معلومة

كيف يحدث هجوم محبة النواة في تكرار الحمض النووي؟

كيف يحدث هجوم محبة النواة في تكرار الحمض النووي؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهلا،

أنا في حيرة من أمري حول كيفية حدوث هجوم محبة النواة في تكرار الحمض النووي ، لقد شاهدت هذا الفيديو من أستاذ علم الأحياء (https://www.youtube.com/watch؟v=y4hKibS2fAo)

لقد شاهدت هذا الفيديو الذي ذكر أنه أثناء تكرار الحمض النووي ، تشكل مجموعة الهيدروكسيل رابطة تساهمية مع الفوسفات ومجموعتا الفوسفور هما مجموعة تاركة.

أنا أفهم أساسيات هذه الأنواع من ردود الفعل ، لكن هذا يبدو محيرًا. أستطيع أن أرى أن الأكسجين الذي كان جزءًا من مجموعة الهيدروكسيل يشكل رابطة تساهمية مع الفوسفور. لكن ماذا يحدث للهيدروجين؟ ولماذا يغير الرابط المزدوج وموضع HO موضعه من الصورة الأولى إلى الصورة الثانية؟

هناك أيضًا بعض الصور التي توضح إنتاج المياه. لكن الفيديو يوضح أن مجموعة الهيدروكسيل تشكل رابطة مع مجموعة الفوسفات. كيف يعمل هذا؟

شكرا جزيلا


يستخدم البوليميراز آلية أيونية ثنائية المعدن لتنفيذ إضافة NTP جديدة إلى خيط الحمض النووي الريبي المتنامي. يتم استخدام اثنين من أيونات Mg2 + في هذه العملية ؛ يشارك أيون الفلز A في تكوين النوكليوفيل (O-) لحدوث تفاعل SN2 ويشارك أيون الفلز B في استقرار الحالة الانتقالية في التفاعل. من أجل إضافة NTP إلى حبلا RNA ، تعمل مجموعة هيدروكسيل 3 'نشطة (O-) على محبي النواة وتهاجم فوسفات ألفا في NTP الوارد. يبدأ التفاعل من خلال حدث نزع التوتر. يساعد أيون المعدن A في نزع البروتون لأنه يقلل من pKa للهيدروكسيل (لذلك فهو أكثر حمضية) ، مما يجعل من السهل نزع البوتونات وتشكيل nucleophile ، يتم قبول البروتون بواسطة بقايا الأسبارتات القريبة (لا ماء) - دوى: 10.1021 / ja403842j. بعد هجوم الهيدروكسيل ، تستمر الآلية من خلال حالة انتقال خماسي التكافؤ كما هو الحال في تفاعل Sn2 القياسي ويتم طرد مجموعة البيروفوسفات (PPi). الصورة ليست لي ولكنها مأخوذة من هذه الورقة: https://doi.org/10.1038/34542 ، وهي جيدة جدًا ، مثل هذه الورقة: doi: 10.1074 / jbc.274.25.17395 وهذه الصورة https: // doi .org / 10.1016 / j.molcel.2006.03.013


نسخ وإصلاح الحمض النووي

تكرار الحمض النووي هو العملية التي يتم فيها نسخ المادة الجينية المشفرة في تسلسل الحمض النووي بحيث يمكن تمريرها إلى خلايا جديدة وذرية من خلالها. بالنسبة للبشر ، فإن تكرار الحمض النووي هو سبب تشابهنا مع آبائنا وأقاربنا.

في حين أن الهدف من التكرار هو إنتاج نسخة متطابقة من الحمض النووي الأصلي ، فإن الأخطاء في العملية تجعل هذا مستحيلًا وتؤدي إلى حدوث طفرات. على الرغم من أن هذه الطفرات يمكن أن تكون قاتلة للخلايا ، إلا أن العديد منها ليس كذلك ويعمل كوسيلة لتنويع نسل الخلايا. عملية النسخ المتماثل ضرورية لنمو الخلايا وتكاثرها.

سنبدأ مناقشتنا من خلال النظر عالميًا في كيفية حدوث تكرار الحمض النووي وأنواع الطفرات التي تحدث بشكل شائع. سننظر بعد ذلك بشكل أكثر تحديدًا في الجزيئات المسؤولة عن تسهيل التكاثر والآليات الكيميائية وراء العملية. أخيرًا ، سننظر في كيفية احتفاظ أنظمة الإصلاح المدمجة التي يستخدمها الحمض النووي لإنتاج نسخ مخلصة بمعدلات طفرة منخفضة.

2 & # 8242 ثلاثي فوسفات ديوكسي ريبونوكليوزيد & # 8211 اللبنات الأساسية لتكرار الحمض النووي. حلقة سكر ريبوز مكونة من خمسة أعضاء تحتوي على الأكسجين بها ثلاث مجموعات فوسفاتية مرتبطة بكربونها 5 & # 8242 وإما مجموعة أساسية من الأدينين أو السيتوزين أو الجوانين أو الثايمين مرتبطة بالكربون 1 & # 8242.

استئصال زوج القاعدة & # 8211 فئة واحدة من نظام إصلاح الحمض النووي. يتعرف ويزيل طفرات النوكليوتيدات المفردة التي تنتج عن قواعد غير طبيعية.

حبلا ابنة & # 8211 يشير إلى الخيط المركب حديثًا من الحمض النووي الذي يتم نسخه عن طريق إضافة النيوكليوتيدات التكميلية من خيط واحد من الحمض النووي الموجود مسبقًا أثناء تكرار الحمض النووي.
DNA Helicase & # 8211 الإنزيم المسؤول عن فصل خيطي الحمض النووي في حلزون بحيث يمكن نسخهما أثناء تكرار الحمض النووي.

DNA Ligase& # 8211 الإنزيم المسؤول عن سد الشقوق أو النكات معًا في حبلا DNA. مسؤول عن ترقيع شظايا أوكازاكي معًا على الخيط المتأخر أثناء تكاثر الحمض النووي.
بوليميريز DNA & # 8211 الإنزيم المسؤول عن تحفيز إضافة ركائز النوكليوتيدات إلى الحمض النووي أثناء وبعد تكرار الحمض النووي.

بريماز & # 8211 الإنزيم المسؤول عن بدء تخليق بادئات RNA على الخيط المتأخر أثناء تكرار الحمض النووي.

Holoenzyme & # 8211 مصطلح يستخدم لوصف مجموعة من الإنزيمات المختلفة التي تعمل معًا في عملية معينة مثل تكرار الحمض النووي.

التحلل المائي & # 8211 العملية التي يتم فيها إضافة الماء كيميائيًا إلى جزيء.

حبلا متخلفة & # 8211 في تكرار الحمض النووي ، فإن خيط الحمض النووي الموجود مسبقًا والموجّه في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 فيما يتعلق باتجاه التكرار الذي يكون التوليف فيه متقطعًا.

الساحل الرئيسي& # 8211 في تكرار الحمض النووي ، فإن حبلا الحمض النووي الموجود مسبقًا والموجّه في الاتجاه 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242 فيما يتعلق باتجاه التكرار الذي يكون النسخ المتماثل فيه مستمرًا.

إصلاح عدم التطابق & # 8211 فئة واحدة من نظام إصلاح الحمض النووي. يتعرف على الطفرات الناتجة عن الاقتران غير التكميلي ويزيلها.

جزء أوكازاكي & # 8211 امتدادات قصيرة من الحمض النووي المركب حديثًا الموجودة على الخيط المتأخر أثناء تكرار الحمض النووي.

أصل النسخ المتماثل & # 8211 موقع الشروع في تكرار الحمض النووي. تمدد داخلي قصير عادةً في حلزون الحمض النووي الذي يفتح بحيث يتم فصل كل خيط لتكرار الحمض النووي.

حبلا الوالدين & # 8211 في تكرار الحمض النووي ، يشير إلى خيط واحد موجود مسبقًا من الحمض النووي الذي يتم نسخه إلى خيط جديد من الحمض النووي عبر الاقتران الأساسي التكميلي.

بيروفوسفات& # 8211 جزيء يحتوي على اثنين من الفوسفات. في تكرار الحمض النووي ، يتم تحريره من 2 & # 8242 ثلاثي فوسفات ديوكسي ريبونوكليوزيد أثناء إضافته إلى حبلا DNA متنامي حديثًا مركب. يوفر التحلل المائي اللاحق الطاقة اللازمة لتفاعل الإضافة.

تكرار شوكة & # 8211 مصطلح يستخدم لوصف الوصلة التي يتم عندها إضافة ركائز النوكليوتيدات إلى سلسلة الحمض النووي المتنامية أثناء تكرار الحمض النووي. يشبه شكله & # 8220Y & # 8221 حيث يمثل الفرعان خيوطًا ابنة واحدة مقطوعة من الحمض النووي وتمثل القاعدة الحمض النووي الحلزوني.

التمهيدي RNA & # 8211 امتدادات قصيرة من الريبونوكليوتيدات (ركائز الحمض النووي الريبي) وجدت على الخيط المتأخر أثناء تكرار الحمض النووي. يساعد في بدء النسخ المتماثل المتأخر للحبلة وإزالتها لاحقًا.

شبه محافظ& # 8211 يشير إلى حقيقة أنه بعد تكرار حلزون DNA واحد ، تحتوي كل واحدة من الحلزونات البنتية الناتجة على خيط واحد من الحمض النووي تم تصنيعه حديثًا والآخر موجود مسبقًا.

ختان الرقعة القصيرة & # 8211 فئة واحدة من نظام إصلاح الحمض النووي. يتعرف ويزيل الامتدادات القصيرة من الحمض النووي التي تحيط بالطفرات الناتجة عن التقارب الكبير على خيط DNA الذي يعوق تكاثر الحمض النووي.

بروتين ربط أحادي السلسلة & # 8211 بروتين يشارك في المساعدة في الحفاظ على خيوط الحمض النووي التي تم فصلها بواسطة هليكاز الحمض النووي من الارتداد في الحلزون. إنه يعمل عن طريق طلاء الخيوط المفردة بطريقة لا تغطي القواعد ، مما يسمح لها بالبقاء مجانًا من أجل الاقتران الأساسي.

ثايمين ديمر & # 8211 شكل من أشكال تلف الحمض النووي الناتج عن الإشعاع. تشكل الثيمينات المجاورة الموجودة على نفس خيط الحمض النووي رابطة تؤدي إلى تقارب ضخم يمكن أن يعيق تكاثر الحمض النووي.

توتوميراتيزيشن& # 8211 عملية يخضع فيها الجزيء لعملية إعادة ترتيب إلكترونية ينتج عنها تنظيم مختلف قليلاً لنفس الجزيء. يطلق على الشكلين من نفس الجزيء & # 8220tautomers & # 8221 لبعضهما البعض.

تكرار الحمض النووي

نسخ الحمض النووي شبه محافظ

ينتج عن تكرار الحمض النووي لولب واحد من الحمض النووي حلزون متطابقان. إذا كان الحلزون الأصلي للحمض النووي يسمى & # 8220 Parental & # 8221 DNA ، فيمكن تسمية الحلزونات الناتجة & # 8220daughter & # 8221 helices. كل حلزون من هاتين الابنتين هو نسخة طبق الأصل تقريبًا من اللولب الأبوي (ليس هو نفسه بنسبة 100٪ بسبب الطفرات). يخلق DNA & # 8220daughters & # 8221 باستخدام الخيوط الأبوية للحمض النووي كقالب أو دليل. يتم تصنيع كل خيط جديد من الحمض النووي (حبلا ابنة) عن طريق إضافة نيوكليوتيد مكمل لشريط الحمض النووي الأم. وبهذه الطريقة ، يكون تكاثر الحمض النووي شبه محافظ ، مما يعني أن خيط أحد الوالدين ينتقل دائمًا إلى الحلزون الابنة للحمض النووي.

شوكات النسخ المتماثل وأصول النسخ المتماثل

الخطوة الأولى في تكرار الحمض النووي هي فصل خيوط الحمض النووي التي تشكل اللولب الذي سيتم نسخه. يقوم DNA Helicase بفك الحلزون في مواقع تسمى أصول النسخ المتماثل. يشكل أصل النسخ على شكل Y ، ويسمى شوكة النسخ المتماثل. تتحرك شوكة النسخ المتماثل إلى أسفل شريط الحمض النووي ، عادةً من موقع داخلي إلى نهاية الشريط & # 8217s. والنتيجة هي أن كل شوكة نسخ لها شوكة نسخ مزدوجة ، تتحرك في الاتجاه المعاكس من نفس الموقع الداخلي إلى الطرف المقابل للضفيرة & # 8217s. تعمل بروتينات الربط أحادية السلسلة (SSB) مع الهيليكس للحفاظ على حلزون الحمض النووي الأبوي غير ملفوف. إنه يعمل عن طريق طلاء الخيوط غير الملتفة بوحدات فرعية صلبة من SSB تمنع الخيوط من الالتصاق مرة أخرى معًا في شكل حلزون. تقوم الوحدات الفرعية SSB بتغطية الخيوط المفردة للحمض النووي بطريقة لا تغطي القواعد ، مما يسمح للحمض النووي بالبقاء متاحًا للاقتران الأساسي مع خيوط الابنة المركبة حديثًا.


عندما يتم فصل خيوط الحمض النووي الأصلية لبدء النسخ المتماثل ، يتم توجيه خيط واحد في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 بينما يتم توجيه الخيط الآخر في الاتجاه 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242. ومع ذلك ، فإن تكرار الحمض النووي غير مرن: الإنزيم الذي ينفذ التكرار ، DNA polymerase ، يعمل فقط في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242. تعني هذه الخاصية الخاصة ببوليميراز الحمض النووي أن الخيوط الابنة يتم تخليقها من خلال طرق مختلفة ، أحدها يضيف النيوكليوتيدات واحدة تلو الأخرى في اتجاه شوكة النسخ ، والآخر قادر على إضافة النيوكليوتيدات في قطع فقط. يُطلق على الخيط الأول ، الذي يكرر النيوكليوتيدات واحدًا تلو الآخر ، الشريط الرئيسي ، ويطلق على الخيط الآخر ، الذي يتكاثر في أجزاء ، اسم الخيط المتأخر.

