آنزیم DNA پلیمراز چگونه کار میکند؟

نحوه فعالیت DNA پلیمرازها

گروه ’OH -3 رشته DNA در حال رشد به عنوان یک نوکلئوفیل عمل می کند و به تری فسفات دئوکسی ریبونوکلئوزید ورودی در 𝜶-phosphorus حمله می کند و منجر به تشکیل پیوند فسفودی استر می شود. در این واکنش فسفات غیر آلی آزاد می شود.

dNMP)n + dNTP → (dNMP)n+1 + Ppi)

تمام DNA پلیمرازها به دو یون منیزیم در محل فعال نیاز دارند. توجه به این نکته مهم است که DNA پلیمراز فقط می تواند نوکلئوتیدها را در انتهای ‘3 رشته در حال رشد اضافه کند ، به همین دلیل است که همانندسازی همیشه در جهت ’3→’5 اتفاق می افتد. آن ها نمی توانند تشکیل DNA جدید را آغاز کنند. آنزیم های DNA  پلیمراز به یک رشته الگو نیاز دارند که واکنش پلیمریزاسیون را هدایت کنند. آن ها همچنین برای عملکرد خود به یک آغازگر نیاز دارند زیرا فقط می توانند نوکلئوتیدها را در گروه ’OH -3 اضافه کنند. پرایمر می تواند بخش کوتاهی از RNA،DNA  یا هر دو باشد. به طور کلی ، پرایمر یک الیگونوکلئوتید RNA در سیستم زنده می باشد. پس از افزودن یک نوکلئوتید ، DNA پلیمراز می تواند جدا شود و یا حرکت کند تا نوکلئوتیدهای بیشتری اضافه کند. این  موضوع به فرآیند پذیری DNA پلیمراز بستگی دارد و در DNA پلیمرازهای مختلف متفاوت است. همانند سازی فرآیند بسیار دقیقی است و حتی تغییر در یک نوکلئوتید می تواند باعث جهش شود. برای جلوگیری از این امر ، دو مکانیسم وجود دارد که توسط آن ها DNA پلیمرازها از عدم وجود اختلاف اطمینان حاصل می کنند.

انواع آنزیم های DNA پلیمراز پروکاریوتی :

• DNA Polymerase I
• DNA Polymerase II
• DNA Polymerase III
• DNA Pol IV
• DNA Pol V

 DNA Polymerase I :

(Pol 1) DNA polymerase I ، آنزیمی است که در پروکاریوت ها یافت می شود و به تکثیر DNA باکتریایی کمک می کند. این آنزیم اولین نوع  از آنزیم هایDNA  پلیمراز می باشد که توسط آرتور کورنبرگ در سال 1956 کشف شده است. این آنزیم در همه موجودات پروکاریوتی وجود دارد.  آنزیم Pol 1 توسط ژن polA رمزگذاری شده و از 928 اسید آمینه تشکیل شده است. آنزیم Pol 1 دارای فعالیت اگزونوکلئازی ’5 به ’3 است. بنابراین ، Pol 1 به عنوان یک آنزیم ترمیم کننده DNA محبوبیت بیشتری دارد نسبت به  عنوان آنزیم تکثیر کننده DNA . هم چنین این توانایی را دارد که پلیمریزاسیون های متعددی را قبل از آزادسازی DNA الگو و اتصال قطعات Okazaki به یکدیگر با پر کردن DNA جدید و حذف آغازگرهای RNA، کاتالیز کند. آنزیم Pol 1 جدا شده از E. Coli به طور گسترده ای در بیولوژی مولکولی مورد استفاده قرار می گیرد. بعدها آنزیم Taq Polymerase ، جایگزین آنزیم E. Coli Pol 1 ، در فناوری PCR گردید. آنزیم Taq پلیمراز نوعی DNA پلیمراز مقاوم در برابر حرارت است که متعلق به Pol 1 می باشد. آنزیم DNA پلیمراز I برای بقای سلول به دنبال انواع آسیب های DNA بسیار مهم و حیاتی می باشد ، در غیاب این آنزیم ، سلول دارای گسستگی های تک رشته ای مداوم بوده که باعث افزایش DNA نوترکیب می شود. آنزیم DNA پلیمراز I یک عامل بسیار قوی همراه با DNA لیگاز در مهر و موم کردن شکاف‌های تک رشته‌ای می باشد. به نظر می رسد هیچ یک از DNA پلیمرازهای دیگر این ویژگی را ندارند. آنزیم های DNA پلیمراز I باکتریایی دارای چندین عملکرد می باشند. این آنزیم ها دارای سه نوع  فعالیت آنزیمی مجزا ، در سه حوزه ساختاری جداگانه هستند. هر سه نوع فعالیت آنزیمی شامل واکنش‌های انتقال فسفریل بوده و وابسته به یون‌های فلزی دو ظرفیتی هستند که از طریق لیگاندهای کربوکسیلات در هر مکان فعال متصل می‌شوند. مطالعات جنبشی گسترده ، همراه با ساختارهای کریستالی DNA پلیمرازها با بسترهای متصل ، به درک ما از مسیر واکنش پلیمراز کمک کرده است. مرحله افزودن نوکلئوتید توسط چندین انتقال ساختاری انجام می شود که به ویژگی عالی و نرخ خطای کم DNA پلیمرازها کمک می کند.

DNA Polymerase II :

آنزیمر DNA پلیمراز 2 (Pol 2) یک آنزیم پروکاریوتی است که همانندسازی DNA را کاتالیز می کند. این آنزیم به خانواده پلیمراز B تعلق دارد و توسط ژن polB کد گذاری می شود. اولین بار در سال 1970 توسط توماس کورنبرگ از باکتری E Coli کشف شده است. Pol 2 یک پروتئین کروی است که از 783 اسید آمینه تشکیل شده است. آنزیم Pol 2 هم دارای فعالیت اگزونوکلئازی 3’ به ’ 5 و هم دارای فعالیت پلیمرازی ’ 5  به ’3 می باشد. آنزیم DNA پلیمراز 2 (Pol 2) با آنزیم DNA پلیمراز 3 (Pol 3)  جهت فرآیند همانندسازی DNA تعامل دارد. هم چنین آنزیم Pol 2 دارای توانایی تصحیح DNA تازه سنتز شده می باشد. آنزیم DNA پلیمراز II شبیه سازی شده ، رابطه نزدیک تری با DNA پلیمراز T4 و پلیمراز آلفا انسانی نسبت به دو پلیمراز DNA دیگر E. coli دارد. با این وجود ،  قادر به تعامل با زیر واحدهای کمپلکس DNA پلیمراز III می باشد. سلول هایی که به طور کامل فاقد ژن ساختاری DNA پلیمراز II (ژن polB) هستند ، پس از آسیب DNA تحت بسیاری از شرایط ، زنده ماندن طبیعی و ترمیم طبیعی را نشان می دهند. این در درجه اول برای ضایعات DNA مسدود کننده تکثیر به منظور سنتز رشته نوپای در سراسر ضایعه به کار گرفته می شود. این فرآیند ترانسلشن ، بای پس یا سنتز نامیده می شود و Pol II یکی از سه پلیمراز بای پس در E. coli است.