بوليميراز الحمض النووي – كتاب الجينوم الأقوياء

بوليميريز الحمض النووي

تعريف بوليميريز الحمض النووي

بوليميرات الدنا هي إنزيمات تحفز تخليق جزيئات الحمض النووي من ديوكسي ريبونوكليوتيدات. تلعب بوليمرات الحمض النووي دورًا رئيسيًا في تكرار الحمض النووي ، مما يتيح نقل المعلومات الجينية إلى الخلايا الوليدة من جيل إلى جيل.

هل أنت مهتم بفك تشفير 100٪ من حمضك النووي؟ تقدم Nebula Genomics تسلسل الجينوم الكامل الأكثر تكلفة! ابدأ حياة من الاكتشاف مع الوصول الكامل إلى بيانات الجينوم الخاصة بك ، والتحديثات الأسبوعية بناءً على أحدث الاكتشافات العلمية ، وتحليل النسب المتقدم ، وأدوات استكشاف الجينوم القوية. انقر هنا لمعرفة المزيد!

حرره كريستينا سوردز ، دكتوراه.

الجوانب البيوكيميائية لبوليميرات الحمض النووي

نشاط البلمرة

يمكّن البوليميراز الارتباط الكيميائي للجزيئات الفردية (المونومرات) من تكوين سلسلة (بوليمر). في حالة بوليميراز الدنا ، يكون البوليمر المتكون هو حمض ديوكسي ريبونوكلييك (DNA). المونومرات هي ديوكسي ريبونوكليوتيدات ، وبشكل أكثر دقة ديوكسينوكليوزيد ثلاثي الفوسفات (dNTPs). يستخدم بوليميراز الحمض النووي المعتمد على الحمض النووي دائمًا خيطًا فرديًا من الحمض النووي موجودًا بالفعل كقالب لتركيب خيط مكمل جديد يتم تحديد تسلسل النوكليوتيدات به بواسطة القالب. يعد الحفاظ على تسلسل الحمض النووي أمرًا حاسمًا لقدرة بوليميراز الحمض النووي على نسخ المعلومات الجينية المشفرة في الحمض النووي. يتم تحقيق النسخ الصحيح للقالب من خلال الاقتران الأساسي التكميلي لقواعد النوكليوتيدات المدمجة مع قواعد قالب الحمض النووي ، بوساطة روابط هيدروجينية. يتم تركيب خيط الحمض النووي الجديد من 5 إلى 3 نهاية. كيميائيًا ، يحدث هجوم محب للنواة لمجموعة 3′-hydroxy الطرفية من حبلا DNA على α فوسفات من dNTP ، مما يؤدي إلى إطلاق البيروفوسفات. يتم تحفيز هذه الخطوة بواسطة البوليميراز.

على عكس بوليميرات الحمض النووي الريبي (ينتج الحمض النووي الريبي الذي يستخدم لتخليق البروتينات من الأحماض الأمينية) ، لا يمكن أن يحدث تركيب خيط الدنا التكميلي في بوليميراز الحمض النووي إلا إذا كانت نهاية 3-هيدروكسي متاحة للبوليميراز. ثم يتم ربط النوكليوتيدات الأولى بهذه النهاية. في تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR) ، يتم استخدام خيط أحادي الحمض النووي (تمهيدي) من حوالي 15-20 نيوكليوتيد في الطول كنقطة انطلاق للتفاعل. تتطلب الإنزيمات عادة أيونات المغنيسيوم كعامل مساعد.

إن تحفيز تكوين رابطة الديستر مماثل وظيفيًا للتفاعل المقابل لـ RNA polymerases. يتم تنسيق النوكليوتيدات الأخيرة من القسم الذي تم تصنيعه بالفعل والنيوكليوتيد المراد إضافته إلى واحد من أيوني مغنيسيوم لكل منهما في المركز التحفيزي لمجال البوليميراز. يتم تنسيق مجموعة الفوسفات الأولى من النيوكليوتيد المراد إضافتها لكل من أيونات المغنيسيوم. يسمح الموضع المكاني لمجموعة الهيدروكسي للنيوكليوتيدات السابقة بمهاجمة مجموعة الفوسفات من النيوكليوتيدات المراد إضافتها. في هذه العملية ، يتم فصل بقايا بيروفوسفات.

الوظائف في المواقع النشطة بوليميريز الحمض النووي.
العمليات في المواقع النشطة لبوليميراز الدنا حيث يتم تحفيز تفاعلات الحمض النووي.

نشاط نوكلياز خارجي

العديد من البوليميرات لها أيضًا وظائف إنزيمية أخرى. في ظل وجود تركيزات منخفضة من dNTPs ، يسود نشاط نوكلياز خارجي 3 ‘→ 5’ لإزالة النيوكليوتيدات. تحتوي بعض البوليميرات أيضًا على نشاط نوكلياز خارجي 5 ‘→ 3’. لضمان عدم حدوث أخطاء عند قراءة قالب الحمض النووي ، فإن لديهم وظيفة قراءة الإثبات هذه ، أي أنهم قادرون على اكتشاف إدخال نيوكليوتيد غير مناسب ثم إزالته من الحمض النووي عن طريق نشاط نوكلياز خارجي. يتيح ذلك إمكانية تدهور خيط DNA أو RNA الموجود بالفعل والذي تم إقرانه مع خيط القالب أثناء تكوين خيط جديد. ينتج عن هذا تبادل الخصلة القديمة بحبل جديد. يتم استغلال نشاط نوكلياز خارجي بواسطة طريقة ترجمة نيك.