الخيوط الرائدة والمتأخرة

الطوق الرائد

نظرًا لأن تكرار الحمض النووي يتحرك على طول الشريط الأم في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 ، يمكن أن يحدث النسخ المتماثل بسهولة بالغة على الشريط الرئيسي. كما رأينا في ، تضاف النيوكليوتيدات في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242. يتم تشغيله بواسطة RNA primase ، الذي يضيف النيوكليوتيد الأول إلى السلسلة الوليدة ، إن بوليميريز الحمض النووي يقع ببساطة بالقرب من شوكة النسخ المتماثل ، متحركًا كما تفعل الشوكة ، مضيفًا النيوكليوتيدات واحدة تلو الأخرى ، مع الحفاظ على الاتجاه المناسب المضاد للتوازي. يُطلق على هذا النوع من التكرار ، نظرًا لأنه يتضمن وضع أحد النوكليوتيدات مباشرة تلو الآخر في سلسلة ، مستمرًا.

لاجينج ستراند

في حين أن بوليميراز الحمض النووي على الشريط الرئيسي يمكنه ببساطة اتباع شوكة النسخ المتماثل ، لأن بوليميريز الحمض النووي يجب أن يتحرك في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 ، يجب أن يتحرك الإنزيم بعيدًا عن الشوكة. ولكن إذا تحرك الإنزيم بعيدًا عن الشوكة ، وكشفت الشوكة عن حمض نووي جديد يحتاج إلى تكرار ، فكيف يمكن تكرار الخيط المتأخر على الإطلاق؟ يتم الرد على المشكلة التي يطرحها هذا السؤال بطريقة بارعة. تتكاثر الخصلة المتأخرة في أجزاء صغيرة تسمى شظايا أوكازاكي. هذه الشظايا عبارة عن امتدادات من 100 إلى 200 نيوكليوتيد في البشر (1000 إلى 2000 في البكتيريا) يتم تصنيعها في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 بعيدًا عن شوكة النسخ المتماثل. ومع ذلك ، في حين يتم نسخ كل قطعة على حدة بعيدًا عن شوكة النسخ المتماثل ، يتم نسخ كل جزء لاحق من Okazaki بشكل أقرب إلى شوكة النسخ المتراجع أكثر من الجزء السابق. ثم يتم حياكة هذه الأجزاء معًا بواسطة DNA ligase ، مما يؤدي إلى تكوين خيط مستمر. هذا النوع من النسخ يسمى متقطع.

كما ترون في الشكل أعلاه ، فإن أول جزء مُصنَّع من أوكازاكي على الشريط المتأخر هو الأبعد عن شوكة النسخ المتماثل ، والتي تنحسر إلى اليمين. يبدأ كل جزء لاحق من Okazaki عند شوكة النسخ ويستمر حتى يلتقي بالجزء السابق. ثم يتم خياطة الشظيتين معًا بواسطة DNA ligase.

في الشكل أعلاه ، يمكننا أيضًا أن نرى كيف يظل النسخ المتماثل على الشريط المتأخر متأخرًا قليلاً عن ذلك على الشريط الرئيسي. نظرًا لأن التوليف على الخيط المتأخر يحدث في آلية & # 8220 backstitching & # 8221 ، فإن تكرارها يتأخر قليلاً فيما يتعلق بالتوليف على الشريط الرئيسي. يجب أن تنتظر الخصلة المتأخرة حتى تفتح رقعة من اللولب الأم مسافة قصيرة أمام الخيط المركب حديثًا قبل أن تبدأ في توليفها مرة أخرى حتى نهاية الشريط الابنة. لا يحدث هذا & # 8220lag & # 8221 الوقت في السلسلة الرائدة لأنه يقوم بتوليف الخيط الجديد باتباعه خلفه تمامًا حيث يتم فك اللولب عند شوكة النسخ المتماثل.
من المضاعفات الأخرى للنسخ المتماثل على الشريط المتأخر بدء النسخ المتماثل. في حين أن RNA التمهيدي على الخيط الرئيسي يجب أن يؤدي فقط إلى بدء الخيط مرة واحدة ، يجب تشغيل كل جزء من أجزاء Okazaki الفردية على الشريط المتأخر. على الخيط المتأخر ، إذن ، يقوم إنزيم يسمى primase الذي يتحرك مع شوكة النسخ بتجميع العديد من بادئات الحمض النووي الريبي ، كل منها يؤدي إلى نمو جزء من أوكازاكي. تتم إزالة بادئات الحمض النووي الريبي في النهاية تاركة فجوات تملأها آلية النسخ.

مشاكل

المشكلة: لماذا يسمى استنساخ الحمض النووي & # 8220 شبه محافظ & # 8221؟
يعتبر تكرار الحمض النووي شبه متحفظ لأن كل حلزون يتم إنشاؤه يحتوي على خيط واحد من اللولب الذي تم نسخه منه. ينتج عن تكرار حلزون واحد حلزونان ابنتان يحتوي كل منهما على أحد الخيوط الحلزونية الأصلية. إنه شبه محافظ لأنه يتم حفظ نصف كل حلزون أب في كل حلزون ابنة.
المشكلة: غالبًا ما يكون عدد شوكات النسخ في حلزون الحمض النووي عددًا زوجيًا. اشرح هذه النتيجة.
نظرًا لأن أصول النسخ المتماثل لا توجد عادةً في نهاية اللولب ، بل داخليًا في اللولب ، يؤدي أصل النسخ المتماثل إلى تكوين شوكات النسخ المتماثل. وبالتالي ، عادة ما توجد شوكات النسخ المتماثل في أزواج.
المشكلة: في أي اتجاه (5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 أو 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242) يحدث تكرار الحمض النووي البيولوجي؟
يحدث تكرار الحمض النووي البيولوجي دائمًا في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242.
المشكلة: يُطلق على الخيط الذي يكون فيه تكرار الحمض النووي مستمرًا ___________. يُطلق على الخيط الذي يتقطع فيه تكاثر الحمض النووي اسم ___________.
الساحل الرئيسي. حبلا متخلفة.
المشكلة: يتم التكرار على الخيط المتأخر بواسطة أجزاء صغيرة من النيوكليوتيدات تسمى ماذا؟
شظايا أوكازاكي.

كيمياء إضافة ركائز نسخ الحمض النووي

في حين أن الخيط الرئيسي والخيط المتأخر يتكاثر بشكل مختلف ، فإن كل نيوكليوتيد فردي مضاف إلى كل خيط يتم إرفاقه من خلال نفس الآلية. في هذا القسم ، سوف ندرس آلية الارتباط بالنيوكليوتيدات. ملاحظة: لا تتطلب الفصول الدراسية مثل AP Biology معرفة الموضوعات التي يتم تناولها في هذا القسم.

اللبنات الأساسية لتكرار الحمض النووي هي Deoxyribonucleotides
اللبنات الأساسية المضافة إلى حبلا الابنة المتنامية هي نيوكليوتيدات فردية. تذكر أنه في الحمض النووي فإن المجموعة -OH الموجودة في الموضع 2 & # 8242 من حلقة الريبوز مفقودة. نتيجة لذلك ، تسمى ركائز تخليق الحمض النووي 2 & # 8242 deoxyribonucleotides.

الشكل٪: 2 & # 8242 ثلاثي فوسفات ديوكسي ريبونوكليوزيد
ترتبط بكل حلقة ديوكسيريبوز مجموعة أساسية (C ، G ، A ، أو T) ومجموعة ثلاثية الفوسفات. تم تعيين الفوسفات الثلاثة ألفا وبيتا وجاما (ألفا هي الأقرب إلى حلقة الريبوز). تلعب هذه الفوسفات أدوارًا رئيسية في إضافة النيوكليوتيدات اللاحقة إلى حبلا الابنة.

تحدث الإضافة عن طريق هجوم نووي

ثلاثي فوسفات Deoxyribonucleoside ، كما ذكرنا للتو ، هي اللبنات الأساسية للحمض النووي. تذكر ، علاوة على ذلك ، أن خيطًا كاملًا من عديد النوكليوتيدات من الحمض النووي يحتوي على مجموعة فوسفات واحدة فقط وأنه من خلال مجموعة الفوسفات هذه ، يتم ربط كل نوكليوتيد بالمجموعة التالية. لماذا إذن تعتبر الركيزة ثلاثية الفوسفات بدلاً من مجرد أحادي الفوسفات؟ تكمن الإجابة على هذا السؤال في الكيمياء الكامنة وراء إضافة النيوكليوتيدات إلى خيط ابنة متزايد من الحمض النووي.

في حين أن كل نيوكليوتيد يضاف إلى سلسلة DNA المتنامية يفتقر إلى مجموعة -OH في موقعها 2 & # 8242 ، فإنها تحتفظ بـ 3 & # 8242 -OH. تُستخدم مجموعة الهيدروكسيل هذه لمهاجمة مجموعة فوسفات ألفا من ثلاثي فوسفات النوكليوزيد الوارد. في الهجوم ، يحل محل 3 & # 8242 -OH محل بيتا وغاما فوسفات التي يتم إخراجها من المجمع كجزيء بيروفوسفات. والنتيجة هي تكوين رابطة فسفودايستر بين حبلا الابنة النامية والنيوكليوتيدات التالية. يتم الآن كشف 3 & # 8242 -OH من النيوكليوتيدات المضافة حديثًا في نهاية السلسلة المتنامية ويمكنه مهاجمة النوكليوتيدات التالية بنفس الطريقة.

الشكل٪: إضافة النيوكليوتيدات إلى حبلا ابنة متنامية
يقدم الشكل أعلاه مخططًا مبسطًا لسلسلة عديد النوكليوتيد المتنامية. تمثل الخطوط سكر الريبوز مع واحد 3 & # 8242-OH المتفرعة منه. كل ص يمثل مجموعة الفوسفات. يوضح هذا الشكل عددًا من النقاط الرئيسية لتكرار الحمض النووي. أولاً ، نرى أن الخيط الأم موجه في الاتجاه 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242. ثانيًا ، كل نيوكليوتيد جديد يضاف إلى حبلا الابنة المتنامي مكمل للنيوكليوتيدات الموجودة في الخيط الأم المقابل له وتتشكل الرابطة بينهما. أخيرًا ، نرى كيف تقوم المجموعة 3 & # 8242 -OH بإزاحة مجموعتي الفوسفات الخارجيين من نوكليوتيد وارد لإضافته إلى السلسلة المتنامية.

القوة الدافعة لتفاعل الإضافة

يوفر كل نوكليوتيد وارد الطاقة لإضافته في الرابطة عالية الطاقة بين بيتا وفوسفات جاما التي يتم إخراجها عند الإضافة. ليس إطلاق البيروفوسفات هو الذي يدفع التفاعل ، بل التحلل المائي اللاحق الذي يحدث. يتم إطلاق قدر أكبر من الطاقة عندما يتم فصل الفوسفات إلى فوسفات فردي من خلال تفاعل التحلل المائي.

مشاكل →
المشكلة: ما الذي يملي أي نوكليوزيد ثلاثي الفوسفات سيتم إضافته إلى جانب سلسلة الحمض النووي المتنامية؟
إن الإضافة الكيميائية للنيوكليوتيدات إلى سلسلة DNA المتنامية تمليها الخيط الأم الذي يتم نسخه. سيتم إضافة نوكليوزيد ثلاثي الفوسفات مع قاعدة مكملة للقاعدة الموجودة على الخيط الأم إلى سلسلة متنامية.

المشكلة: ما هي المجموعة الجانبية الموجودة على نوكليوزيد ثلاثي الفوسفات (لبنة بناء الحمض النووي) المسؤولة عن التوسط في إضافة النوكليوتيدات التالية؟
تحدث إضافة النيوكليوتيدات من خلال هجوم محب للأنوية من قبل 3 & # 8242 –OH على مجموعة سكر الديوكسيريبوز للنيوكليوتيدات الموجودة في نهاية سلسلة الحمض النووي المتنامية.

المشكلة: ما الذي يوفر الطاقة لإضافة النيوكليوتيدات إلى سلسلة الحمض النووي المتنامية أثناء التكاثر؟
أثناء تفاعل الإضافة ، يتم تحرير مجموعة بيروفوسفات من نوكليوزيد ثلاثي الفوسفات المضاف. يوفر التحلل المائي اللاحق بيروفوسفات & # 8217s الطاقة التي تحرك تفاعل الإضافة.

المشكلة: صح أم خطأ. يحدث تكرار الحمض النووي في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 لأن النسخ المتماثل 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242 مستحيل كيميائيًا. اشرح اجابتك.

خاطئة. بينما يحدث تكرار الحمض النووي في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 ، فإن السبب ليس لأن النسخ المتماثل 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242 مستحيل كيميائيًا. يمكن أن يحدث النسخ المتماثل 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242 من حيث المبدأ. سيكون 3 & # 8242 –OH للنيوكليوتيدات الواردة بدلاً من النيوكليوتيد المرتبط بنهاية سلسلة النمو هي المجموعة المهاجمة.

المشكلة: لماذا يعد النسخ المتماثل المتأخر للحبلة أكثر تعقيدًا من تكرار تكرار الخيط؟
يعد تخليق الخيوط المتخلفة أكثر تعقيدًا بسبب الحاجة إلى تكرار الحمض النووي في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242. نظرًا لأن الخيوط الأم موجهة بطريقة مضادة للتوازي ، يتم توجيه خصلة واحدة في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 ، بينما يتم توجيه الخيط الآخر في الاتجاه 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242. يمكن أن يحدث التوليف على الخيط الموجه في الاتجاه 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242 (حبلا قياديًا) بسهولة لأن النسخ المتماثل يبدأ ببساطة في الطرف 3 & # 8242 (تجميع 5 & # 8242 نهاية حبلا الابنة) ويستمر جنبًا إلى جنب مع شوكة النسخ المتماثل. لا يمكن أن يتبع التوليف على الخيط الموجه في الاتجاه 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 (الخيط المتأخر) اتجاه شوكة النسخ المتماثل لأن ذلك سيؤدي إلى توليف 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242 من حبلا الابنة. بدلاً من ذلك ، يجب أن يحدث التوليف في أجزاء صغيرة للحفاظ على اتجاه التركيب الصحيح.

