتختلف في بنيتها اعتمادًا على ما إذا كانت موجودة في كائن حقيقي النواة أو كائن بدائي النواة.

بوليميريز Taq: الإنزيم المستخدم في PCR.

المصدر: Lijealso

وبالمثل ، فإن بوليميراز الحمض النووي الريبي يعمل أثناء نسخ الحمض النووي ، ويصنع جزيء الحمض النووي الريبي. مثل بوليميريز الحمض النووي ، يوجد في كل من حقيقيات النوى وبدائيات النوى ويختلف هيكلها وتعقيدها اعتمادًا على المجموعة.

من منظور تطوري ، من المعقول الاعتقاد بأن الإنزيمات الأولى يجب أن يكون لها نشاط بوليميريز ، لأن أحد المتطلبات الجوهرية لتطور الحياة هو قدرة التكرار للجينوم.

العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية

يصف ما يسمى بـ "عقيدة" البيولوجيا الجزيئية تكوين البروتينات من الجينات المشفرة في الحمض النووي في ثلاث خطوات: النسخ المتماثل والنسخ والترجمة.

تبدأ العملية بتكرار جزيء الحمض النووي ، حيث يتم إنتاج نسختين منه بطريقة شبه محافظة. ثم يتم نسخ الرسالة من الحمض النووي إلى جزيء RNA ، يسمى messenger RNA. أخيرًا ، يتم ترجمة المرسال إلى بروتينات بواسطة آلية الريبوسوم.

في هذه المقالة سوف نستكشف اثنين من الإنزيمات الأساسية المشاركة في العمليتين الأوليين المذكورتين.

من الجدير بالذكر أن هناك استثناءات للعقيدة المركزية. لا تتم ترجمة العديد من الجينات إلى بروتينات ، وفي بعض الحالات يكون تدفق المعلومات من الحمض النووي الريبي إلى الحمض النووي (كما في الفيروسات القهقرية).

بوليميريز الحمض النووي

المميزات

بوليميراز الدنا هو الإنزيم المسؤول عن التكرار الدقيق للجينوم. يجب أن يكون عمل الإنزيم فعالاً بما يكفي لضمان الحفاظ على المعلومات الجينية ونقلها إلى الأجيال القادمة.

إذا أخذنا في الاعتبار حجم الجينوم ، فإنها مهمة صعبة للغاية. على سبيل المثال ، إذا حددنا لأنفسنا مهمة نسخ مستند مكون من 100 صفحة على جهاز الكمبيوتر الخاص بنا ، فسيكون لدينا بالتأكيد خطأ واحد (أو أكثر ، حسب تركيزنا) لكل صفحة.

يمكن أن يضيف البوليميراز أكثر من 700 نيوكليوتيد كل ثانية ، وهو خطأ فقط كل 10 ⁹ أو 10 ¹⁰ نيوكليوتيدات مدمجة ، وهو رقم غير عادي.

يجب أن يكون للبوليميراز آليات تسمح بنسخ معلومات الجينوم بدقة. لذلك ، هناك بوليميرات مختلفة لديها القدرة على تكرار وإصلاح الحمض النووي.

الخصائص والهيكل

بوليميراز DNA هو إنزيم يعمل في اتجاه 5'-3 '، ويعمل عن طريق إضافة نيوكليوتيدات إلى الطرف النهائي مع مجموعة OH الحرة.

تتمثل إحدى النتائج المباشرة لهذه الميزة في إمكانية تصنيع أحد الخيوط دون أي إزعاج ، ولكن ماذا عن الخصلة التي يجب تصنيعها في الاتجاه 3'-5 '؟

يتم تصنيع هذه السلسلة فيما يعرف باسم شظايا أوكازاكي. وهكذا ، يتم تصنيع أجزاء صغيرة في الاتجاه الطبيعي ، 5'-3 '، والتي يتم ربطها لاحقًا بإنزيم يسمى ligase.

من الناحية الهيكلية ، تشترك بوليمرات الحمض النووي في موقعين نشطين يحتويان على أيونات معدنية. نجد فيها الأسبارتات وبقايا الأحماض الأمينية الأخرى التي تنسق المعادن.

أنواع

تقليديا ، في بدائيات النوى ، تم تحديد ثلاثة أنواع من البوليميرات التي تمت تسميتها بالأرقام الرومانية: الأول والثاني والثالث. في حقيقيات النوى ، يتم التعرف على خمسة إنزيمات وتتم تسميتها بأحرف الأبجدية اليونانية ، وهي: α و β و γ و δ و.

حددت أحدث التحقيقات خمسة أنواع من الحمض النووي في Escherichia coli ، و 8 في الخميرة Saccharomyces cerevisiae وأكثر من 15 في البشر. في سلالة النبات ، تمت دراسة الإنزيم بشكل أقل. ومع ذلك ، تم وصف حوالي 12 إنزيمًا في نموذج الكائن الحي Arabidopsis thaliana.