بوليميرات الحمض النووي المختلفة

في بكتيريا مثل Escherichia coli ، توجد ثلاثة أنواع مختلفة من بوليميرات الحمض النووي المعتمدة على الحمض النووي. تم عزل بوليميراز DNA الأول (Pol I) في عام 1955 بواسطة آرثر كورنبرغ وكان أول بوليميريز تم اكتشافه على الإطلاق. ومع ذلك ، ليس هذا هو البوليميراز الأكثر أهمية للنسخ المتماثل في E. coli ، حيث إنه يحفز فقط حوالي 20 خطوة تخليقية (أي أنه يحتوي فقط على طاقة معالجة منخفضة). ومع ذلك ، فهي مسؤولة عن تدهور التمهيدي أثناء النسخ المتماثل بسبب نشاط نوكلياز خارجي 5 ‘→ 3’. تم عزل DNA polymerase II و DNA polymerase III ، وهما بوليميرا الحمض النووي الآخران في E. coli ، بعد 15 عامًا فقط من اكتشاف DNA polymerase I ، بعد أن أثبتت طفرات E. coli مع خلل في جين polymerase I أنها مؤهلة لعلاج تكرار. ومع ذلك ، كانت هذه الطفرات معرضة بشكل خاص للأشعة فوق البنفسجية والمواد المؤلكلة ، ولهذا السبب يُفترض أن بوليميريز الحمض النووي I يؤدي مهام الإصلاح بشكل أساسي. يتكون Polymerase III ، الذي ينفذ التكاثر الفعلي في E. coli ، من إجمالي سبع وحدات فرعية ويحدث فقط في نسخ قليلة جدًا لكل خلية بكتيرية.

تصنف بوليميرات الحمض النووي حقيقية النواة ، بما في ذلك بوليميرات الحمض النووي البشري ، في العائلات التالية:

  • الأسرة أ: بوليميرات الحمض النووي γ و و
  • العائلة ب: بوليميرات الحمض النووي α و و و
  • الأسرة X: بوليميرات الحمض النووي β و و و μ
  • الأسرة Y: بوليميرات الحمض النووي η و و

يحدث البوليميراز فقط في الميتوكوندريا.

توجد خمسة أنواع فقط في الثدييات: α و و و δ و ε. من المفترض أن البوليميرات δ و ، والتي تعتبر حاسمة للنسخ المتماثل ، تتميز بقوة معالجة عالية ووظيفة قراءة إثبات. في المقابل ، تُظهر البوليميرات α و قوة معالجة منخفضة فقط ولا توجد وظيفة قراءة إثبات.

علاوة على ذلك ، هناك بوليمرات DNA تعتمد على RNA والتي تستخدم RNA كقالب وتربط dNTPs به. تسمى هذه النسخ العكسية ، والتي تتضمن أيضًا الإنزيم تيلوميراز. إن بوليميراز الحمض النووي المستقل الوحيد المعروف هو ناقل ديوكسي ريبونوكليوتيديل ترانسفيراز.

توجد في البكتريا الأثرية أنواع مستقرة لدرجة الحرارة تُستخدم أيضًا في تفاعل البوليميراز المتسلسل.

الأهمية البيولوجية

تعد بوليميرات الحمض النووي ذات أهمية مركزية لتكرار الحمض النووي. إنها تمكن من النسخ الأمين للمعلومات الجينية في شكل DNA ، وبالتالي فهي خطوة حاسمة في تكاثر وتكاثر الكائنات الحية. تلعب الإنزيمات أيضًا دورًا مهمًا في العمليات المرتبطة بإصلاح الحمض النووي.

أهمية التكنولوجيا الحيوية

في المختبر ، غالبًا ما تُستخدم بوليمرات الدنا في تفاعل البلمرة المتسلسل والطرق ذات الصلة (مثل RT-PCR ، qPCR) ، لترجمة النك ، التمهيد العشوائي وتسلسل الحمض النووي. عدد كبير من الأنواع المختلفة للحرارة (على سبيل المثال Taq polymerase from Thermus aquaticus ) ، وبعضها تم تعديله بواسطة هندسة البروتين. بالإضافة إلى ثبات درجة الحرارة المرتفعة ، توفر بوليمرات الحمض النووي المقاومة للحرارة من أصل قديم ، مثل Pfu polymerase ، قراءة إثبات ، حيث لا ينبغي أن يؤدي PCR إلى أي تغييرات في الحمض النووي المنتج. علاوة على ذلك ، تُستخدم الخيط الذي يزيح بوليمرات الحمض النووي مثل φ29 بوليميريز الحمض النووي في طرق مختلفة لتضخيم الحمض النووي متساوي الحرارة في درجة حرارة الغرفة. كانت مقدمة بوليميرات الحمض النووي المستخدمة اليوم هي بوليميريز T4 DNA.

هل أعجبك منشور المدونة هذا؟ يمكنك إيجاد المزيد من المنشورات حول الحمض النووي وعلم الوراثة والتسلسل هنا !

قد تكون مهتمًا بمنشورات المدونة التالية ذات الصلة:

قبل أن تغادر ، تحقق من تسلسل الجينوم الكامل!