قراءة وإثبات الحمض النووي
ص

أخطاء في نسخ الحمض النووي

لا يعكس المعدل الإجمالي المنخفض للطفرة أثناء تكرار الحمض النووي (تغيير زوج أساسي واحد في مليار زوج أساسي لكل دورة تكرار) العدد الحقيقي للأخطاء التي تحدث أثناء عملية النسخ المتماثل. يتم الحفاظ على العدد منخفضًا جدًا من خلال نظام تدقيق القراءة الذي يفحص الحمض النووي المركب حديثًا بحثًا عن الأخطاء ويصححها عند العثور عليها. يمكن أن تتخذ الأخطاء في استنساخ الحمض النووي أشكالًا مختلفة ، ولكن عادةً ما تدور حول إضافة نيوكليوتيد بقاعدة غير صحيحة ، مما يعني أن الاقتران بين قواعد حبلا الوالد والابنة ليس مكملاً. يمكن أن تتم إضافة قاعدة غير صحيحة من خلال عملية تسمى التكثيف. إن توتومر مجموعة أساسية هو إعادة ترتيب طفيفة لإلكتروناتها تسمح بأنماط ترابط مختلفة بين القواعد. يمكن أن يؤدي هذا إلى الاقتران غير الصحيح لـ C مع A بدلاً من G ، على سبيل المثال.

الشكل ٪: Tautomerization من السيتوزين

يحتفظ الحمض النووي بمستوى عالٍ من الدقة من خلال وظيفة التدقيق في القراءة.

نوكلياز خارجية إثبات القراءة 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242

يعمل نوكلياز خارجي مقاوم للقراءة من 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242 عن طريق المسح مباشرة خلفه حيث يضيف بوليميراز الحمض النووي نيوكليوتيدات جديدة إلى الشريط المتنامي. إذا كان آخر نيوكليوتيد تمت إضافته غير متطابق ، فإن الإنزيم الهولندي للنسخ المتماثل بأكمله يقوم بعمل نسخة احتياطية ، ويزيل آخر قاعدة غير صحيحة ، ويحاول إضافة القاعدة الصحيحة مرة أخرى. الإنزيم هو & # 82203 & # 8242 إلى 5 & # 8242 & # 8221 لأنه يمسح في الاتجاه المعاكس لتكرار الحمض النووي ، والذي تعلمنا أنه يجب دائمًا أن يكون 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242. تقدم آلية نظام إثبات القراءة تفسيراً لسبب وجوب حدوث تكرار الحمض النووي في هذا الاتجاه.

مع الأخذ في الاعتبار الآلية الكيميائية التي تعلمناها لإضافة النيوكليوتيدات إلى خيط الدنا المتنامي ، تخيل ما يحدث عندما يزيل نظام التدقيق القراءة قاعدة مقترنة بشكل غير صحيح. يزيل نوكلياز خارجي القاعدة عن طريق شق رابطة الفوسفوديستر التي تكونت للتو. في التركيب 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 ، هذا يترك 3 & # 8242 -OH لا يزال متصلاً بالطرف الطرفي للحبال المتنامي جاهزًا لمهاجمة نوكليوتيد آخر.

الشكل٪: 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242 إجراء نوكلياز خارجي

إذا حدث التوليف في الاتجاه المعاكس ، فستحتوي النهاية النهائية لسلسلة النمو على مجموعة ثلاثي الفوسفات بدلاً من مجموعة -OH. سيصبح هذا ثلاثي الفوسفات هدفًا للنوكلياز الخارجي المضاد للقراءة وسيؤدي إزالته إلى وقف تكرار الحمض النووي.

الشكل٪: توليف غير صحيح 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242

أنواع تلف الحمض النووي

بعد استنساخ الحمض النووي بالكامل ، غالبًا ما لا تكون خصلة الابنة نسخة مثالية من الخيط الأبوي الذي أتت منه. تجعل الطفرات أثناء التكاثر والتلف بعد التكرار من الضروري وجود نظام إصلاح لإصلاح أي أخطاء في الحمض النووي المركب حديثًا. هناك ثلاثة مصادر رئيسية لتلف الحمض النووي.

هجوم بالماء يمكن أن يؤدي إلى إزالة مجموعة أمين من المجموعة الأساسية للنيوكليوتيدات أو فقدان المجموعة الأساسية بأكملها.
الضرر الكيميائي الذي يغير بنية الحمض النووي بشكل دائم.
الأضرار الإشعاعية التي يمكن أن تؤدي إلى شقوق في العمود الفقري للحمض النووي أو تكوين ثايمين الثايمين ، والتي سيتم مناقشتها لاحقًا.
تؤدي مصادر الضرر المختلفة هذه إلى فئات مختلفة من تلف الحمض النووي. يمكن أن يؤدي الضرر الناجم عن الهجوم المائي إلى قواعد غير طبيعية. يؤدي الضرر الكيميائي والإشعاعي إلى تكوين مقاربات ضخمة أو تكسر في حبلا الحمض النووي المتنامي. ناقشنا في القسم السابق 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242 نوكلياز خارجي لإثبات القراءة مسؤول عن إصلاح حالات عدم التطابق. نظرًا لأنه ليس نظامًا مثاليًا ، فقد يغيب عن القواعد غير المتطابقة. ونتيجة لذلك ، فإن الفئة الثالثة من تلف الحمض النووي هي قواعد غير متطابقة.

نظرًا لاختلاف فئات تلف الحمض النووي ، هناك حاجة لأنظمة إصلاح متعددة.

نظام إصلاح الختان

النوع الأول من نظام الإصلاح الذي سنناقشه هو نظام إصلاح الختان. المكوس يعني ببساطة الإزالة ، لذلك تعمل أنظمة الإصلاح هذه عن طريق إزالة منطقة التلف. إنزيمات خاصة تتعرف على الحمض النووي التالف. يأتي نظام الإصلاح هذا في شكلين: إصلاح الختان الأساسي واستئصال النوكليوتيدات قصير التصحيح.

إصلاح ختان الزوج الأساسي

في استئصال الزوج الأساسي ، يتم تحديد أزواج القاعدة الفردية وإزالتها. ثم يتم ملء الفجوة الناتجة ببوليميراز الحمض النووي ويتم ختم النك بواسطة ليجيز DNA.

إصلاح الختان القصير

يختلف استئصال الرقعة القصيرة عن استئصال الزوج الأساسي في أن إنزيماته ستتعرف على & # 8220 البقع القصيرة & # 8221 من الحمض النووي التالف. تنشأ هذه البقع القصيرة من التلف من الآفات الضخمة مثل ثايمين الثايمر. هذا النوع من الضرر ناتج عن الإشعاع ويؤدي إلى تكوين رابطة بين قواعد الثايمين المجاورة على نفس خيط الحمض النووي. تؤدي هذه الرابطة إلى تشويه في الحمض النووي يجعل امتدادًا قصيرًا حول ثايمين الثايمين غير قادر على إقامة الزوج بشكل صحيح. يتعرف نظام إصلاح ختان التصحيح القصير على مثل هذه التشوهات ويقطع الخصلة التالفة على جانبي المنطقة التالفة تاركًا فجوة زوجية مكونة من 12 زوجًا أساسيًا في الخصلة. تقوم الهليكوبتر بعد ذلك بإرخاء امتداد اللولب مع التلف الذي يمكن ملؤه وختمه ببوليميراز DNA و ligase. يمكن أيضًا استخدام إصلاح ختان الرقعة القصيرة لتصحيح الضرر الناتج عن القواعد غير الطبيعية.

إصلاح القواعد غير المتطابقة

النوع الرئيسي الآخر من أنظمة الإصلاح يصحح الضرر الناتج عن القواعد غير المتطابقة ، والتي تسمى نظام إصلاح عدم التطابق. نظام إصلاح عدم التطابق قادر على تحديد أخطاء عدم التطابق لأن مثل هذا الضرر يؤدي إلى تشويه بسيط في العمود الفقري للحمض النووي. بمجرد تحديد زوج قاعدة غير متطابق ، فإنه يحدد البقعة بقطع ثم يستخدم نوكلياز خارجي لهضم أو & # 8220 ارفع & # 8221 الحمض النووي في العلامة. يمكن بعد ذلك أن يملأ بوليميراز الدنا الفجوة بالقاعدة المناسبة.

لا يزال هناك سؤال رئيسي واحد: كيف يعرف نظام إصلاح عدم التطابق الفرق بين الخصلة التي تحتوي على القاعدة الصحيحة والقاعدة التي يجب إجراء الشق عليها؟ الطريقة التي يخبر بها الخيطين عن بعضهما عن طريق علامة تتم إضافتها إلى الشريط الأصلي أثناء النسخ المتماثل. تمت إضافة ميثيل إضافي (-CH3) إلى مجموعات قاعدة الأدينين في الخيط الأصلي ويعمل كعلم لنظام إصلاح عدم التطابق حتى يعرف كيفية إجراء التخفيضات على الشريط المقابل.

تم العثور على Adenines الميثيلية في الشق الأم فقط

مشاكل
المشكلة: كيف يعمل نوكلياز خارجي إثبات القراءة 3 & # 8242 to 5 & # 8242؟
يقوم نوكلياز خارجي مقاوم للقراءة بمسح خيط الحمض النووي المركب حديثًا في الاتجاه المعاكس لتكرار الحمض النووي بحثًا عن أخطاء في الاقتران الأساسي. عندما يعثر على خطأ ، فإنه يقطع الزوج الأساسي غير الصحيح من الخيط المركب حديثًا للخارج ويقوم holoenzyme النسخ الاحتياطي بأكمله بالنسخ الاحتياطي ويحاول تقديم القاعدة الصحيحة مرة أخرى.
المشكلة: أين يقطع نوكلياز خارجي حبلا الابنة لإزالة قاعدة مقترنة بشكل غير صحيح؟
يشق نوكلياز خارجي رابطة فسفودايستر التي تقع بين مجموعة الفوسفات للقاعدة غير الصحيحة و 3 & # 8242 –OH للقاعدة السابقة على حبلا الابنة.

المشكلة: ما هي المصادر الثلاثة الرئيسية لتلف الحمض النووي؟
المصادر الثلاثة الرئيسية هي التحلل المائي والضرر الكيميائي والأضرار الإشعاعية.

المشكلة: يتم تصحيح طفرات الثايمين الثايمين بواسطة أي نظام إصلاح الحمض النووي؟
نظام إصلاح الختان القصير.

المشكلة: في نظام إصلاح عدم التطابق ، كيف يميز نوكلياز خارجي أي قاعدة هي القاعدة الصحيحة؟
يتم ميثلة قواعد الأدينين الموجودة على خيط DNA الأصلي أو الأصلي أثناء النسخ المتماثل. عندما يجد نوكلياز خارجي لإصلاح عدم التطابق زوجًا أساسيًا غير متطابق ، فإنه يزيل القاعدة الموجودة على الشريط الذي يفتقر إلى الأدينينات الميثيلية.


25.1.2 تكرار الحمض النووي في بدائيات النوى

تمت دراسة تكاثر الحمض النووي جيدًا في البكتيريا بشكل أساسي بسبب صغر حجم الجينوم والطفرات المتوفرة. بكتريا قولونية يحتوي على 4.6 مليون زوج أساسي (Mbp) في كروموسوم دائري واحد ويتكرر كل ذلك في حوالي 42 دقيقة ، بدءًا من واحد أصل النسخ المتماثل والاستمرار حول الدائرة بشكل ثنائي الاتجاه (أي في كلا الاتجاهين) (الشكل 25.1.3). هذا يعني أنه يتم إضافة ما يقرب من 1000 نيوكليوتيد في الثانية. العملية سريعة جدًا وتحدث مع أخطاء قليلة. بكتريا قولونية لديه واحد أصل النسخ المتماثل، مسمى oriC، على كروموسومه الواحد. يبلغ أصل النسخ المتماثل حوالي 245 زوجًا قاعديًا وهو غني بتسلسلات الأدينين - الثايمين (AT).

الشكل 25.1.3 تكرار الحمض النووي بدائية النواة. يبدأ تكرار الحمض النووي في بدائيات النوى من أصل واحد للنسخ المتماثل ، كما هو موضح في الشكل إلى اليسار ، ويستمر بطريقة ثنائية الاتجاه حول الكروموسوم الدائري حتى اكتمال النسخ المتماثل. تخلق الطبيعة ثنائية الاتجاه للنسخ المتماثل شقين للنسخ المتماثل يتوسطان بنشاط في عملية النسخ المتماثل. يوضح الشكل الأيمن نموذجًا ديناميكيًا لهذه العملية. تمثل النقاط الحمراء والزرقاء دمج نيوكليوتيدات حبلا الابنة أثناء عملية النسخ المتماثل.

نظرة عامة على النسخ المتماثل

تسمى المناطق المفتوحة للحمض النووي التي تخضع للنسخ المتماثل شوك النسخ المتماثل. تتجمع جميع البروتينات المشاركة في تكرار الحمض النووي في شوك النسخ المتماثل لتشكيل مجمع النسخ المتماثل يسمى أ ريبيزوم(الجدول 25.1.1 والشكل 25.1.4).تكرار الحمض النووي في الكائن الحي النموذجي بكتريا قولونية تمت دراسته على نطاق واسع ، مما يوفر أساسًا لفهم الآليات المتنوعة لتكرار الجينوم الذي تستخدمه جميع الكائنات الحية. في بكتريا قولونية، يبدأ تكرار الحمض النووي في oriC (الشكل 25.1.3). oriC هو & lsquomelted & [رسقوو] من خلال عمل بروتين البادئ DnaA لفضح اثنين من خيوط قالب ssDNA التي تعمل كمنصات لتحميل النسخ المتماثل هليكس DnaB. يتم تحميل سداسي DnaB كامل واحد على كل خيط ssDNA بمساعدة ملف محمل هيليكس ، DnaC. يتم تغليف ssDNA المكشوف الإضافي بسرعة بواسطة بروتين رابط ssDNA (SSB)، الذي يحمي الحمض النووي ويمنع تحميل هليكس DnaB الإضافي. يتم تجنيد كل DnaB hexamer بريماز (DnaG) ، الذي يصنع مواد أولية من الحمض النووي الريبي المستخدمة لبدء تخليق الحمض النووي ، جنبًا إلى جنب مع الوحدات الفرعية التي تشكل التكاثر أنزيم بوليميريز الدنا الثالث (PolIII HE). تشكل هذه البروتينات العناصر الأساسية التي تنسخ بكتريا قولونية الجينوم. بمجرد تجميعها ، تتكاثر عمليات إعادة التجميع ثنائية الاتجاه بعيدًا عن oriC حتى ، من الناحية المثالية ، يخضعون للتفكيك المبرمج في منطقة النهاية ، حيث يواجهون ثالثا مواقع ملزمة بروتينات توس التي تخلق & lsquoreplication fork traps '. بعد الانتهاء من تكرار الحمض النووي ، يتم فصل الجينومات المركبة حديثًا وفصلها إلى الخلايا الوليدة.

