DNA פולימראז: סוגים, פונקציה ומבנה - ביולוגיה - 2025

DNA פולימרז הוא אנזים זה אחראי מזרז את פילמור של גדיל DNA החדש במהלך השכפול של מולקולה זו. תפקידה העיקרי הוא לזווג את הדאקסיריבונוקלאוטידים הטריפוספטים לאלה של שרשרת התבניות. זה מעורב גם בתיקון DNA.

אנזים זה מאפשר התאמה נכונה בין בסיסי ה- DNA של שרשרת התבניות לזו החדשה, בעקבות הסכימה של זוגות A עם T, ו- G עם C.

מבנה של בטא פולימראז ה- DNA בבני אדם.
מקור: Yikrazuul, מתוך Wikimedia Commons

תהליך שכפול ה- DNA חייב להיות יעיל ויש לבצע אותו במהירות, ולכן פולימראז ה- DNA פועל על ידי הוספה של כ 700 נוקלאוטידים בשנייה ורק עושה טעות אחת בכל 10 ⁹ או 10 ¹⁰ נוקלאוטידים המשולבים.

ישנם סוגים שונים של פולימראז DNA. אלה משתנים הן באוקריוטות והן בפרוקריוטות, ולכל אחת מהן תפקיד ספציפי בשכפול ותיקון DNA.

יתכן שאחד האנזימים הראשונים שהופיעו באבולוציה היה פולימראזים, שכן היכולת לשכפל במדויק את הגנום היא דרישה מהותית להתפתחות אורגניזמים.

גילוי האנזים הזה נזקף לזכותו של ארתור קורנברג ועמיתיו. חוקר זה זיהה פולימראז ה- DNA (Pol I) בשנת 1956, בעת שעבד עם Escherichia coli. באופן דומה, ווטסון וקריק הם שהציעו שהאנזים הזה יוכל לייצר עותקים נאמנים של מולקולת ה- DNA.

סוגים

פרוקריוטות

אורגניזמים פרוקריוטיים (אורגניזמים ללא גרעין אמיתי, המוגבלים על ידי קרום) הם בעלי שלושה פולימראזות DNA עיקריות, המקוצרות בדרך כלל כ- pol I, II ו- III.

DNA פולימראז I משתתף בשכפול DNA ותיקון ובעל פעילות אקסונוקליזית בשני הכיוונים. תפקיד האנזים הזה בשכפול נחשב לשני.

II משתתף בתיקון DNA ופעילות האקסונוקליזה שלו היא במובן 3'-5 '. השלישי משתתף בשכפול ה- DNA ובשינויו, ובדומה לאנזים הקודם, יש לו פעילות אקונוקלאזית במובן 3'-5 '.

אוקריוטות

לאיקריוטות (אורגניזמים עם גרעין אמיתי, המופרדים על ידי קרום) יש חמישה פולימראזות DNA, הנקראות באותיות האלף-בית היווני: α, β, γ, δ ו- ε.

הפולימראז γ ממוקם במיטוכונדריה ואחראי על שכפול של חומר גנטי באברון תאים זה. לעומת זאת, ארבעת האחרים נמצאים בגרעין התאים ומעורבים בשכפול DNA גרעיני.

משתני ה- α, δ ו- ε הם הפעילים ביותר בתהליך חלוקת התא, מה שמרמז שתפקידם העיקרי קשור לייצור עותקי DNA.

DNA פולימראז β, מצידו, מציג שיא פעילות בתאים שאינם מתחלקים, ולכן ההנחה היא שתפקודו העיקרי קשור לתיקון DNA.

ניסויים שונים הצליחו לאמת את ההשערה שהם לרוב מקשרים פולימרזות α, δ ו- ε עם שכפול ה- DNA. הסוגים γ, δ ו- ε מראים פעילות exonuclease 3'-5 '.

קשתות

שיטות רצף חדשות הצליחו לזהות מגוון עצום של משפחות פולימראז DNA. בארכאה, ספציפית, זוהתה משפחת אנזימים, המכונה משפחת D, הייחודיות לקבוצת אורגניזמים זו.

פונקציות: שכפול ותיקון DNA

מה זה שכפול DNA?

