Rodzaje, funkcje i struktura polimerazy DNA



The Polimeraza DNA jest enzymem odpowiedzialnym za katalizowanie polimeryzacji nowej nici DNA podczas replikacji tej cząsteczki. Jego główną funkcją jest dopasowanie trifosforanów dezoksyrybonukleotydów do trójfosforanów w łańcuchu matrycy. Bierze również udział w naprawie DNA.

Enzym ten pozwala na prawidłowe dopasowanie zasad DNA łańcucha formy i nowego, zgodnie ze schematem A paruje się z T, a G z C.

Proces replikacji DNA musi być skuteczny i musi być przeprowadzony szybko, więc polimeraza DNA działa poprzez dodanie około 700 nukleotydów na sekundę i popełnia błąd tylko co 109 lub 1010 osadzone nukleotydy.

Istnieją różne typy polimerazy DNA. Różnią się one zarówno u eukariontów, jak i prokariotów, a każda z nich odgrywa szczególną rolę w replikacji i naprawie DNA..

Możliwe, że jednym z pierwszych enzymów, które pojawiły się w ewolucji, były polimerazy, ponieważ zdolność do dokładnej replikacji genomu jest wewnętrznym wymogiem rozwoju organizmów.

Odkrycie tego enzymu przypisuje się Arthurowi Kornbergowi i jego współpracownikom. Ten badacz zidentyfikował polimerazę DNA I (Pol I) w 1956 r. Podczas pracy Escherichia coli. Podobnie Watson i Crick zaproponowali, że ten enzym może produkować wierne kopie cząsteczki DNA.

Indeks

  • 1 Rodzaje
    • 1.1 Prokarionty
    • 1.2 Eukarionty
    • 1.3 Łuki
  • 2 Funkcje: replikacja i naprawa DNA
    • 2.1 Co to jest replikacja DNA?
    • 2.2 Reakcja
    • 2.3 Właściwości polimeraz DNA
    • 2.4 Fragmenty Okazaki
    • 2.5 Naprawa DNA
  • 3 Struktura
  • 4 Aplikacje
    • 4.1 ChRL
    • 4.2 Antybiotyki i leki przeciwnowotworowe
  • 5 referencji

Typy

Prokarionty

Organizmy prokariotyczne (organizmy bez prawdziwego jądra, ograniczone przez błonę) posiadają trzy główne polimerazy DNA, powszechnie nazywane pol I, II i III.

Polimeraza DNA I uczestniczy w replikacji i naprawie DNA i posiada aktywność egzonukleazy w obu kierunkach. Uważa się, że rola tego enzymu w replikacji jest drugorzędna.

II uczestniczy w naprawie DNA, a jego aktywność egzonukleazy jest w kierunku 3'-5 '. III uczestniczy w replikacji i rewizji DNA, i podobnie jak poprzedni enzym, wykazuje aktywność egzonukleazy w kierunku 3'-5 '.

Eukarionty

Eukarioty (organizmy z prawdziwym jądrem, ograniczone przez błonę) posiadają pięć polimeraz DNA, oznaczonych literami alfabetu greckiego: α, β, γ, δ i ε.

Polimeraza γ znajduje się w mitochondriach i jest odpowiedzialna za replikację materiału genetycznego w tej organelli komórkowej. Natomiast pozostałe cztery znajdują się w jądrze komórek i biorą udział w replikacji jądrowego DNA.

Warianty α, δ i ε są najbardziej aktywne w procesie podziału komórki, co sugeruje, że ich główna funkcja jest związana z produkcją kopii DNA.

Z drugiej strony polimeraza DNA β prezentuje szczyty aktywności w komórkach, które nie dzielą się, dlatego zakłada się, że jej główna funkcja jest związana z naprawą DNA.

Różne eksperymenty były w stanie zweryfikować hipotezę, że wiążą głównie polimerazy α, δ i ε z replikacją DNA. Typy γ, δ i ε wykazują aktywność egzonukleazy 3'-5 '.

Łuki

Nowe metody sekwencjonowania pozwoliły zidentyfikować ogromną różnorodność rodzin polimeraz DNA. W archeonach zidentyfikowaliśmy konkretnie rodzinę enzymów, zwaną rodziną D, które są unikalne dla tej grupy organizmów.