الجدول 25.1.1 الإنزيمات المشاركة في تكرار الحمض النووي في بدائيات النوى ، الإشريكية القولونية

الشكل 25.1.4 نظرة عامة عامة على شوكة النسخ المتماثل للحمض النووي. في أصل التكاثر ، يقوم توبويزوميراز II بإرخاء الكروموسوم فائق الالتواء. يتم تشكيل اثنين من شوكات النسخ عن طريق فتح الحمض النووي مزدوج الشريطة في الأصل ، ويفصل الهليكاز خيوط الحمض النووي ، والتي يتم تغليفها ببروتينات ربط أحادية السلسلة للحفاظ على فصل الخيوط. يحدث تكرار الحمض النووي في كلا الاتجاهين. يتم تصنيع RNA التمهيدي التكميلي للحبلة الأبوية بواسطة RNA primase ويتم استطالة بواسطة DNA polymerase III من خلال إضافة النيوكليوتيدات إلى الطرف 3 & Prime-OH. على الخيط الرئيسي ، يتم تصنيع الحمض النووي بشكل مستمر ، بينما على الشريط المتأخر ، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة تسمى شظايا أوكازاكي. تتم إزالة بادئات الحمض النووي الريبي داخل الخيط المتأخر بواسطة نشاط نوكلياز خارجي لبوليميراز الحمض النووي 1 ، ويتم ربط شظايا أوكازاكي بواسطة ليجاز الحمض النووي.

العودة إلى الصدارة

جمعية بريموسوم

كما هو مذكور أعلاه ، يبدأ تكرار الكروموسوم البكتيري في أوري ج حيث يرتبط البروتين البادئ ، DnaA ، لبدء تجميع آلة إعادة الحشو الإنزيمي. تتضمن المراحل الأولى من هذه العملية تجميع ملف بريموسوم، يعمل هذا على فك شريطين من الحمض النووي في شوكات النسخ وإضافة بادئات RNA إلى قوالب الحمض النووي التي ستستخدمها إنزيمات بوليميريز الحمض النووي لبدء النسخ المتماثل. بعد إعادة تشكيل أصل النسخ المتماثل الناجم عن الحمض النووي الريبي ، يحدث تجميع البريموسوم المعتمد على اللودر البكتيري في خطوات منفصلة ويتضمن على الأقل أربعة بروتينات مختلفة (بروتين البادئ ، وهليكاز ، وبروتين لودر هيليكس ، وبريماز) التي تعمل في تنسيق منسق والطريقة المتسلسلة (الجدول 25.1.1).

ال oriC تحتوي منطقة بدائيات النوى على أشكال متسلسلة محفوظة بدرجة عالية تتضمن مجال AT-rich box الذي يعمل كتسلسل التعرف على ارتباط بروتين البادئ DnaA. الربط الأولي لـ DnaA بـ oriC يشجع على ذوبان الحلزون المزدوج للحمض النووي وتوظيف العديد من الوحدات الفرعية للحمض النووي DNA التي تشكل أوليغومر حلزوني على طول الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل حديثًا (ssDNA) (الشكل 25.1.5). يحتوي بروتين DnaA على أربعة مجالات رئيسية. المجالات III و IV جزء لا يتجزأ من ربط ssDNA ، بينما يشارك المجال I في تفاعلات البروتين والبروتين. يشكل المجال الثاني رابطًا مرنًا بين مجال تفاعل البروتين ومجالات ربط الحمض النووي.

الشكل 25.1.5 تجميع بريموسوم. ذوبان الحمض النووي في oriC وتحميل DnaB6& ndash (DnaC)6 هليكاز ونداشلودر على فقاعة الحمض النووي. التخطيطي السفلي: يرتبط DnaA المرتبط بـ ATP (البروتين البادئ) بصناديق DnaA عبر المجال الرابع ، وبالتالي يعزز dsDNA للالتفاف حول خيوط DnaA ، مما يتسبب في إجهاد الالتواء لـ dsDNA. في غضون ذلك ، يرتبط المجال الثالث من DnaA بأحد خيطي ssDNA لعنصر تفكيك الحمض النووي ويمتد الشريط. تؤدي هذه التفاعلات إلى ذوبان عنصر تفكيك الحمض النووي الغني بـ AT لتشكيل فقاعة. في الوقت نفسه ، فإن ربط DnaC (محمل الهليكاز) يحبس DnaB (الهليكاز) في تشكيل مفتوح لغسالة القفل ، لتمكين تحميله على ssDNA. يتفاعل DnaC مع DnaA في نهاية الفتيل ويعمل كمحول لتحميل مجمع DnaB & ndashDnaC واحد. من غير المعروف ما إذا كان إغلاق DnaB حول ssDNA لتشكيل حلقة سداسية الشكل يحدث قبل أو بالتزامن مع تفكك DnaC. يتفاعل المجال الأول من DnaA مع المجال N-terminal الخاص بـ DnaB ، مما يساعد على تحميل DnaB و ndashDnaC آخر على الشريط التكميلي. الأجزاء العلوية الداخلية: الخيوط الحلزونية لـ DnaA المتكونة من Domains III (برتقالي فاتح) و IV (أخضر شاحب) من Aquifex aeolicus DnaA (PDB: 3R8F) والمجال الرابع من بكتريا قولونية الحمض النووي (أخضر شاحب) مرتبط بـ dsDNA (PDB: 1J1V). يرتبط ssDNA في منتصف خيوط DnaA عبر التفاعلات مع AAA + & thinspDomain III من DnaA.

في ال بكتريا قولونية النظام ، بروتين لودر الهليكاز ، DnaC ، المركب مع ATP ، يرتبط بـ DnaB السداسي الهكساميريك DnaB ويشكل مجمع DnaB & ndashDnaC ، والذي تم خدعه & # 64257rmed بواسطة دراسات المجهر الإلكتروني (cryo-EM). يقوم بروتين اللودر بتسليم الهليكاز إلى خيوط الحمض النووي المفرد الذائب لمركب Nucleoprotein DnaA & ndash ori C في أصل النسخ المتماثل. في الجسم الحي ، يرتبط هذا التسليم ببروتين البادئ ، DnaA ، الذي يُعتقد أن مجاله الطرفي الأميني (NTD) له دور في تحميل مجمع هليكس وهليكاز لودر على أوري سي من خلال التفاعل مع Helicase ، DnaB. بعد أن ينفصل بروتين اللودر عن حلقة الهليكاز ، يتفاعل NTD الخاص بهليكاز مع المجال الكاربوكسي الطرفي (CTD) الخاص بالبريميز ويشكل عنصرًا وظيفيًا بريموسوم. داخل البريموسوم ، يعمل الهليكس (DnaB) على فك اللولب المزدوج الذي تقطعت به السبل ، ويقوم البريميز (DnaG) بتركيب بادئات الحمض النووي الريبي على كل من خيوط الحمض النووي الرائدة والمتأخرة.

Helicases هي بروتينات حركية تتحرك بشكل اتجاهي على طول العمود الفقري للحمض النووي فوسفوديستر ، وتفصل بين خيوط من الحمض النووي الملدن مثل DNA و RNA ، باستخدام الطاقة من التحلل المائي ATP. هناك العديد من المروحيات ، التي تمثل مجموعة كبيرة ومتنوعة من العمليات التي يجب فيها تحفيز فصل الخيوط. ما يقرب من 1 ٪ من رمز الجينات حقيقية النواة للهليكازات. أكواد الجينوم البشري لـ 95 طائرة هليكوبتر غير زائدة عن الحاجة: 64 هليكاز RNA و 31 هليكاز DNA. تتضمن العديد من العمليات الخلوية ، مثل تكرار الحمض النووي ، والنسخ ، والترجمة ، وإعادة التركيب ، وإصلاح الحمض النووي ، والتكوين الحيوي للريبوسوم ، فصل خيوط الحمض النووي التي تستلزم استخدام الهليكازات. في بكتريا قولونية، DnaB Helicase (الشكل 25.1.5) هو المسؤول عن فك خيوط الحمض النووي الأصل للفك وفصلهما عن بعضهما البعض لتشكيل & quotY & quot ؛ شوكة تكرار على شكل & quot؛ Y & quot. شوكات النسخ هي الموقع الفعلي لنسخ الحمض النووي. أثناء التكاثر داخل الشوكة ، تسمى البروتينات الحلزونية المزعزعة للاستقرار بروتينات ربط مفردة مجدولة (SSB)، ترتبط بالمناطق أحادية الجديلة التي تمنع الخيوط من الانضمام مرة أخرى.

العودة إلى الصدارة

بوليميراز الحمض النووي

إنزيمات بوليميراز DNA مطلوبة لتجميع خيوط الابنة على طول كل من خيوط DNA النموذجية.تتطلب جميع بوليمرات الحمض النووي قالب DNA وبادئًا يتم استخدامه لبدء عملية النسخ المتماثل. التمهيدي عبارة عن خيط قصير من الحمض النووي الريبي يتم وضعه على قالب الحمض النووي بواسطة إنزيم بريماز. تذكر أيضًا أن الحمض النووي يحتوي على خيطين متعارضين وأن بوليميرات الحمض النووي يمكنها فقط إضافة نيوكليوتيدات جديدة في اتجاه 5 إلى 3 عند تصنيع خيوط الدنا التابعة. نظرًا لأن كلا خيوط الحمض النووي يتم نسخها في وقت واحد بواسطة نفس الريبليزوم ، فإن الساحل الرئيسي،حيث يتحرك حبلا ابنة الحمض النووي في اتجاه 5 'إلى 3' ، يتكرر بشكل مستمر ويتدفق في نفس اتجاه حركة إعادة التوازن. ال حبلا متخلفة ، الذي يكمن في الاتجاه المضاد الموازي ، يجب تصنيعه في الاتجاه المعاكس لحركة إعادة التوازن ويتم إنشاؤه باستخدام رشقات قصيرة من نشاط بوليميريز الحمض النووي مما يؤدي إلى تكوين شظايا أوكازاكيعلى طول خيط القالب.وهكذا ، فإن حبلا متخلفة يجب أن يتم تحضيره باستمرار بتسلسلات قصيرة من الحمض النووي الريبي للحفاظ على تكوين شظايا أوكازاكي. يجب بعد ذلك استبدال تسلسلات RNA التمهيدي بالحمض النووي ويجب أيضًا إصلاح الفجوات في العمود الفقري للحمض النووي.

بكتريا قولونية لديه ما مجموعه خمسة بوليميرات الحمض النووي. تشارك ثلاثة من هذه الإنزيمات في تكرار الحمض النووي (DNA polymerases I و II و III). إن بوليميراز الدنا الثالث هو البوليميراز الرئيسي الذي يشارك في كل من عملية التخليق الحيوي الرائدة وتوليف شظايا أوكازاكي أثناء تكرار الحمض النووي. يتكون إنزيم DNA polymerase III من 10 بروتينات مختلفة منظمة في ثلاثة مجموعات وظيفية متميزة ، ولكنها مترابطة ماديًا: (1) قلب & alpha & epsilon & theta ، (2) & beta2 انزلاق المشبك ، و (3) و دلتا و تاونوجاما3 ن& دلتا & بسيX مجمع محمل المشبك (الشكل 25.1.6). في جوهر البوليميراز ، & alpha هي الوحدة الفرعية للبوليميراز ، & epsilon 3 & rsquo & ndash5 & rsquo التدقيق الخارجي ndash5 & rsquo و ثيتا هي وحدة فرعية صغيرة تستقر & epsilon. بعد أن يتم تصنيع RNA بواسطة DnaG ، يتم استخدام & beta2يتم تحميل المشبك على طرف التمهيدي بواسطة محمل المشبك. تربط الوحدتان الفرعيتان & alpha و & epsilon المشبك بشكل منفصل ، كل منها عبر نموذج ربط مشبك خطي قصير (CBM) بجيوب ربط CBM ذات الصلة بشكل متماثل من & beta2. يتم ربط Pol III بالمشابك ، وهو قادر على تصنيع الحمض النووي بسرعة عالية (& sim1000 & thinspNt / s) ومع معالجة أعلى بكثير (& gt150 & thinspkb).

الشكل 25.1.6 إعادة تشكيل الحمض النووي. (أ) نموذج الكتاب المدرسي القياسي لـ DNA Replisome يوضح العمليات المزدوجة والمنسقة للغاية لتوليف الجدائل المتخلفة والمتأخرة. يتم توصيل DNA polymerase III بـ DnaB Helicase من خلال الوحدة الفرعية & tau لمجمعات محمل المشبك واثنان أو ثلاثة نوى من البوليميراز تقوم بتكرار الحمض النووي من كل من قوالب الحمض النووي للخيط المتخلف وخيوط الحمض النووي في نفس الوقت. يرتبط ssDNA في حلقة السلسلة المتأخرة ببروتينات ربط ssDNA (SSB). (ب) أظهرت الدراسات الحديثة أن E. coli DNA polymerase III يمكن استبدالها بسهولة عند الشوكة وأن تركيب الخيط الرئيسي والخيط المتأخر قد لا يكون مقترنًا بإحكام ، أو حتى يمكن إنجازه بواسطة أنزيمات DNA polymerase III المختلفة. يمكن أيضًا فصل هيليكاز DnaB عن مركب بوليميراز الحمض النووي ونقله قبل قمة الشوكة.

