פולימראז: מאפיינים, מבנה ופונקציות - ביולוגיה - 2025

Polymerases הם אנזימים שתפקידם קשור לתהליכים של שכפול שעתוק של חומצות גרעין. ישנם שני סוגים עיקריים של אנזימים אלה: DNA פולימראז ו- RNA פולימראז.

DNA פולימראז אחראי על סינתזת שרשרת ה- DNA החדשה בתהליך השכפול, הוספת נוקליאוטידים חדשים. הם אנזימים גדולים ומורכבים, ונבדלים זה מזה במבנה, תלוי אם הם נמצאים באורגניזם אקוקרוטי או באורגניזם.

פולימראז טאק: האנזים המשמש ב- PCR.
מקור: Lijealso

באופן דומה, פולימראז RNA פועל במהלך תעתיק ה- DNA, מסנתז את מולקולת RNA. בדומה לפולימרז DNA, הוא נמצא גם באוקריוטות וגם בפרוקריוטים והמבנה והמורכבות שלו משתנים בהתאם לקבוצה.

מנקודת מבט אבולוציונית, סביר לחשוב שהאנזימים הראשונים בוודאי הפעילו פולימראז, שכן אחת הדרישות המהותיות להתפתחות החיים היא יכולת השכפול של הגנום.

הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית

מה שמכונה "הדוגמה" של הביולוגיה המולקולרית מתאר היווצרות חלבונים מגנים המוצפנים ב- DNA בשלושה שלבים: שכפול, תעתיק ותרגום.

התהליך מתחיל בשכפול של מולקולת ה- DNA, בה נוצרים שני עותקים ממנו באופן שמרני למחצה. לאחר מכן מועבר ההודעה מה- DNA למולקולת RNA, הנקראת RNA messenger. לבסוף, המסר מתורגם לחלבונים על ידי המנגנון הריבוזומלי.

במאמר זה נחקור שני אנזימים מכריעים המעורבים בשני התהליכים הראשונים שהוזכרו.

ראוי לציין שיש חריגים לדוגמה המרכזית. גנים רבים אינם מתורגמים לחלבונים, ובמקרים מסוימים זרימת המידע היא מ- RNA ל- DNA (כמו ברטרו-וירוסים).

DNA פולימראז

מאפיינים

פולימראז DNA הוא האנזים האחראי לשכפול המדויק של הגנום. עבודת האנזים חייבת להיות יעילה מספיק כדי להבטיח שמירה על מידע גנטי והעברתו לדורות הבאים.

אם ניקח בחשבון את גודל הגנום, זו משימה מאתגרת למדי. לדוגמה, אם היינו מציבים לעצמנו את המשימה לתמלל מסמך בן 100 עמודים במחשב שלנו, בוודאי תהיה לנו שגיאה אחת (או יותר, תלוי בריכוז שלנו) לכל עמוד.

הפולימראז יכול להוסיף יותר מ 700 נוקליאוטידים בכל שנייה, והוא טועה רק בכל 10 ⁹ או 10 ¹⁰ משולבים נוקלאוטידים, מספר יוצא דופן.

הפולימראז חייב להיות בעל מנגנונים המאפשרים העתקה של המידע של הגנום. לכן ישנם פולימראזות שונות שיש להן את היכולת לשכפל ולתקן DNA.

מאפיינים ומבנה

פולימראז DNA הוא אנזים שעובד בכיוון 5'-3 ', ועובד על ידי הוספת נוקלאוטידים לקצה הטרמינלי עם קבוצת ה- OH החופשית.

אחת ההשלכות המיידיות של תכונה זו היא שאפשר לסנתז את אחד הגדילים ללא שום אי נוחות, אך מה עם הגדיל שצריך לסנתז בכיוון 3'-5 '?

שרשרת זו מסונתזת במה שמכונה שברי אוקזאקי. לפיכך, פלחים קטנים מסונתזים בכיוון הרגיל, 5'-3 ', ואליהם מצטרף אנזים הנקרא ליגז.

מבחינה מבנית, ישנם פולימראזות DNA בשני אתרים פעילים המחזיקים ביוני מתכת. בתוכם אנו מוצאים שאריות אספרטט וחומצות אמינו אחרות המתאמות מתכות.