التطبيقات

واحدة من أكثر التقنيات المستخدمة في مختبرات البيولوجيا الجزيئية هي تفاعل البوليميراز المتسلسل أو تفاعل البلمرة المتسلسل. يستفيد هذا الإجراء من قدرة البلمرة لبوليميراز الدنا لتضخيم جزيء DNA الذي نرغب في دراسته بعدة أوامر من حيث الحجم.

بعبارة أخرى ، في نهاية الإجراء سيكون لدينا آلاف النسخ من الحمض النووي المستهدف لدينا ، واستخدامات تفاعل البوليميراز المتسلسل متنوعة للغاية. يمكن تطبيقها على البحث العلمي ، لتشخيص بعض الأمراض أو حتى في علم البيئة.

بوليميراز الحمض النووي الريبي

المميزات

بوليميراز RNA مسؤول عن توليد جزيء RNA بدءًا من قالب DNA. النسخة الناتجة هي نسخة مكملة لجزء الحمض النووي الذي تم استخدامه كقالب.

إن Messenger RNA مسؤول عن نقل المعلومات إلى الريبوسوم ، لتوليد البروتين. يشاركون أيضًا في تخليق الأنواع الأخرى من الحمض النووي الريبي.

هذا لا يمكن أن يعمل بمفرده ، فهو يحتاج إلى بروتينات تسمى عوامل النسخ لتتمكن من أداء وظائفها بنجاح.

الخصائص والهيكل

بوليميرات الحمض النووي الريبي عبارة عن مجمعات إنزيمية كبيرة. هم أكثر تعقيدا في سلالة حقيقية النواة منها في بدائية النواة.

في حقيقيات النوى ، هناك ثلاثة أنواع من البوليميرات: Pol I و II و III ، وهي الآلية المركزية لتخليق الريبوسوم والرسول ونقل الحمض النووي الريبي ، على التوالي. في المقابل ، في بدائيات النوى ، تتم معالجة جميع جيناتها بنوع واحد من البوليميراز.

الاختلافات بين بوليميراز DNA و RNA

على الرغم من أن كلا الإنزيمين يستخدمان التلدين من الحمض النووي ، إلا أنهما يختلفان في ثلاث طرق رئيسية. أولاً ، يتطلب بوليميراز الحمض النووي مادة أولية لبدء النسخ المتماثل وربط النيوكليوتيدات. التمهيدي أو التمهيدي عبارة عن جزيء يتكون من عدد قليل من النيوكليوتيدات ، تتكامل تسلسلها مع موقع معين في الحمض النووي.

يعطي التمهيدي –OH مجاني للبوليميراز لبدء عمليته التحفيزية. في المقابل ، يمكن أن تبدأ بوليمرات الحمض النووي الريبي عملها دون الحاجة إلى مادة أولية.

ثانيًا ، يحتوي DNA polymerase على مناطق ربط متعددة على جزيء DNA. يمكن أن يرتبط بوليميراز الحمض النووي الريبي فقط بتسلسل الجينات المحفز.

أخيرًا ، بوليميريز الحمض النووي هو إنزيم يؤدي وظيفته بدقة عالية. إن بوليميراز RNA عرضة لمزيد من الأخطاء ، حيث يتم إدخال نيوكليوتيد خاطئ كل 10 ⁴ نيوكليوتيدات.

المراجع

1. ألبرتس ، بي ، براي ، دي ، هوبكين ، كيه ، 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. لوين ، ب. (1975). التعبير الجيني. كتب UMI عند الطلب.
6. لوديش ، هـ. ، بيرك ، أ. ، دارنيل ، جي إي ، كايزر ، كاليفورنيا ، كريجر ، إم ، سكوت ، إم بي ،… وماتسودايرا ، ب. (2008). بيولوجيا الخلية الجزيئية. ماكميلان.
7. بيرس ، بكالوريوس (2009). علم الوراثة: نهج مفاهيمي. عموم أمريكا الطبية Ed.
8. Shcherbakova ، PV ، Bebenek ، K. ، & Kunkel ، TA (2003). وظائف بوليميرات الحمض النووي حقيقية النواة. Science's SAGE KE، 2003 (8)، 3.
9. Steitz ، TA (1999). بوليميرات الحمض النووي: التنوع الهيكلي والآليات المشتركة. مجلة الكيمياء البيولوجية، 274 (25)، 17395-17398.
10. Wu، S.، Beard، WA، Pedersen، LG، & Wilson، SH (2013). تشير المقارنة الهيكلية لمعمارية بوليميراز الحمض النووي إلى بوابة نوكليوتيد إلى موقع البوليميراز النشط. مراجعات كيميائية، 114 (5) ، 2759–74.