DNA הוא המולקולה הנושאת את כל המידע הגנטי של אורגניזם. זה מורכב מסוכר, בסיס חנקני (אדנין, גאנין, ציטוזין ותימין) וקבוצת פוספטים.

בתהליכי חלוקת התאים, המתרחשים ללא הרף, יש להעתיק DNA במהירות ובמדויק - במיוחד בשלב ה- S של מחזור התא. תהליך זה בו התא מעתיק DNA מכונה שכפול.

מבחינה מבנית, מולקולת ה- DNA מורכבת משני גדילים ויוצרים סליל. במהלך שכפול, אלה נפרדים וכל אחד מהם משמש כתבנית ליצירת מולקולה חדשה. כך, הגדילים החדשים עוברים לתאי הבת בתהליך חלוקת תאים.

מכיוון שכל גדיל משמש כתבנית, אומרים כי שכפול ה- DNA הוא שמרני למחצה - בסוף התהליך, המולקולה החדשה מורכבת מחוט גדיל חדש וישן. תהליך זה תואר בשנת 1958 על ידי החוקרים Meselson ו- Stahl, באמצעות איזופוטים.

שכפול DNA דורש סדרת אנזימים המזרזים את התהליך. בין מולקולות החלבון הללו בולט פולימראז DNA.

תְגוּבָה

כדי שתתרחש סינתזת DNA, יש צורך במצעים הנחוצים לתהליך: deoxyribonucleotide triphosphate (dNTP)

מנגנון התגובה כרוך בהתקפה נוקלאופילית על ידי קבוצת ההידרוקסיל בסוף 3 'הגדיל הגדל על הפוספט האלפא של ה- DNTPs המשלימים, ומבטל פירופוספט. שלב זה חשוב ביותר, מכיוון שהאנרגיה לפירמור מגיעה מהידרוליזה של ה- dNTPs והפירופוספט המתקבל.

פול III או אלפא נקשר לפריימר (ראו תכונות של פולימראזות) ומתחיל להוסיף נוקלאוטידים. האפסילון מאריך את שרשרת העופרת, והדלתא מאריך את גדיל המפגר.

מאפיינים של פולימראזות DNA

כל פולימראזות ה- DNA הידועות חולקות שתי תכונות חיוניות הקשורות לתהליך השכפול.

ראשית, כל הפולימראזות מסנתזות את גדיל ה- DNA בכיוון 5'-3 ', ומוסיפות את ה- dNTP לקבוצת ההידרוקסיל של השרשרת הגוברת.

שנית, פולימראזות DNA אינן יכולות להתחיל לסנתז גדיל חדש מאפס. הם זקוקים ליסוד נוסף המכונה פריימר או פריימר, המהווה מולקולה המורכבת מכמה נוקלאוטידים המספקים קבוצת הידרוקסיל חופשית, בה הפולימראז יכול לעגן ולהתחיל בפעילותו.

זהו אחד ההבדלים המהותיים בין פולימראזות ה- DNA וה- RNA, מכיוון שהאחרון מסוגל להתחיל סינתזה של שרשרת דה-נובו.

שברי אוקזאקי

המאפיין הראשון של פולימראזות ה- DNA שהוזכר בסעיף הקודם מייצג סיבוך לשכפול חצי שמרני. כששני גדילי ה- DNA פועלים בצורה אנטי-פארלית, אחד מהם מסונתז באופן רציף (זה שהיה צריך לסנתז במובן 3'-5 ').

בגדול המושהה, סינתזה לא רציפה מתרחשת דרך הפעילות התקינה של הפולימראז, 5'-3 ', והשברים המתקבלים - הידועים בספרות כקטעי אוקזאקי - מקושרים על ידי אנזים אחר, ליגז.

תיקון DNA

ה- DNA נחשף כל הזמן לגורמים, אנדוגניים ואקסוגניים כאחד, העלולים לפגוע בו. נזקים אלה יכולים לחסום שכפול ולהצטבר, להשפיע על ביטוי הגנים, לגרום לבעיות בתהליכים הסלולריים השונים.