סוגים

באופן מסורתי, בפרוקריוטות, זוהו שלושה סוגים של פולימראזות הנקראים בספרות רומיות: I, II ו- III. באוקריוטות, חמישה אנזימים מוכרים ומכנים אותם באותיות האלף-בית היווני, כלומר: α, β, γ, δ ו- ε.

החקירות האחרונות זיהו חמישה סוגים של DNA ב- Escherichia coli, 8 בשמרים Saccharomyces cerevisiae ויותר מ- 15 אצל בני אדם. בשושלת הצמח האנזים נחקר פחות. עם זאת, כ 12- אנזימים תוארו באורגניזם המודל Arabidopsis thaliana.

יישומים

אחת הטכניקות הנפוצות ביותר במעבדות ביולוגיה מולקולרית היא תגובה PCR או שרשרת פולימראז. הליך זה מנצל את יכולת הפילמור של פולימראז DNA כדי להשיג הגברה, בכמה סדרי גודל, מולקולת DNA אותה אנו מעוניינים ללמוד.

במילים אחרות, בסוף ההליך יהיה לנו אלפי עותקים של ה- DNA היעד שלנו. השימושים ב- PCR מגוונים מאוד. זה יכול להיות מיושם על מחקר מדעי, על אבחנה של מחלות מסוימות או אפילו באקולוגיה.

RNA פולימראז

מאפיינים

פולימראז RNA אחראי לייצור מולקולת RNA החל מתבנית DNA. התמלול שהתקבל הוא העתק המשלים את קטע ה- DNA ששימש כתבנית.

Messenger RNA אחראי על העברת מידע לריבוזום, לייצור חלבון. הם גם משתתפים בסינתזה של סוגים אחרים של RNA.

זה לא יכול לפעול לבד, הוא זקוק לחלבונים הנקראים גורמי שעתוק כדי להיות מסוגלים לבצע את תפקידיו בהצלחה.

מאפיינים ומבנה

פולימראזות RNA הם מתחמי אנזים גדולים. הם מורכבים יותר בשושלת האוקריוטית מאשר בפרוקריוטים.

באוקריוטים ישנם שלושה סוגים של פולימראזות: Pol I, II ו- III, המהווים את המנגנון המרכזי לסינתזה של RNA ריבוזומלי, מסנג'ר והעברה, בהתאמה. לעומת זאת, בפרוקריוטים כל הגנים שלהם מעובדים על ידי סוג יחיד של פולימראז.

הבדלים בין DNA ל- RNA פולימראז

למרות ששני האנזימים משתמשים בחישול DNA, הם נבדלים זה מזה בשלושה דרכים עיקריות. ראשית, פולימראז ה- DNA דורש פריימר כדי להתחיל שכפול ולחבר נוקלאוטידים. פריימר או פריימר הוא מולקולה המורכבת מכמה נוקליאוטידים, שהרצפים שלהם משלימים לאתר ספציפי ב- DNA.

הפריימר נותן -OH חופשי לפולימראז כדי להתחיל בתהליך הקטליטי שלו. לעומת זאת, פולימראזות RNA יכולות להתחיל בעבודתן ללא צורך בפריימר.

שנית, לפולימראז DNA יש אזורים קשורים מרובים במולקולת ה- DNA. פולימראז RNA יכול להיקשר רק לרצפי מקדם של גנים.

לבסוף, פולימראז DNA הוא אנזים שעושה את עבודתו בנאמנות גבוהה. פולימראז RNA חשוף לשגיאות נוספות ומכניס נוקליאוטיד שגוי כל 10 ⁴ נוקלאוטידים.

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. לוין, ב '(1975). ביטוי גנים. ספרי UMI לפי דרישה.
6. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). ביולוגיה מולקולרית של התא. מקמילן.
7. פירס, BA (2009). גנטיקה: גישה רעיונית. פנמריקנית רפואית אד.
8. ששרבקובה, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). פונקציות של פולימראזות DNA אאוקריוטיות. SAGE KE של המדע, 2003 (8), 3.
9. סטיץ, ת"א (1999). פולימראזות DNA: גיוון מבני ומנגנונים נפוצים. כתב העת לכימיה ביולוגית, 274 (25), 17395-17398.
10. 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.