גרעינים: מאפיינים, מבנה, סוגים ותפקודים - ביולוגיה - 2025

Nucleases הם אנזימים אשר אחראים חומצות גרעין משפילות. הם עושים זאת על ידי הידרוליזה של קשרי הפוספודיאסטר המחזיקים יחד את נוקלאוטידים. מסיבה זו, הם ידועים גם בספרות בשם פוספודיאסטרז. אנזימים אלה נמצאים כמעט בכל הישויות הביולוגיות, וממלאים תפקידים מהותיים בשכפול DNA, בתהליכים אחרים.

באופן כללי, אנו יכולים לסווג אותם בהתאם לסוג חומצות הגרעין שהם נצמדים: גרעינים שהתשתית שלהם היא RNA נקראים ריבונוקליזות, ואלו של ה- DNA מכונים deoxyribonucleases. יש כאלה שאינם ספציפיים המסוגלים להשפיל גם את ה- DNA וגם את ה- RNA.

קשר פוספודיאסטר. מקור: Xvazquez

סיווג נוסף הנמצא בשימוש נרחב תלוי בפעולה של האנזים. אם הוא עושה את עבודתו בהדרגה, החל מקצות שרשרת חומצות הגרעין, הם נקראים אקסונוקליזות. לעומת זאת, אם השבר מתרחש בנקודה פנימית בשרשרת, הם נקראים אנדונוקליזות.

נכון לעכשיו, אנדונוקליזות מסוימות נמצאות בשימוש נרחב בטכנולוגיית DNA רקומביננטית במעבדות ביולוגיה מולקולרית. אלה הם כלים שלא יסולא בפז למניפולציה ניסיונית של חומצות גרעין.

מאפיינים

גרעינים הם מולקולות ביולוגיות בעלות אופי חלבוני ובעלי פעילות אנזימטית. הם מסוגלים לבצע הידרוליזה של הקשרים המצטרפים לנוקלאוטידים בחומצות גרעין.

הם פועלים באמצעות קטליזה כללית-בסיסית. ניתן לחלק תגובה זו לשלושה שלבים עקרוניים: התקף נוקלאופיל, היווצרות של אמצע ביניים טעון שלילי וכצעד אחרון, שבירת הקשר.

יש סוג של אנזים הנקרא פולימראזות, האחראי לזרז את הסינתזה של ה- DNA הן (בשכפול) והן את ה- RNA (בתעתיק). סוגים מסוימים של פולימראזות מראים פעילות גרעין. בדומה לפולימראזות, גם אנזימים קשורים אחרים מראים פעילות זו.

מִבְנֶה

גרעיני גרעין הם מערכת אנזימים הטרוגניים במיוחד, כאשר אין מעט קשר בין מבנהם ומנגנון הפעולה שלהם. במילים אחרות, קיימת שונות דרסטית בין מבנה האנזימים הללו, כך שלא נוכל להזכיר אף מבנה המשותף לכולם.

סוגים

ישנם סוגים שונים של גרעינים וגם מערכות שונות לסווג אותם. במאמר זה נדון בשתי מערכות סיווג עיקריות: על פי סוג החומצה הגרעינית שהן משפילות ועל פי אופן ההתקפה של האנזים.

אם הקורא מעוניין, הם יכולים לחפש סיווג שלישי נרחב יותר על סמך הפונקציה של כל גרעין (ראה יאנג, 2011).

חובה להזכיר כי גרעינים קיימים גם במערכות אנזימטיות אלה שאינן ספציפיות למצע שלהם ויכולים לבזות את שני סוגי חומצות הגרעין.

על פי הספציפיות של המצע המשמש

ישנם שני סוגים של חומצות גרעין שהם כמעט בכל מקום עבור יצורים אורגניים: חומצה deoxyribonucleic, או DNA, וחומצה ribonucleic, RNA. האנזימים הספציפיים המשפילים את ה- DNA נקראים deoxyribonucleases, ו- RNA, ribonucleases.

על פי צורת ההתקפה

אם שרשרת חומצות הגרעין מותקפת בצורה אנדוליטית, כלומר באזורים פנימיים של השרשרת, האנזים נקרא אנדונוקליז. ההתקפה האלטרנטיבית מתרחשת בהדרגה בקצה האחד של השרשרת והאנזימים שמבצעים אותה הם exonucleases. הפעולה של כל אנזים מביאה לתוצאות שונות.