تعتبر البدائل البكتيرية آلات مرنة للغاية ومتحركة ، حيث يتم التحكم في ديناميكياتها بواسطة شبكة من تفاعلات البروتين والبروتينات ذات نقاط القوة المختلفة. العديد من بروتينات النسخ إما مرنة أو تحتوي على مناطق مرنة أو غير منظمة ، مما يجعل الدراسات الهيكلية بواسطة علم البلورات بالأشعة السينية أو الرنين المغناطيسي النووي صعبة. ومع ذلك ، من خلال عقود من الجهود ، الهياكل للجميع بكتريا قولونية تم حل بروتينات النسخ المتماثل أو متماثلاتها البكتيرية كمجمعات أو بروتينات كاملة أو مجالات. شهدت الاختراقات الحديثة في المجهر الإلكتروني المبرد للجسيم الواحد (cryo-EM) هياكل محددة لمجموعات فرعية كبيرة معاد تجميعها ، حتى مجموعة البكتيريا T7 بأكملها ، على الرغم من دقة متواضعة حتى الآن.

هياكل Cryo-EM من بكتريا قولونية Pol III core & ndashclamp & ndash & tauج (المجال الطرفي C للوحدة الفرعية & tau لمُحمل المشبك) تم حل المجمعات على DNA التمهيدي والقالب ndashtemate في كل من أوضاع البلمرة والتدقيق اللغوي مؤخرًا عند 8 و 6.7 & thinsp & Aring ، على التوالي ، جنبًا إلى جنب مع هياكل مجمع خالٍ من الحمض النووي (الشكل 9.7). تشبه هذه الهياكل النماذج الهيكلية المقترحة سابقًا ، مع بعض المفاجآت. على سبيل المثال ، في معقد البلمرة المرتبط بالحمض النووي ، فإن & بيتا2 يصبح المشبك عموديًا تقريبًا على خيوط الحمض النووي (الشكل 25.1.7 أ ، ب) ، على عكس تكوينه المائل في التركيب البلوري للبيتا المرتبط بالحمض النووي2. بينما ترتبط الوحدة الفرعية Polymerase Polymerase و Pol III بالحمض النووي DNA في شكل مشابه للتركيب البلوري للحمض النووي المرتبط ثيرموس أكواتيكوس (طق) & alpha ، مواقع نطاقات C-terminal (& alphaCTD ، التي تضم مجال ربط قليل النوكليوتيد ، OB ، ومجالات ربط tau & TBD ، TBD) مختلفة. في ال طق & amp ؛ بنية ألفا والمجمع الخالي من الحمض النووي ، فإن & alphaCTD قريب من موقع البوليميراز النشط مع وضع مجال OB لربط قالب ssDNA وتسليمه إلى الموقع النشط (الشكل 25.1.7c ، د). في هياكل cryo-EM المرتبطة بالحمض النووي ، يتم تحويل هذه المجالات نحو مجال الإصبع الصغير لـ & alpha ، المجال الذي يتصل مباشرة بـ & beta2 المشبك وبالتالي فهي بعيدة عن حبلا القالب التي تدخل الموقع النشط (الشكل 25.1.7e). يتصل مجال OB بكل من نطاقي الإصبع الصغير والإبهام لـ & alpha بالإضافة إلى & beta2 المشبك و & إبسيلون. وجه مجال OB الذي كان يعتقد أنه متورط في ربط قالب ssDNA يواجه الآن مباشرة وهو قريب نسبيًا من dsDNA. بالإضافة إلى ذلك ، & إبسيلون أسافين بين & مجال الإبهام ألفا والمشابك. يبدو أن شبكة التفاعل هذه التي لم يتم تقديرها سابقًا تعمل على استقرار المجمع بأكمله.

الشكل 25.1.7 هياكل بكتريا قولونية البوليميراز و ndashclamp- & tauجومجمعات ndashDNA. (أ) تمثيلات سطحية لمجمعات البلمرة (يسار) وتصحيح التجارب المطبعية (يمين). نطاقات N- الطرفية لـ & alpha (& alphaNTD ، البقايا 1 & ndash963 ، ملونة في سمك السلمون العميق) ، ومجالات OB (964 & ndash1072) و & ndash1160 للربط & alphaCTD في السلمون البني والداكن ، على التوالي ، & epsilon باللون الأصفر ، & بيتا2 في الزبرجد ، وثيتا باللون البرتقالي و tauج في لائحة. لا يشمل مجمع البلمرة & ثيتا و & تاوج و alphaCTD مفقودة من مجمع التدقيق اللغوي. (ب) تمثيلات كارتونية للمجمعات توضح الاختلافات في DNA التمهيدي و ndashtemplate. في معقد البلمرة (على اليسار) ، يحتوي الحمض النووي على بنية على شكل B ، بينما في مجمع التدقيق اللغوي ، يتم تآكل الحمض النووي التمهيدي بنهاية الشريط المركب حديثًا في المركز النشط لـ & epsilon. يتم تدوير مجمع التدقيق اللغوي قليلاً لإظهار الحمض النووي في المركز النشط لـ & epsilon ويتم حذف الوحدة الفرعية & ثيتا من أجل الوضوح. (ج) التمثيل السطحي لـ & alphaNTD من مجمع البلمرة المرتبط بالحمض النووي (PDB: 5FKV) ، يظهر الإبهام ، الكف ، الأصابع ، ومجالات PHP. (د) وضع & alphaCTD في المجمعات الخالية من الحمض النووي (PDB: 5FKU). (هـ) وضع & alphaCTD في مجمع البلمرة المرتبط بالحمض النووي (PDB: 5FKV). في حين أن مجال OB في المجمع الخالي من الحمض النووي قريب من الموقع النشط لـ Pol III & alpha ، فهو بعيد جدًا في المجمع المرتبط بالحمض النووي. يتم تلوين مجال OB باللون البحري و TBD باللون الأرجواني. يظهر & alphaNTD (الرمادي) في المجمعين تغييرات طفيفة نسبيًا مقارنة بـ & alphaCTD.

بشكل عام ، هناك تغييرات توافقية كبيرة في مجمع DNA Polymerase III عند الارتباط بالحمض النووي الذي يتسبب في انتقال ذيل البوليميراز من التفاعل مع المشبك في الحالة المرتبطة بالحمض النووي ، إلى الموضع 35 & thinsp & Aring بعيدًا عن المشبك في الحمض النووي - حالة حرة (فيديو 25.1.1). تم الافتراض بأن هذا التغيير التوافقي الكبير قد يساعد البوليميراز في العمل كمفتاح لتسهيل تخليق الخيوط المتأخرة. على الخيط المتأخر ، يعاد وضع البوليميراز إلى موقع معدة حديثًا كل & sim1000 bp. للقيام بذلك ، يحتاج البوليميراز إلى تحرير كل من المشبك والحمض النووي. قد تلعب الحركة الشبيهة بالتبديل لذيل البوليميراز دورًا في إطلاق البوليميراز وإعادة وضعه في نهاية جزء أوكازاكي.

فيديو 25.1.1 يؤدي ربط الحمض النووي إلى تغييرات تكوينية كبيرة في مجمع DNA Polymerase III. يُظهر الفيديو التحول الخطي للحالة الخالية من الحمض النووي إلى الحالة المرتبطة بالحمض النووي والتي تُظهر التغيير الكبير في التشكل بين الحالتين. الوحدة الفرعية الخضراء هي & beta-clamp ، والوحدة الفرعية & alpha تظهر باللون البرتقالي مع بقايا الموقع النشط باللون الأرجواني ، والمجال الطرفي & alpha-C (& alpha-CTD يظهر باللون البني ، والوحدة الفرعية & epsilon باللون الأصفر ، و & tau-tail باللون الأزرق.

يشبه مجمع التدقيق اللغوي إلى حد ما معقد البلمرة ، مع حركات صغيرة لمكونات البروتين الفردية (الشكل 25.1.7 أ ، ب). تشمل الحركات الأكثر أهمية الدوران وإمالة الحمض النووي المزدوج على مستوى & بيتا2، قفل الحمض النووي ضد السطح الداخلي للبيتا &2 خاتم (الشكل 25.1.7 ب). ينتقل مجال إبهام البوليميراز و & epsilon أيضًا نحو الحمض النووي. ينحرف مجال الإبهام بين خيطي DNA مع أزواج قاعدية لا مثيل لها ، مما ينتج عنه ركيزة DNA مشوهة للغاية ومتهالكة. وبالتالي ، فإن الخيط المركب حديثًا قادر على الوصول إلى موقع نوكلياز النشط لـ & إبسيلون للتحرير. بالنظر إلى أن مجمع التدقيق اللغوي يشبه إلى حد ما معقدات البلمرة والحمض النووي المزدوج مع اثنين من الأزواج القاعدية غير المتطابقة يميل إلى التآكل ، يُقترح أن & إبسيلون يعمل بشكل سلبي عن طريق انتظار وصول الحمض النووي إلى مركزه النشط للنيوكلياز عندما يتم دمج نيوكليوتيد خاطئ بدلاً من الاستجابة بنشاط لحدث سوء الإدماج. في دراسة فيزيائية حيوية تكميلية أحادية الجزيء ، ثبت أن لب Pol III المرتبط بالمشابك مستقر بشكل ملحوظ ومعالج في وضع التدقيق اللغوي في غياب dNTPs الواردة.

يُعتقد منذ فترة طويلة أن البدائل البكتيرية هي آلات عالية التنسيق وذات معالجة عالية قادرة على نسخ الكروموسوم بأكمله دون تفكك. اثنان أو ثلاثة من نوى البوليميراز من نفس الشيء بكتريا قولونية يُعتقد أن Pol III HE يصنع كلاً من خيوط الحمض النووي ، مع إعادة تدوير البوليميراز المتأخر بشكل متكرر من أجل تخليق جزء Okazaki الجديد ، كما هو موضح أعلاه. تمت مناقشة إعادة تدوير البوليميراز المتخلفة عن طريق العديد من آليات التصادم أو الإشارات بطريقة يتم التحكم فيها جيدًا والتي من المحتمل أن تتضمن حركة منطقة الذيل & tau. ومع ذلك ، وجدت الدراسات الحديثة أن البوليميرات البكتيرية تتبادل أيضًا بسهولة عند شوكات النسخ المتماثل وأن تركيب الحمض النووي للخيط الرئيسي والشريط المتأخر قد لا يكون دائمًا مرتبطين بإحكام. يوضح الشكل 9.6 ب نموذجًا مقترحًا لهذا التبادل.

بشكل عام ، فإن DNA polymerase III عبارة عن إنزيم عالي المعالجة يشتمل على 600 إلى 1000 قاعدة في الثانية مع وجود أكثر من 100000 قاعدة مدمجة في حدث ربط ، ومعدل خطأ يقارب 1 لكل مليون.

بوليميريز الحمض النووي أنا، يساعد في عملية تخليق الخيوط المتأخرة ، في ذلك ، يزيل هذا البوليميراز بادئات الحمض النووي الريبي (RNA) ويدمج الحمض النووي في مكانه. بوليميريز الحمض النووي الثاني ، على الرغم من عدم فهمه جيدًا ، إلا أنه يُعتقد أنه يلعب دورًا في التحرير بعد تخليق الخيوط المتأخرة بواسطة بوليميريز الحمض النووي 1. تلعب بوليميراز الحمض النووي الأول والثاني أيضًا دورًا في إصلاح الحمض النووي ، كما تفعل بوليميرات الحمض النووي IV و V.

بوليميريز الحمض النوويأنايشبه DNA polymerase III من حيث أنه يحتوي على 5 'إلى 3' نشاط بوليميريز ولديه أيضًا نشاط 3 'إلى 5' نوكلياز خارجي للتوسط في كل من العملية ووظيفة تصحيح الحمض النووي للإنزيم. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي DNA polymerase I أيضًا على مجال بروتين كبير يسمى جزء Klenowالتي تعرض نشاط نوكلياز خارجي من 5 إلى 3 (الشكل 25.1.8). نشاط نوكلياز خارجي 5 'إلى 3' مسؤول عن إزالة بادئات RNA على طول الشريط المتأخر. تمكن عملية هذا الإنزيم البوليميراز من إعادة ملء هذه الفجوات بالحمض النووي. ومع ذلك ، فإن DNA polymerase I غير قادر على توصيل العمود الفقري لشظايا Okazaki المصنعة حديثًا مع الجزء السفلي. يتم إصلاح الفجوات في العمود الفقري للحمض النووي بواسطة أ إنزيم DNA ligase.

الشكل 25.1.8 هيكل بكتريا قولونية بوليميريز الحمض النووي I. يُظهر بوليميراز الحمض النووي I نشاطًا من 5 إلى 3 من البوليميراز ونشاط نوكلياز خارجي من 3 إلى 5 بوصة يتوسط في أنشطة معالجة الإنزيم وإثباته. يحتوي DNA polymerase I أيضًا على نشاط نوكلياز خارجي من 5 إلى 3 موجود في مجال خاص من الإنزيم يسمى جزء Klenow. هذا المجال مسؤول عن إزالة تسلسل RNA التمهيدي من DNA المركب حديثًا. ثم يتم استخدام نشاط البوليميراز 5 إلى 3 لاستبدال RNA التمهيدي بالحمض النووي. يضمن نشاط نوكلياز خارجي من 3 إلى 5 أن يتم دمج القواعد الصحيحة.

العودة إلى الصدارة

إنزيمات DNA Ligase ختم الفواصل في العمود الفقري للحمض النووي التي تحدث أثناء تكرار الحمض النووي ، أو تلف الحمض النووي ، أو أثناء عملية إصلاح الحمض النووي. ينتج عن النشاط الكيميائي الحيوي ليجازات الحمض النووي ختم الفواصل بين 5 و Prime-phosphate و 3 & prime-hydroxyl termini داخل خيط من DNA. تم تمييز ligases DNA على أنها تعتمد على ATP أو تعتمد على NAD + اعتمادًا على العامل المشترك (أو الركيزة المشتركة) التي يتم استخدامها أثناء تفاعلها. عادة ، يوجد أكثر من نوع واحد من DNA ligase داخل الكائن الحي. كما هو مبين في الشكل 25.1.9 ، يتم تعديل إنزيم DNA ligase تساهميًا عن طريق إضافة جزء AMP إلى بقايا ليسين على الإنزيم. يُشتق AMP من العامل المساعد ATP أو NADH. إن 5-فوسفات المصب في موقع نيك الحمض النووي قادرة على التوسط في هجوم محب للأنوية على مجمع إنزيم AMP ، مما يتسبب في نقل AMP إلى موضع 5'-phospahte للحمض النووي. يعمل AMP كمجموعة مغادرة جيدة للهجوم nucleophilic من المنبع 3'-OH مع 5'-phosphate لإغلاق العمود الفقري للحمض النووي ، وإطلاق AMP.