בנוסף לתפקידו בתהליך שכפול ה- DNA, הפולימראז הוא גם מרכיב מרכזי במנגנוני תיקון ה- DNA. הם יכולים גם לפעול כחיישנים במחזור התא שמונעים כניסה לשלב החלוקה אם נפגעים ב- DNA.

מִבְנֶה

נכון לעכשיו, הודות למחקרי הקריסטלוגרפיה, הוסבר המבנים של פולימראזות שונות. על סמך הרצף העיקרי שלהם, הפולימראזות מקובצות למשפחות: A, B, C, X ו- Y.

כמה היבטים משותפים לכל הפולימראזות, במיוחד אלה הקשורים למרכזים הקטליטים של האנזים.

אלה כוללים שני אתרים פעילים מרכזיים המחזיקים ביוני מתכת, עם שני שאריות אספרטט ושאריות משתנות אחת - או אספרטט או גלוטמט, המתאם את המתכות. יש סדרה נוספת של שאריות טעונות המקיפות את המרכז הקטליטי ונשמרות בפולימראזות השונות.

בפרוקריוטות, פולימראז ה- DNA I הוא פוליפפטיד 103 ק"ד, השני הוא פוליפפטיד 88 ק"ג, ו- III מורכב מעשרה יחידות משנה.

באוקריוטות, האנזימים גדולים ומורכבים יותר: α מורכב מחמש יחידות, β ו- γ של יחידת משנה אחת, δ של שתי יחידות משנה ו- ε של 5.

יישומים

PRC

תגובת שרשרת הפולימראז (PRC) היא שיטה המשמשת בכל מעבדות הביולוגיה המולקולרית, הודות לשימושיותה ופשטותה. מטרת שיטה זו היא להגביר באופן מסיבי מולקולת DNA המעניינת.

כדי להשיג זאת, הביולוגים משתמשים בפולימראז DNA שאיננו נפגע מחום (טמפרטורות גבוהות חיוניות לתהליך זה) בכדי להגביר את המולקולה. התוצאה של תהליך זה היא מספר רב של מולקולות DNA הניתנות לשימוש למטרות שונות.

אחד השירותים הקליניים הבולטים בטכניקה הוא השימוש בה באבחון רפואי. ניתן להשתמש ב- PRC לבדיקת חולים אם קיימים חיידקים ונגיפים פתוגניים.

אנטיביוטיקה ותרופות נגד גידולים

מספר משמעותי של תרופות שמטרתן לגזור את מנגנוני שכפול ה- DNA באורגניזם הפתוגני, בין אם זה נגיף או חיידק.

בחלק זה המטרה היא עיכוב פעילות פולימראז DNA. לדוגמה, התרופה הכימותרפית ציטראבין, המכונה גם ציטוזין אראבינוסיד, מבטלת את פולימראז ה- DNA.

הפניות

1. אלברטס, ב., בריי, ד., הופקין, ק., ג'ונסון, א.ד., לואיס, ג'., רף, מ., … & וולטר, פ. (2015). ביולוגיה חיונית של תאים. גרלנד מדע.
2. Cann, IK ו- Ishino, Y. (1999). שכפול DNA ארכאי: זיהוי החלקים לפתרון חידה. גנטיקה, 152 (4), 1249-67.
3. קופר, GM ו- Hausman, RE (2004). התא: גישה מולקולרית. Medicinska naklada.
4. גרסיה-דיאז, מ ', ובבנק, ק' (2007). פונקציות מרובות של פולימראזות DNA. ביקורות ביקורתיות במדעי הצמח, 26 (2), 105-122.
5. ששרבקובה, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). פונקציות של פולימראזות DNA אאוקריוטיות. SAGE KE של המדע, 2003 (8), 3.
6. סטיץ, ת"א (1999). פולימראזות DNA: גיוון מבני ומנגנונים נפוצים. כתב העת לכימיה ביולוגית, 274 (25), 17395-17398.
7. וו, ש., בירד, וושינגטון, פדרסן, LG, ווילסון, ש. (2013). השוואה מבנית של אדריכלות DNA פולימראז מרמזת על שער נוקליאוטידים לאתר הפעיל של הפולימראז. ביקורות כימיות, 114 (5), 2759-74.