بوليمراز الدنا

في 1956م، اكتشف عالم الكيمياء الحيوية آرثر كورنبرغ وزملائه بوليميراز الدنا الأول في بكتيريا الإشريكية القولونية. استطاع الفريق شرح خطوات تضاعف الحمض النووي عن طريق إنزيم البوليميراز. ونتيجة لهذا الاكتشاف، نال كورنبرغ جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء عام 1959م.^[5] أما بوليميراز الدنا الثاني فقد اكتشف على يد عالم الكيمياء الحيوية توماس كونبرغ (ابن آرثر كورنبرغ) ومالكوم جيفتر في عام 1970م، أثناء محاولتهما لكشف المزيد عن دور البوليميراز الأول في تضاعف الحمض النووي عند بكتيريا الإشريكية القولونية.^[6] لاحقًا، اكتشفت ثلاثة أنواع أخرى من البوليميراز في بكتيريا الإشريكية القولونية، الثالث في السبيعينيات، والرابع والخامس في عام 1999م.^[7]

قبل أن تبدأ عملية التضاعف، يقوم إنزيم الهيليكاز بحل سلسلتي الدنا عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين النيوكليوتيدات. ينتج عن هذه العملية فك السلسلتين المترابطتين للحمض النووي؛ مما يمكن باقي الإنزيمات من العمل على السلسلتين المنفردتين. يعمل البلوليميراز على قراءة كل سلسلة على حدة، وإضافة النيوكليوتيدات واحدة تلو الأخرى إلى النهاية 3' لسلسلة الحمض النووي. تُضاف النيوكليوتيدات وفق ترتيب محدد مبني على نوع القاعدة النيتروجينية في النيوكليوتيد؛ حيث يُضاف السايتوسين للجوانين، والثايمين للأدينين. ويمكن لبوليميراز الدنا بوليمريز إضافة نيوكليوتيدة جديدة إلى النهاية 3' من السلسلة الجديدة، مما يؤدي إلى استطالة السلسلة في اتجاه واحد هو من 5' إلى 3'. حتى الآن، لا يوجد إنزيم بوليميراز واحد قادر على تكوين سلسلة حمض نووي من العدم؛ إذ يتطلب عمل هذا الإنزيم دائمًا وجود نهاية 3' مسبقًا. وتسمى هذه الجزيئات التي يقوم البوليميراز بإضافة النيوكليوتيدات إليها بالمشرعات أو البادئات. وقد تتكون هذه المشرّعات من حمض الدنا، أو حمض الرنا، أو الحمضين معًا. أثناْ تضاعف الحمض النووي، تتكون القاعدتان الأوليتان دائمًا من حمض الرنا، ويُصنّعان بواسطة إنزيم البريميز. كما يتطلب عمل البوليميريز حل سلسلتي الدنا، عن طريق إنزيم الهيليكاز وإنزيم التوبوإيزوميراز، في آلية تضاعف تعرف باسم التضاعف نصف المحافظ.^[8]

من المهم ملاحظة أنه بينما يكوّن البوليميراز سلسلة متجهة من 5' إلى 3'، فإنه يتحرك باتجاه معاكس على السلسلة الأصلية؛ أي أنه يمشي باتجاه 3' إلى 5'. هذا الاختلاف يسمح بإنشاء سلسلتين من الدنا بترتيب يسمى بالتوازي المتضاد.^[9]

في بعض الأحيان، قد يشوب عمل الإنزيم بعض الأخطاء؛ يحدث هذا بمعدل خطأ واحد لكل مليار نيوكليوتيدة مركبة. تملك بعض أنواع البوليميراز خاصية تصحيح الأخطاء. حين يتم التعرف على خطأ في تركيبة النيوكليوتيدات، يتراجع الإنزيم خطوة تلو أخري للوراء. تسمح خاصية النوكلياز الخارجية لدى هذه الإنزيمات بإزالة النيوكليوتيد الخطأ ثم إعادى تركيب النيوكليوتيدات الصحيحة في مكانها. تسمى هذه الظاهرة بالتصحيح؛ وهي ضرورية للحفاظ على التطابق بين السلسلة الجديدة والسلسلة الأصلية.^[10] للدقة أهمية كبرى في عملية تضاعف الحمض النووي، فالأخطاء التركيبية قد تُنتج بروتينات مشوهة تقود إلى تكوين الأورام السرطانية.