الشكل 25.1.9 تفاعل DNA Ligase. تحفز ليجازات الحمض النووي الخطوة الحاسمة للانضمام إلى الفواصل في الحمض النووي المزدوج أثناء إصلاح الحمض النووي وتكرارها وإعادة التركيب ، وتتطلب إما أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) أو نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD +) كعامل مساعد. يظهر على اليسار العلوي هو DNA ligase I الذي يصلح الضرر الكروموسومي. الهياكل البروتينية الثلاثة المرئية هي: مجال ربط الحمض النووي (DBD) المرتبط بأخدود ثانوي للحمض النووي في كل من المنبع والمصب في المنطقة التالفة. يقوم مجال طيات OB (OBD) بفك الحمض النووي قليلاً على مدى ستة أزواج قاعدية ويشارك عمومًا في ارتباط الحمض النووي. يحتوي مجال Adenylation (AdD) على بقايا نشطة إنزيميًا تنضم إلى النيوكليوتيدات المكسورة معًا عن طريق تحفيز تكوين رابطة phosphodiester بين مجموعة الفوسفات والهيدروكسيل. من المحتمل أن جميع ligases DNA للثدييات (Ligases I و III و IV) لها بنية حلقية مماثلة وقادرة على التعرف على الحمض النووي بطريقة مماثلة. ال الرسم التخطيطي العلوي الأيمنهي بنية عالية الدقة من بكتريا قولونية LigA في مركب مع DNA مرقق من PDB 2OWO ، تصور بواسطة UCSF Chimera. يشار إلى المجالات المختلفة بألوان مختلفة وتتعلق بمجالات Pfam المشار إليها. ال الرسم البياني السفلي يصور الآلية التحفيزية لـ DNA Ligase I. يشكل العامل المساعد ATP رابطًا تساهميًا مع بقايا ليسين في موضع & alpha-phosphate غلاف إطلاق ثنائي الفوسفات. يتم استخدام AMP لتنشيط مجموعة 5 'فوسفات لتمكين مجموعة المنبع 3'-OH للتوسط في الهجوم على ذرة الفوسفور المركزية. تعمل AMP كمجموعة مغادرة.

الشكل في الجزء العلوي الأيسر بواسطة: Ellenberger، T at Washington University School of Medicine، St. ) e00391 ، والرقم السفلي بواسطة: Showalter، A. (2002)

يظهر ملخص لعملية تكرار الحمض النووي في الفيديو 25.1.2

فيديو 9.2 نظرة عامة على عملية النسخ المتماثل للحمض النووي

العودة إلى الصدارة

إنزيمات توبويزوميراز

يؤدي فك اللولب المزدوج الذي تقطعت به السبل في شوكة النسخ المتماثل إلى توليد توتر متعرج في الحمض النووي على شكل لفائف فائقة موجبة في بداية شوكة النسخ المتماثل. تسمى الانزيمات توبويزوميراز مواجهة هذا عن طريق إدخال سوبر سالبة في الحمض النووي من أجل تخفيف هذا الضغط في الجزيء الحلزوني أثناء النسخ المتماثل. هناك أربعة إنزيمات معروفة موجودة في توبويزوميراز بكتريا قولونية التي تندرج في فئتين رئيسيتين ، النوع الأول Topoisomerases والنوع II Topoisomerases (الشكل 25.1.10). يعتبر Topoisomerase I و III من النوع الأول topoisomerases ، في حين أن DNA gyrase و Topoisomerase IV هما من النوع II topoisomerases.

الشكل 25.1.10 تراكيب النوع الأول والنوع الثاني توبويزوميراز. (أ) التركيب البلوري لنوع 1 Topoisomerase ، موضح باللون الأزرق ، مرتبط بالحمض النووي ، كما هو موضح باللونين البرتقالي والأصفر. (ب) هيكل بلوري من النوع الثاني Topoisomerase. يشكل Topoisomerase II هيكلًا رباعي الأبعاد ، كما هو موضح باللونين الأخضر والأزرق. تظهر عوامل ATP (اللون الوردي) مرتبطة بالإنزيم.

اكتب أنا توبويزوميراز تخفيف التوتر الناجم أثناء لف وفك الحمض النووي. إحدى الطرق التي يمكنهم من خلالها القيام بذلك هي إجراء قطع أو شق في خيط واحد من الحلزون المزدوج للحمض النووي (الشكل 25.1.11). يظل الجانب 5'-phosphoryl من حبلا DNA المكسور مرتبطًا تساهميًا بالأنزيم في بقايا التيروزين ، بينما يتم الاحتفاظ بالنهاية 3'-end بشكل غير تساهمي بواسطة الإنزيم. تقوم الإيزوميرات من النوع الأول بتدوير أو تدوير الطرف الثالث للحمض النووي حول حبلا الحمض النووي السليم. هذا يحرر الجريان في الحمض النووي ويطلق التوتر بشكل فعال. يكمل الإنزيم التفاعل عن طريق إعادة إحكام غلق العمود الفقري للفوسفوديستر أو الربط عودة الشريط المكسور معًا. بشكل عام ، يتم كسر خيط واحد فقط من الحمض النووي أثناء آلية التفاعل ويوجد لامتطلبات ATP أثناء التفاعل. ال بكتريا قولونية يستطيع إنزيم Topo I إزالة لفائف الحمض النووي الفائقة السلبية فقط ، ولكن لا يزيل الإيجابية منها. وبالتالي ، فإن هذا الإنزيم لا يشارك في تخفيف الالتفاف الإيجابي الناتج عن هليكاز الحمض النووي أثناء النسخ المتماثل. هذا على عكس حقيقيات النوى Topo I التي يمكن أن تخفف كلاً من الالتفاف الفائق الإيجابي والسلبي. بالرغم ان بكتريا قولونية لا يشارك Topoisomerase I بشكل مباشر في تخفيف التوتر الناجم عن تكرار الحمض النووي ، فهو ضروري بكتريا قولونية بقاء. يُعتقد أنه يساعد في موازنة أعمال النوع الثاني من الإيزوميراز العلوي ويساعد في الحفاظ على كثافة الالتفاف الفائقة المثلى داخل الحمض النووي الصبغي. وبالتالي ، يُعتقد أن Topo I يساعد في الحفاظ على توازن التماثل الساكن للكروموسوم الفائق بالداخل بكتريا قولونية. يبدو أن Topo III ، وهو أيضًا من النوع الأول Topoisomerase ، يلعب دورًا في فك الكروموسومات الابنة أثناء تكرار الحمض النووي ، ولكنه لا يلعب دورًا في استرخاء الالتواء الفائق.

الشكل 25.1.11 تفاعل النوع الأول من الإيزوميراز. أثناء التفاعل ، يقوم النوع الأول Topoisomerases بقطع خيط واحد من الحمض النووي. يتم ربط أحد طرفي الحمض النووي المكسور تساهميًا بالإنزيم ، كما هو موضح باللون الأخضر الفاتح في المخططات السفلية.يتم الاحتفاظ بالطرف الآخر بشكل غير تساهمي ويتم تدويره حول اللولب المزدوج لفك الالتفاف الفائق وإرخاء الحمض النووي. بمجرد تحرير التوتر الفائق ، يتم إعادة إحكام العمود الفقري ويتم تحرير إنزيم Topoisomerase I.

الشكل مُعاد خلطه من: Notahelix و JoKalliauer ، والمعهد القومي لأبحاث الجينوم البشري

النوع الثاني Topoisomerases له وظائف متعددة داخل الخلية. يمكن أن تزيد أو تقلل من توتر اللف داخل الحمض النووي أو يمكنها فك العقدة أو إزالة الحمض النووي الذي أصبح متشابكًا مع حبلا آخر (الشكل 25.1.12). إنها تفعل ذلك بطريقة أكثر خطورة من نظيراتها من النوع الأول ، عن طريق كسر كل من خيوط الحمض النووي أثناء آلية التفاعل. يرتبط الإنزيم تساهميًا بكلا الجانبين المكسورين بينما يتم تمرير حلزون الحمض النووي الآخر من خلال الكسر. ثم يتم إحكام كسر الخيط المزدوج.

الشكل 25.1.12 تفاعل النوع الثاني من الإيزوميراز. يتم تمثيل دورة تفاعل توبويزوميراز من النوع الثاني المقترحة بواسطة توبويزوميراز IV. يتم الإشارة إلى الوحدات الفرعية Topoisomerase IV باللون الرمادي والسماوي والأصفر. تكون البوابة أو G-DNA باللون الأخضر وتكون المادة المنقولة أو T-DNA باللون البنفسجي. يتم الإشارة إلى ATP المرتبط بنطاقات ATPase بنقطة حمراء. في الخطوة 1 ، يرتبط G-DNA بالإنزيم. يرتبط ATP وجزء T-DNA بالإنزيم في الخطوة 2. في الخطوة 3 ، يتم شق G-DNA ويتم تمرير T-DNA خلال الكسر. يتم تمييز المجالات المستهدفة للأدوية داخل مجمع توبويزوميراز من النوع الثاني في الأقسام الفرعية A و B و C مع أمثلة على الجانب الأيمن من الشكل.

DNA gyrase ، هو إنزيم توبويزوميراز من النوع الثاني الذي يشارك بشكل أساسي في تخفيف توتر الالتواء الفائق الإيجابي الذي ينتج بسبب فك الهيليكس عند شوكة النسخ المتماثل. يعالج النوع الثاني من Topoisomerases ، وخاصة Topo IV ، أيضًا تحديًا ميكانيكيًا رئيسيًا يواجه إعادة الجراثيم البكتيرية أثناء إنهاء تكرار الحمض النووي. تملي الطبيعة الدائرية للكروموسوم البكتيري أن زوجًا من البدائل التي تبدأ من أصل واحد للنسخ المتماثل سوف يتقارب في النهاية مع بعضهما البعض في اتجاه الرأس. من الحمض النووي gyrase ، الذي يزيل عادةً الملفات الفائقة الإيجابية ، يصبح محدودًا بسبب تناقص كمية الحمض النووي المتاحة للقالب ، وبدلاً من ذلك ، قد تنتشر اللفائف الفائقة خلف البدائل ، وتشكل مركبات سابقة التين بين DNA المرقع حديثًا في بكتريا قولونية يجب حل هذه المشاكل عن طريق Topo IV حتى يحدث الفصل الكروموسومي.

بروتينات Tus وإنهاء النسخ المتماثل

الإنهاء السليم لتكرار الحمض النووي مهم لاستقرار الجينوم. بكتريا قولونية النسخ المتماثل ينتهي في المنطقة المقابلة oriC. هناك عشرة إنهاء 23-bp (تير) المواقع في المنطقة مع بعض الاختلافات المتسلسلة التي تحدد تقاربات الربط الخاصة بـ بروتين إنهاء أحادي Tus (الشكل 25.1.13). يرتبط Tus بـ تير ذات تقارب عالٍ في نسبة 1: 1 ، و Tus & ndashتير يمكن أن يشكل أيضًا مركبًا مستقرًا للغاية & lsquolock & rsquo إذا كان السيتوزين 6 من زوج القاعدة G & ndashC (6) المحفوظ بدقة تير تم قلبه من مزدوج الحمض النووي وربطه بجيب ربط السيتوزين المشكل مسبقًا من Tus (الشكل 25.1.13 ب). الطوس و -تير مجمع القفل هو قطبي ذو وجه متساهل يسمح للبداء بالمرور دون عوائق ووجه غير متسامح يمكنه منع إعادة السمع. العشرة تير يتم تنظيم المواقع كمجموعتين متعاكستين من خمسة ، مما يسمح للإعادة بتمرير المجموعة الأولى ويتم حظره في المجموعة الثانية. هذا يضمن أن شوكتي النسخ المتماثل تتقاربان في منطقة النهاية لفصل الكروموسوم المناسب.

الشكل 25.1.13 آليات انسداد الجسد بواسطة Tus & ndashتير مجمعات إنهاء النسخ المتماثل.(أ) تمثيل تخطيطي لـ بكتريا قولونية كروموسوم ، تظهر مواقع oriC و تير المواقع. تمر الشوكة المتحركة في اتجاه عقارب الساعة عبر المواقع المسموح بها الموضحة باللون الأخضر ويتم إيقافها في المواقع غير المسموح بها الموضحة باللون الأحمر. (ب) تمثيل تخطيطي لهيكل و lsquolocked و rsquo tus-تير مركب (PDB: 2I06) ، يظهر السيتوزين 6 في جيبه الملزم في Tus. (ج) تفاعلات البقايا Arg198 من Tus مع كل من خيوط تير في المجمعات ذات النوع البري المزدوج الذين تقطعت بهم السبل تير (PDB: 2I05 ، يسار) و Tus & ndashتير مجمع UGLC (GC (6) زوج أساسي مقلوب PDB: 4XR3 ، يمين).

العودة إلى الصدارة


مقدمة

يحدث تلف الحمض النووي من خلال عمليات خارجية وداخلية. المواد المسرطنة ، بغض النظر عن أصلها ، لديها القدرة على إثارة تطور تلف الحمض النووي من خلال مجموعة متنوعة من الآليات. وهذا يشمل ، على سبيل المثال ، الارتباط التساهمي للمادة المسرطنة مع الحمض النووي أو فواصل الحمض النووي المزدوجة (DSBs) التي تكونت نتيجة للإشعاع المؤين الناتج عن توليد الجذور الحرة [1 ، 2]. يتم تصنيف المواد المسرطنة على أنها عوامل كيميائية أو فيزيائية [3] ، مما يتسبب في تلف الحمض النووي الذي يعزى إلى خصائصها الفيزيائية والكيميائية ، مثل تشويه جزيء الحمض النووي أو الارتباط المتبادل للحمض النووي [3 & # x020136]. يوضح الجدول 1 مجموعة فرعية صغيرة من المواد المسببة للسرطان البيئية و / أو الغذائية ، ومع ذلك ، هناك العديد من الأمثلة الأخرى التي من المحتمل أن يتعرض لها البشر (الجدول 1).