מכיוון שהאקסונוקליזות מפרידות נוקליאוטידים צעד אחר צעד, ההשפעות על המצע אינן דרסטיות במיוחד. נהפוך הוא, פעולת האנדונוקליזות בולטת יותר, מכיוון שהם יכולים לחתוך את השרשרת בנקודות שונות. זה האחרון יכול לשנות אפילו את הצמיגות של תמיסת ה- DNA.

Exonuclease היו מרכיבים מכריעים כדי להבהיר את אופי הקשר שהחזיק את הנוקלאוטידים ביחד.

הספציפיות של אתר המחשוף באנדונוקליז משתנה. ישנם סוגים מסוימים (כגון האנזים deoxyribonuclease I) שיכולים לחתוך באתרים לא ספציפיים, ויוצרים חתכים אקראיים יחסית ביחס לרצף.

לעומת זאת, יש לנו אנדונוקליזות מאוד ספציפיות שרק חותכות ברצפים מסוימים. נסביר בהמשך כיצד ביולוגים מולקולריים מנצלים את המאפיין הזה.

יש כמה גרעינים שיכולים לפעול כאנדו וגם כקובצי גרעין. דוגמא לכך היא מה שמכונה גרעין מיקרוקוני.

מאפיינים

Nucleases מזרז סדרה של תגובות חיוניות לחיים. פעילות גרעין היא חלק חיוני משכפול ה- DNA, מכיוון שהם עוזרים לחסל את הפריימר או הפריימר ולהשתתף בתיקון שגיאות.

באופן זה, שני תהליכים הרלוונטיים כמו רקומבינציה ותיקון DNA מתווכים על ידי גרעינים.

זה גם תורם ליצירת שינויים מבניים ב- DNA, כמו טופואיזומריזציה ושילוב ספציפי לאתר. כדי שכל התהליכים הללו יתקיימו, יש צורך בפריצה זמנית של הקשר הפוספודיאסטר, המתבצעת על ידי גרעינים.

ב- RNA, גרעינים אף משתתפים בתהליכים בסיסיים. לדוגמא, בשלות של המסנג'ר ובעיבוד של RNA מתערבים. באותו אופן, הם מעורבים בתהליכים של מוות תאים מתוכנת או אפופטוזיס.

באורגניזמים חד-תאיים, גרעינים מייצגים מערכת הגנה המאפשרת להם לעכל DNA זר שנכנס לתא.

יישומים: אנזימי הגבלה

ביולוגים מולקולריים מנצלים את הספציפיות של גרעינים מסוימים הנקראים גרעינים מוגבלים. ביולוגים הבחינו כי חיידקים הצליחו לעכל DNA זר שהוכנס באמצעות טכניקות במעבדה.

כשעמקו עמוק יותר בתופעה, גילו מדענים גרעיני הגבלה - אנזימים החותכים DNA ברצפי נוקלאוטידים מסוימים. הם סוג של "מספריים מולקולריים" ואנחנו מוצאים אותם מיוצרים למכירה.

DNA של חיידקים "חסין" למנגנון זה, מכיוון שהוא מוגן על ידי שינויים כימיים ברצפים המקדמים השפלה. לכל מין וזן של חיידקים יש גרעינים ספציפיים.

מולקולות אלה מועילות מאוד, מכיוון שהן מבטיחות כי החיתוך ייעשה תמיד באותו מקום (4 עד 8 נוקלאוטידים באורך). הם מיושמים בטכנולוגיית DNA רקומביננטית.

לחלופין, בכמה נהלים שגרתיים (כמו PCR) נוכחות גרעינים משפיעה לרעה על התהליך, מכיוון שהם מעכלים את החומר שצריך לנתח. מסיבה זו, במקרים מסוימים יש צורך להחיל מעכבי אנזימים אלה.

הפניות

1. בראון, ט '(2011). מבוא לגנטיקה: גישה מולקולרית. גרלנד מדע.
2. דוידסון, ג'יי, ואדמס, RLP (1980). ביוכימיה של חומצות גרעין של דייווידסון. התהפכתי.
3. Nishino, T., and Morikawa, K. (2002). מבנה ותפקוד גרעינים בתיקון ה- DNA: צורה, אחיזה ו להב של מספריים DNA. אונקוגן, 21 (58), 9022.
4. סטודארד, BL (2005). מבנה ותפקוד אנדונוקליז ביתי. ביקורות רבעוניות של Biophysics, 38 (1), 49-95.
5. Yang, W. (2011). גרעינים: גיוון במבנה, בתפקוד ובמנגנון. ביקורות רבעוניות של Biophysics, 44 (1), 1-93.