تتمتع بوليميرات الحمض النووي المعروفة ببُنية محمية للغاية، مما يعني أن وحداتها الفرعية التحفيزية الشاملة تختلف قليلاً جدًا من نوع إلى نوع، بغض النظر عن هياكل مجالها. تشير الهياكل المحفوظة عادةً إلى وظائف الخلية المهمة التي لا يمكن الاستغناء عنها، والتي توفر صيانتها مزايا تطورية. يمكن وصف الشكل بأنه يشبه اليد اليمنى مع مجالات الإبهام والإصبع وراحة اليد (Palm). يبدو أن مجال راحة اليد النخيل يعمل في تحفيز نقل مجموعات الفسفوريل في تفاعل نقل الفسفوريل. يرتبط الحمض النووي براحة اليد عندما يكون الإنزيم نشطًا. يُعتقد أن هذا التفاعل يُحفَّز بواسطة آلية ثنائية المعدن أيون (Two-metal-ion mechanism). يعمل مجال الإصبع على ربط النيوكليوسيد ثلاثي الفوسفات بقاعدة القالب. يلعب مجال الإبهام دورًا محتملاً في العملية، والانتقال، وتحديد موضع الحمض النووي.^[11]

يرجع التحفيز السريع لبوليميراز الحمض النووي إلى طبيعته المعالجة. العملية هي سمة من سمات الإنزيمات التي تعمل على ركائز بوليمرية. في حالة بوليميريز الحمض النووي، تشير درجة العملية إلى متوسط عدد النيوكليوتيدات المُضافة في كل مرة يربط الإنزيم قالبًا. يتطلب متوسط بوليميريز الحمض النووي حوالي ثانية واحدة لتحديد وربط التمهيدي/ تقاطع القالب. بمجرد أن يتم ربطها، تضيف بوليميراز الدنا غير العملي نيوكليوتيدات بمعدل نيوكليوتيد واحد في الثانية. درجة العملية تتناسب طرديا مع معدل تصنيع الحمض النووي. حُدِّد معدل تصنيع الحمض النووي في الخلية الحية لأول مرة على أنه معدل استطالة الحمض النووي للعاثية الحمض النووي T4 في العدوى بالبكتيريا القولونية. خلال فترة زيادة الحمض النووي الأسي عند 37 درجة مئوية، كان المعدل 749 نيوكليوتيد في الثانية.

تسمح قدرة بوليميراز الحمض النووي على الانزلاق على طول قالب الحمض النووي بزيادة المعالجة. هناك زيادة كبيرة في المعالجة عند شوكة النسخ المتماثل. تُسَهَّل هذه الزيادة من خلال ارتباط بوليميريز الحمض النووي بالبروتينات المعروفة باسم مشبك الحمض النووي المنزلق. المشابك عبارة عن وحدات فرعية بروتينية متعددة مرتبطة بشكل حلقة. باستخدام التحلل المائي لأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، تفتح فئة من البروتينات تُعرف باسم بروتينات تحميل المشبك المنزلق الهيكل الدائري لمشابك الحمض النووي المنزلق مما يسمح بالارتباط والإفراج عن حبلا DNA. يمنع تفاعل البروتين والبروتين مع المشبك بوليميريز الحمض النووي من الانتشار من قالب الحمض النووي، وبالتالي ضمان أن الإنزيم يربط نفس التقاطع التمهيدي/ القالب ويستمر في التكرار.^[12][13]

• آلة جزيئية
• تسلسل الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين
• إنزيم محفز
• إعادة التركيب الجيني
• تنسيل جزيئي
• تفاعل البوليمراز المتسلسل
• منتسخة عكسية
• بوليميراز الحمض النووي الريبوزي
• بوليميراز المستحرة المائية
• صندوق كات

• بوابة الكيمياء الحيوية
• بوابة طب
• بوابة علم الأحياء
• بوابة علم الأحياء الخلوي والجزيئي