جدول & # x000a01

وكلاء المرشحينملخصمراجع
الأمينات العطرية الحلقية غير المتجانسة (HAAs)HAAs هي عوامل مطفرة ناتجة عن الحرارة تعتمد على التنشيط وتوجد في الغالب في المواد الغذائية التي تحتوي على مكونات النيتروجين والكرياتين. يعتمد التركيب الجزيئي لـ HAAs على درجة الحرارة ومستوى الحرارة المنقولة إلى الطعام. يمكن أن تولد SSBs ، والانحرافات الصبغية وتقريب الحمض النووي في المناطق الغنية بالجوانين. يمكن أن تهاجم المستقلبات المنشطة موضع N 2 من الجوانين (الأكثر شيوعًا) أو ذرة C8 من الجوانين (يحدث بشكل أقل تكرارًا).[13 & # x0201315]
الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs)ينتج عن احتراق المواد العضوية إنتاج الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات. هذه هي أكثر المواد المسرطنة التي تعمل بشكل غير مباشر وفرة والتي يتعرض لها الإنسان بشكل يومي. ارتبط التعرض للإصابة بسرطان الثدي أو الجلد أو الرئة. التنشيط الحيوي للهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات مطلوب من أجل أن تظهر هذه العوامل خصائص مطفرة ، والتي يتم التوسط فيها أساسًا بواسطة إنزيمات السيتوكروم P450. تستهدف المستقلبات النشطة بيولوجيًا مواقع جينية متعددة ، بما في ذلك قواعد الجوانين والأدينين عبر إيبوكسيدات الديول PAH. ينتج عن هذا توليد أمثلة ضخمة من مقاربات الحمض النووي الكيميائي BPdG تشمل الارتباط المتقاطع بوساطة الكينون لموضع N7 من الجوانين و N3 من الأدينين.[11,16]
الأشعة فوق البنفسجية (UV)العامل المسبب للسرطان ذو التأثير الجيني المباشر وغير المباشر ، والذي تمتصه بشكل أساسي مكونات البشرة ، مثل قواعد الحمض النووي (الثايمين والسيتوزين) والبروتينات. هذا العامل متورط في التسبب في أورام الجلد عن طريق استهداف قواعد البيريميدين. يؤدي التعرض للبشرة والأدمة إلى التنظيم الأعلى لتكاثر الخلايا وتوليد المنتجات الضوئية ، بما في ذلك CPDs و (6 & # x020134) بيريميدين بيريميدين.[5،17 & # x0201319]
حمض الأرستولوشيك (AA)أحماض مشتقة بشكل طبيعي من نباتات Aristolochiaceae. تبين أن ابتلاع هذه المواد المسرطنة يرتبط إلى حد كبير بالسمية الكلوية للقشرة الكلوية وإحداث مزيد من الضرر للمثانة والكبد بسبب تطور مقاربات كيميائية ضخمة للحمض النووي. إن الشكل الأكثر وفرة والمطفر من تقارب الحمض النووي المرتبط بـ AA هو dA-AA. في exons 2 & # x0201311 من TP53، تؤدي مقاربات الحمض النووي الكيميائية الضخمة إلى حدوث طفرات ، بشكل أساسي من أزواج القواعد A: T.[20 & # x0201324]
النيتروسامينيؤدي استقلاب النتروزامينات لاحقًا إلى تلف الحمض النووي المؤلكل عن طريق تكوين مقاربات الحمض النووي مثل O 6 -alkylguanine ، والإجهاد التأكسدي وإنتاج أيونات الديازونيوم. يتعرض البشر لهذه العوامل من خلال الأطعمة المختلفة ودخان التبغ.[25,26]
السموم الفطريةالسموم الفطرية هي مستقلبات مشتقة من الفطريات ، والتي تلوث الطعام في المقام الأول. السموم الفطرية الأكثر شيوعًا هي الأفلاتوكسين ب1، التي تم اكتشافها في أوائل الستينيات. هذه مواد مسرطنة غير مباشرة ، والتي تتطلب التنشيط الحيوي عبر CYP لتوليد مقاربات الحمض النووي. أضف تشكيلًا يستهدف قواعد الجوانين ، مما يؤدي إلى استقالات G & # x02009 & # x02192 & # x02009T عند الكودون 249 بوصة TP53.[27 & # x0201329]
الإشعاع المؤين (IR)يؤدي التعرض للإشعاع المؤين إلى تلف الحمض النووي بطريقة غير مباشرة أو مباشرة. يتم التوسط في التأثير غير المباشر المسرطنة عن طريق التحلل الإشعاعي للماء ، مما يعزز إنتاج ROS مما يؤدي إلى تلف مؤكسد ، والذي يمكن أن يؤدي إلى SSBs. يتضمن التأثير المباشر التفاعل المباشر للإلكترونات مع الحمض النووي مما يؤدي إلى تشويه جزيئي و DSBs.[5,6]
الاسبستوسيعتبر الأسبست مادة مسرطنة بدرجة عالية ويستخدم تاريخياً في التطبيقات الصناعية والمنزلية. يرتبط التعرض للألياف ارتباطًا مباشرًا بتليف الأسبست واللويحات الجنبية وورم الظهارة المتوسطة. يعتبر الأبعاد والشكل والتركيب الكيميائي من العوامل المسببة للإصابة بالأسبستوس. يحدث الضرر من خلال الإجهاد التأكسدي (قد يؤدي إلى حدوث فواصل في شرائط الحمض النووي) والتليف والتفاعل مع الجهاز الانقسامي للخلايا المنقسمة. يُلاحظ التآزر في التسبب في الإصابة بسرطان الرئة مع المطفرات الأخرى ، بما في ذلك الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات ، بسبب نواة الأسبستوس غير القابلة للذوبان والتي يتم من خلالها توصيل المواد المسرطنة الممتزّة إلى المواقع المستهدفة حيث تمارس آثارها السامة للجينات.[30,31]
الجسيمات النانوية (NPs)شهدت هندسة تقنية النانو استخدامًا متزايدًا للجسيمات النانوية في الصناعات الطبية ومستحضرات التجميل والصناعات الإلكترونية. NPs لها بعد واحد & # x0003c100 & # x02005nm ، مما يساعد على تغلغل الخلايا بعد الاستنشاق أو التعرض عن طريق الجلد أو الفم مع القدرة على التسبب في تلف الحمض النووي. يمكن أن يكون الضرر مباشرًا والتأثيرات السامة للجينات تشمل مقاربات الحمض النووي الناتجة عن التلف التأكسدي والتغيرات اللاجينية وانكسارات شرائط الحمض النووي.[32 & # x0201334]

يمكن أن يؤدي التعرض للمواد المسرطنة إما بشكل مباشر [7] أو بشكل غير مباشر [1،8] إلى تلف الحمض النووي. قد تؤدي آليات الإصلاح اللاحقة إلى تغييرات في تسلسل الحمض النووي ، أي الطفرات [2،9]. قد تكون الطفرات المستحثة هي التي تبدأ الأحداث في التسبب في السرطان ، عندما يتم إصلاح الضرر داخل الجينات الورمية أو الجينات الكابتة للورم [10]. قد تتأثر هذه المخاطر أيضًا بشكل مباشر بقابلية الفرد للإصابة وعدم الاستقرار الجيني [11]. على سبيل المثال ، في اضطراب وراثي وراثي جفاف الجلد المصطبغ (XP) ، فإن الطفرات في بروتينات XP تعطل إصلاح الحمض النووي مما يؤدي إلى تراكم الآفات التي يسببها ضوء الشمس في الحمض النووي للجلد وارتفاع معدل الإصابة بسرطان الجلد [12].


تعطيل جينات البروتياز في الميكروبات لإنتاج البروتينات غير المتجانسة

3.6.1.4 إعادة التركيب الخاصة بالموقع

إعادة التركيب الخاص بالموقع هو نوع من نظام إعادة التركيب الجيني حيث تحدث الأجزاء التي تمتلك درجة معينة من تبادل التماثل المتسلسل لخيوط الحمض النووي (Bode et al. ، 2000). نظام إعادة التركيب الخاص بالموقع ذو كفاءة عالية وسريعة ومحددة. من خلال إعادة التركيب المتماثل وغير المتجانسة ، تم الإبلاغ عن أن الدنا الناقل الدائري للفطريات الخيطية ، بما في ذلك متواليات البلازميد ، يمكن دمجها في مجموعة الجينات ، في نسخ فردية أو متعددة (Miller et al. ، 1985). في الأجناس المختلفة ، تختلف نسبة التكاملات المتجانسة: غير المتجانسة اختلافًا كبيرًا (Hinnen et al. ، 1978). من المتوقع أن تتضمن الأحداث الأولى للتكامل إصلاح الفواصل المزدوجة بين المتجهات المتكاملة وتكامل متواليات المرافقة الكروموسومية تتطلب أيضًا تحليل التسلسل (Mohr et al. ، 1989). في السبعينيات من القرن الماضي ، وضع تطوير تقنيات الحمض النووي المؤتلف الأساس لتقدم العديد من أنظمة التعبير البروتيني غير المتجانسة. الإشريكية القولونية, S. cerevisiaeالخميرة methylotrophic P. باستوريس، والفطريات الخيطية على نطاق واسع للتعبير عن البروتينات غير المتجانسة (Hitzeman et al. ، 1981 Li et al. ، 2007 Lubertozzi and Keasling ، 2009). تعمل تقنيات التعبير عن البروتينات غير المتجانسة كتقنية مهمة لإعداد البروتينات أو الإنزيمات للتجارب الأكاديمية والأهمية الصناعية. بعض السمات المميزة لإعادة التركيب الخاصة بالموقع هي: (1) في مواقع محددة على جزيء (جزيئات) الحمض النووي المتفاعل يحدث إعادة التركيب (2) إعادة التركيب محافظة و (3) في مناطق صغيرة من الحمض النووي ، يحدث تبادل خيوط التماثل داخل إعادة توحيد المواقع.

تحت في المختبر الظروف ، من أجل التلاعب بجزيئات الحمض النووي الكبيرة ، أصبح إنزيم Cre recombinase أيضًا أداة قوية (Sauer and Henderson ، 1988). إنزيم Cre recombinase هو إنزيم التيروزين recombinase باستخدام آلية شبيهة بآلية topoisomerase I لإحداث أحداث إعادة التركيب الخاصة بالموقع. في دورة حياة العاثية P1 ، تلعب الإنزيمات دورًا مهمًا ، مثل دوران الجينوم الخطي وحل الكروموسومات ثنائية الأبعاد (Van Duyne ، 2001). تم الإبلاغ عن Cre باعتباره recombinase فعالًا بصرف النظر عن بكتريا قولونية وفي الخميرة (Sauer ، 1987). في كل من خلايا الخميرة والثدييات ، يمكن لـ Cre توجيه التكامل الخاص بالموقع لمتجه الاستهداف المحتوي على IoxP إلى هدف loxP موضوع بالكروموسومات كما يفعل FLP recombinase في خلايا الثدييات (O'Gorman et al. ، 1991 Sauer and Henderson ، 1990). إنزيم FLP المشتق من S. cerevisiae تستخدم للتلاعب ببنية الجينوم وللتحكم في التعبير عن الجينات. إعادة التركيب Flp-FRT هو نوع من إعادة التركيب الموجه بالموقع. بروتين Flp هو عائلة من التيروزين يؤدي فيها recombinase الخاص بالموقع وظيفته عبر آلية من النوع IB topoisomerase ، مما يتسبب في إعادة تركيب شريطين منفصلين من الحمض النووي. تؤدي الخطوة الأولية أثناء إعادة التركيب إلى إنشاء تقاطع هوليداي وسيط. نتج عن الخطوة الثانية إعادة تركيب الخيوط التكميلية (Ma et al. ، 2007).


الأورام

ستان ك. باردال البكالوريوس (فارم) ، ماجستير في إدارة الأعمال ، دكتوراه ،. دوجلاس إس مارتن دكتوراه في علم الأدوية التطبيقي ، 2011

MOA (آلية العمل)

العوامل المؤلكلة تنقل الألكيل (المواد الكيميائية) مجموعات للحمض النووي. تؤدي ألكلة الحمض النووي في النواة إلى موت الخلية.

بمجرد دخولها إلى الخلية ، تخضع عوامل الألكلة لعملية إعادة ترتيب هيكلية ينتج عنها تكوين وسيط غير مستقر ، وهو أيون إيثيلين إيمونيوم.

ينقل هذا الأيون إما بشكل مباشر ، أو عبر وسيط آخر ، أيون الكربون ، مجموعات الألكيل إلى الأحماض النووية مثل الجوانين أو إلى مكونات خلوية أخرى.

ينتج عن ألكلة الجوانين أو القواعد الأخرى اقتران قاعدة غير طبيعي وكذلك استئصال هذه القواعد مما يؤدي بدوره إلى تكسر الخيوط.

تعتبر عوامل الألكلة مرحلة دورة الخلية غير محدد، مع الخلايا في G1 والمراحل S هي الأكثر حساسية (الشكل 20-1).

لم يتم إثبات العلاقة بين ألكلة الحمض النووي وموت الخلية السرطانية ، ومع ذلك ، فإن إحدى الآليات المحتملة هي تلف الحمض النووي الذي يكفي لتنشيط البروتينات الاستباقية مثل p53 ، مما يؤدي إلى موت الخلية.

لدى Nitrosoureas آلية عمل إضافية. نيتروسورياس يخضع لرد فعل آخر ، يشار إليه باسم كاربامويل ، مع بقايا البروتينات ليسين. الكاربامويل هو انتقال الكاربامويل (NH2CO) إلى مجموعة أمينية ، مثل تلك الموجودة في الأحماض الأمينية.

يُشار إلى ناتج هذا التفاعل باسم أ البروتين الكربامويلي ، ويبدو أن هذه العملية تحد من قدرة الخلية السرطانية على إصلاح الحمض النووي. هذه الآلية الفريدة للعمل تحد من المقاومة المتصالبة بين النيتروسورياس والأعضاء الآخرين من هذه الفئة.

آليات المقاومة

تشمل آليات المقاومة ما يلي: ▴

قلة دخول الدواء إلى الخلية

تثبيط عامل الألكلة بواسطة الجلوتاثيون

المقاومة المتصالبة شائعة بين الفئات الفرعية المختلفة لعوامل الألكلة ، باستثناء نيتروسورياس.


تفاعل (S_N1 ) كيميائي حيوي

كما سنرى في الفصل العاشر ، تلعب التفاعلات المحفزة بالإنزيم (S_N1 ) دورًا مهمًا في استقلاب الكربوهيدرات والنيوكليوتيدات DNA / RNA. التفاعل أدناه جزء من التخليق الحيوي للنيوكليوتيدات:

لاحظ بعض الأشياء هنا: أولاً ، استقرت مجموعة ترك ثنائي الفوسفات من خلال التفاعلات مع (Mg ^ <+ 2> ) أيون مرتبط في الموقع النشط وأيضًا عن طريق الترابط الهيدروجيني مع بقايا الأحماض الأمينية بالموقع النشط (غير موضح). يتم تثبيت وسيط carbocation بالرنين مع الأزواج الوحيدة على الأكسجين (انظر القسم 8.5) ، وأيضًا بواسطة سلسلة جانبية نشطة من الأسبارتات. يتم وضع nucleophile الأمونيا في الموقع النشط بحيث يقترب من الجانب "العلوي" من carbocation المستوي الوسيط ، وينتج عن الاستبدال انعكاس التكوين. تذكر: (S_N1 ) التفاعلات التي تحدث مجانًا في المحلول تميل إلى أن تؤدي إلى مزيج من الأيزومرات الفراغية ، لكن التفاعلات المحفزة بالإنزيم - بما في ذلك التفاعلات الإنزيمية (S_N1 ) مثل هذه - تكون عمومًا مجسمة وذات طبيعة خاصة ، مما يعني أنها تؤدي دائمًا تقريبًا إلى منتج أيزومري واحد ، وليس مزيجًا من المنتجات.

تذكر العبارة الواردة في القسم 8.4 بأن المجموعات التي تركت الفقراء غالبًا ما تحتاج إلى أن يتم تحويلها إلى مجموعات مغادرة جيدة. دعمًا لخطوة استقلابية واحدة من التفاعل الموصوف أعلاه ، نرى أن مجموعة تركت فقيرة (هيدروكسيد) على ريبوز -5-فوسفات يتم تحويلها أولاً إلى مجموعة مغادرة جيدة (ثنائي الفوسفات) ، والتي يمكن أن تستقر من خلال التفاعلات مع الموقع النشط للـ إنزيم يحفز تفاعل (S_N1 ).

خطوة الفسفرة الأولية هذه ، والتي تتطلب ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات) كمانح لمجموعة ثنائي الفوسفات ، هو رد فعل سنقوم بدراسته بمزيد من التفصيل في الفصل 9.


ميزات DNA Polymerase:

  • معالجة عالية: التحفيز بواسطة بوليميراز الحمض النووي سريع ، قادر على إضافة ما يصل إلى 1000 نيوكليوتيد في الثانية إلى حبلا التمهيدي. في حالة بوليميراز الحمض النووي ، يتم تعريف درجة العملية على أنها عدد النيوكليوتيدات المضافة في كل مرة يربط فيها الإنزيم التمهيدي: تقاطع القالب.
  • ركائز متعددة: في الإنزيم المعالج في كل مرة يربط الإنزيم التمهيدي: قالب تقاطع ركائز متعددة ، يضاف dNTP إلى التمهيدي. على النقيض من عدم وجود إنزيم معالج يضيف dNTP واحدًا إلى التمهيدي ثم يتم تحريره من التمهيدي: تقاطع القالب.

يتم تسهيل زيادة المعالجة من خلال قدرة بوليميريز الحمض النووي على الانزلاق على طول قالب الحمض النووي. يتفاعل بوليميراز الدنا بإحكام مع الكثير من الجزء المزدوج الشريطة من الحمض النووي بطريقة تسلسلية غير محددة. تشمل هذه التفاعلات التفاعلات الكهروستاتيكية بين العمود الفقري للفوسفات ومجال الإبهام ، والتفاعل بين الأخدود الصغير للحمض النووي ومجال النخيل. يتم تحقيق زيادة إضافية في العملية من خلال التفاعلات بين بوليميريز الحمض النووي والبروتين & # 8220Sliding clamp & # 8221.

  • نشاط نوكلياز خارجي: الخفقان العرضي للقواعد في & # 8216 Wrong & # 8217 شكل محشو. يسمح هذا الشكل البديل من القواعد بوضع أزواج القواعد غير الصحيحة بشكل صحيح للتحفيز. تصحح نوكليازات خارجية الحمض النووي المركب حديثًا. يسمى هذا النوع من نوكلياز خارجي تنقيح نوكلياز خارجي. هذه النيوكليازات الخارجية قادرة على تحطيم الحمض النووي بدءًا من نهاية الحمض النووي رقم 3 & # 8242 ، أي من النهاية المتنامية لشريط الحمض النووي الجديد وإزالة النيوكليوتيدات غير الصحيحة.

يغير الحمض النووي المختلط هندسة 3 & # 8242 OH والنيوكليوتيدات الواردة بسبب التفاعلات الضعيفة مع منطقة النخيل. تقلل هذه الهندسة المتغيرة من معدل إضافة النوكليوتيدات وتزيد من معدل تصحيح نشاط نوكلياز خارجي. يمكن أن يحدث التدقيق اللغوي دون تحرير الحمض النووي من البوليميراز. عندما يتم الكشف عن زوج غير متطابق ، فإن التمهيدي: ينزلق تقاطع القالب بعيدًا عن الموقع النشط لبوليميراز الحمض النووي وإلى موقع نوكلياز خارجي. بعد إزالة النوكليوتيدات غير الصحيحة ، يبدأ التمهيدي المقترن بشكل صحيح: ينتقل تقاطع القالب إلى الموقع النشط للبوليميراز ويستمر تخليق الحمض النووي.

بوليميراز DNA يقوم بالتوليف والتحرير

  • يتم إضافة النيوكليوتيدات إلى كلا النموذجين في شوكة النسخ المتماثل في نفس الوقت.
  • التمهيدي مطلوب. يتطلب بوليميراز الدنا مادة أولية لبدء بوليميريز الحمض النووي.

الوفرة المنخفضة والمعالجة العالية لبوليميراز الحمض النووي III

يحتوي DNA polymerase III على العديد من الخصائص المتوقعة للبوليميراز المتماثل. تتمثل إحدى المضاعفات في دراسات بوليميريز الحمض النووي الثالث في أنه تم عزل الأشكال المختلفة بإجراءات مختلفة. نحن ندرك الآن أن هذه الأشكال تختلف في عدد الوحدات الفرعية الموجودة في الإنزيم المعزول. بالنسبة إلى الإنزيمات ذات الوحدات الفرعية المتعددة ، نشير إلى المركب بكل الوحدات الفرعية اللازمة لوظيفته الرئيسية باسم هولونزيم أو هولوكومبلكس . يحتوي أنزيم DNA polymerase holoenzyme على عشر وحدات فرعية ، والتي سيتم مناقشتها بالتفصيل في القسم التالي.

إن الإنزيم الهولندي DNA polymerase له الخصائص المتوقعة للبوليميراز المتماثل ، في حين أن DNA polymerase I لا (انظر المقارنة في الجدول 5.1). إنها أقل وفرة من بوليميريز الحمض النووي I ، ولكن لا توجد حاجة لعدد كبير من بوليميرات الحمض النووي التكراري في الخلية. يمكن استخدام بوليميراز واحد أو اثنين فقط في كل شوكة نسخ متماثل ، لذا تكفي الجزيئات العشرة من إنزيم DNA polymerase III holoenzyme. بوليميريز الحمض النووي الثالث يحفز تخليق الحمض النووي بمعدل أعلى بكثير من بوليميريز DNA I ، بمعامل يبلغ حوالي 70. معدل الاستطالة المقاس لأنزيم DNA polymerase III (42000 نيوكليوتيد في الدقيقة) قريب من معدل حركة شوكة النسخ المقاسة في الجسم الحي في بكتريا قولونية (60.000 نيوكليوتيدات في الدقيقة).

الخاصية الرئيسية لبوليميراز الدنا التكراري هي معالجة عالية ، وهي خاصية مدهشة لأنزيم DNA polymerase III. العملية هي كمية البلمرة التي يتم تحفيزها بواسطة إنزيم في كل مرة يرتبط فيها بقالب مناسب ، أو قالب تمهيدي في حالة بوليميرات الحمض النووي. يتم قياسه بالنيوكليوتيدات المبلمرة لكل حدث ربط. من أجل تكرار 4.5 ميغا بايت كروموسوم من بكتريا قولونية في غضون 30 إلى 40 دقيقة ، يحتاج بوليميراز الحمض النووي إلى تخليق الحمض النووي بسرعة وبطريقة معالجة عالية. يقوم DNA polymerase I بتجميع أقل من 200 نيوكليوتيد لكل حدث ربط ، ولكن نظرًا لأن holoenzyme ، فإن DNA polymerase III أكثر معالجة ، ويتجاوز حدود الفحص المستخدم للحصول على النتائج الملخصة في الجدول 5.1. في المقابل ، فإن جوهر DNA polymerase III ، الذي يحتوي على ثلاث وحدات فرعية فقط (انظر القسم التالي) ، له قدرة معالجة منخفضة للغاية.

الجدول 5.1. مقارنة بين بوليميراز الحمض النووي الأول والثالث (Pol I و Pol III)

نيوكليوتيدات بلمرة دقيقة -1 (إنزيم جزيء) -1

المعالجة [نيوكليوتيدات بلمرة في البداية]

3 'to 5' نوكلياز خارجي ، تدقيق لغوي

ملحوظة: + و <تشير إلى وجود أو عدم وجود النشاط المذكور في الإنزيم.

السؤال 5.6. إذا تم قياس معدل تكرار شوكة الحركة في الجسم الحي في بكتريا قولونية هو 60.000 نيوكليوتيد في الدقيقة ، كم عدد الشوكات اللازمة لتكرار الكروموسوم في 40 دقيقة؟ أذكر أن حجم ملف بكتريا قولونية الكروموسوم هو 4.64 × 10 6 bp.


الشكل التكميلي 1 حفظ SRAP.

أ. محاذاة التسلسل على أساس الهيكل بين بكتريا قولونية YedK ومجال HMCES SRAP البشري ، جنبًا إلى جنب مع محاذاة تسلسل لمجالات SRAP من 8 أنواع إضافية. يظهر الهيكل الثانوي من هيكل YedK DPC أعلى المحاذاة. تشير الرموز الموجودة أعلى المخلفات المحددة إلى المتورطين في ربط الحمض النووي (الدوائر) ، وتشويه الحمض النووي في الجانب 5 من موقع AP (إسفين ، الدوائر الزرقاء) ، والتراكم مقابل dsDNA على الفور 3 إلى موقع AP (الرف ، الدوائر الأرجواني) ، و تثبيت الارتباط المتشابك ثيازوليدين (جيب Cys2 ، "×"). ب. مناظر متعامدة لهيكل YedK DPC الملون بقوس قزح من N- (أزرق) إلى C-terminus (أحمر). ج. تراكب بكتريا قولونية YedK DPC (أزرق / ذهبي) ومجال HMCES SRAP البشري (معرف PDB 5KO9 ، فضي). إن r.m.s.d. بين الهياكل 1.40 Å لجميع ذرات العمود الفقري. د. تراكب YedK DPC (أزرق / أرجواني) و YedK مجاني (برتقالي). الحلقات في YedK DPC المضطربة في البروتين الحر ملونة باللون الأرجواني. تظهر البروتينات على أنها أثر العمود الفقري لـ Cα.

الشكل التكميلي 2 تفاصيل الموقع النشط SRAP.

مناظر استريو للمخلفات التي تتصل بوصلة ثيازوليدين في مجمعي البروتين والحمض النووي في الوحدة غير المتماثلة لبنية YedK DPC ، متراكبة مع كثافة إلكترون مقدارها 1σ2Fo-Fc. تشير الخطوط والأرقام المتقطعة إلى أطوال الروابط الهيدروجينية في Å.

الشكل التكميلي 3 التفاصيل الهيكلية لمجمع SRAP-DNA غير التساهمي.

أ. تراكب YedK المتشابك تساهميًا مع AP-DNA (أزرق) وغير مرتبط تساهميًا بـ C3-spacer DNA (أرجواني). تم تمييز الموقع الأساسي بعلامة النجمة. يُظهر السهم ذو الرأسين الاختلاف الأكثر أهمية بين الهيكلين - حركة β-hairpin (β7- β8) التي تثبت العمود الفقري للحمض النووي DNA 3 إلى موقع AP. ب. عرض استريو لموقع YedK النشط في هيكل YedK / C3-spacer-DNA ، متراكب مع كثافة إلكترون 1σ 2Fo-Fc. تم تلوين فاصل C3 باللون الأخضر والنيوكليوتيدات المحيطة به باللون الذهبي. تشير الخطوط والأرقام المتقطعة إلى أطوال الروابط الهيدروجينية في Å. ج. الحمض النووي في هياكل DPC (العلوية) وغير التساهمية C3-spacer (السفلية) ، الملونة بواسطة عامل B. د. متوسط ​​عامل B لكل نوكليوتيد في هياكل DPC (السوداء) وغير التساهمية C3 (الزرقاء).

الشكل التكميلي 4 ربط مجال HMCES SRAP بوصلات ssDNA و ssDNA / dsDNA التي تحتوي على نظير موقع تيتراهيدروفوران (THF).

تمت مراقبة الارتباط من خلال تغيير تباين الخواص الفلورية حيث تمت معايرة البروتين ضد الحمض النووي الذي يحتوي على ملصق FAM في نهاية 5′ من حبلا THF. يعتمد التغيير الأقصى في تباين الخواص (سعة تساوي درجة حرارة الربط عند التشبع) على معدل هبوط ملصق FAM ، والذي يختلف لكل من الركيزة الثلاثة. ثوابت التفكك (K.د) من المربعات الصغرى غير الخطية الملائمة لنموذج ربط الموقع المفرد ثنائي الحالة بالبيانات.


شاهد الفيديو: Carboxylic acid derivatives 1 (قد 2022).