Funkcje: replikacja i naprawa DNA

Czym jest replikacja DNA?

DNA jest cząsteczką, która przenosi wszystkie informacje genetyczne organizmu. Składa się z cukru, bazy azotowej (adeniny, guaniny, cytozyny i tyminy) i grupy fosforanowej.

Podczas procesów podziału komórek, które stale występują, DNA musi być szybko i dokładnie kopiowane - szczególnie w fazie S cyklu komórkowego. Ten proces, w którym komórka kopiuje DNA, jest znany jako replikacja.

Strukturalnie cząsteczka DNA jest utworzona przez dwie nici, tworząc helisę. Podczas procesu replikacji są one rozdzielane i każdy z nich działa jako temperament dla tworzenia nowej cząsteczki. Zatem nowe nici przechodzą do komórek potomnych w procesie podziału komórki.

Ponieważ każda nić jest hartowana, mówi się, że replikacja DNA jest półkonserwatywna - pod koniec procesu nowa cząsteczka składa się z nowej nici i starej nici. Proces ten został opisany w 1958 r. Przez naukowców Meselsona i Stahla z wykorzystaniem izofotosów.

Replikacja DNA wymaga szeregu enzymów, które katalizują proces. Wśród tych cząsteczek białkowych wyróżnia się polimeraza DNA.

Reakcja

Aby zaszła synteza DNA, wymagane są niezbędne substraty dla procesu: trójfosforany dezoksyrybonukleotydów (dNTP)

Mechanizm reakcji obejmuje atak nukleofilowy grupy hydroksylowej na końcu 3 'rosnącej nici w fosforanie alfa komplementarnego dNTP, eliminując pirofosforan. Ten etap jest bardzo ważny, ponieważ energia do polimeryzacji pochodzi z hydrolizy dNTP i powstałego pirofosforanu.

Pol III lub alfa łączy się z pierwszym (patrz właściwości polimeraz) i zaczyna dodawać nukleotydy. Epsilon wydłuża łańcuch wiodący, a delta wydłuża opóźnione pasmo.

Właściwości polimeraz DNA

Wszystkie znane polimerazy DNA mają dwie zasadnicze właściwości związane z procesem replikacji.

Po pierwsze, wszystkie polimerazy syntetyzują nić DNA w kierunku 5'-3 ', dodając dNTP do grupy hydroksylowej rosnącego łańcucha.

Po drugie, polimerazy DNA nie mogą zacząć syntetyzować nowego łańcucha od niczego. Potrzebują dodatkowego elementu znanego jako primer lub primer, który jest cząsteczką utworzoną przez kilka nukleotydów, która daje wolną grupę hydroksylową, w której polimeraza może zakotwiczyć i rozpocząć swoją aktywność.

Jest to jedna z podstawowych różnic między polimerazami DNA i RNA, ponieważ ta ostatnia jest zdolna do zainicjowania syntezy łańcucha de novo.

Fragmenty Okazaki

Pierwsza właściwość polimeraz DNA wspomnianych w poprzedniej sekcji jest komplikacją dla replikacji semikonserwatywnej. Ponieważ dwie nici DNA biegną w sposób antyrównoległy, jeden z nich jest syntetyzowany w sposób nieciągły (który musiałby zostać zsyntetyzowany w kierunku 3'-5 ').

W nici opóźnionej następuje nieciągła synteza za pomocą normalnej aktywności polimerazy, 5'-3 ', a powstałe fragmenty - znane w literaturze jako fragmenty Okazaki - są związane innym enzymem, ligazą.

Naprawa DNA

DNA jest stale narażony na czynniki zarówno endogenne, jak i egzogenne, które mogą go uszkodzić. Te uszkodzenia mogą blokować replikację i gromadzić się, tak że wpływają na ekspresję genów, generując problemy w różnych procesach komórkowych.

Oprócz roli w procesie replikacji DNA polimeraza jest również kluczowym składnikiem mechanizmów naprawy DNA. Mogą również działać jako czujniki w cyklu komórkowym, które uniemożliwiają wejście do fazy podziału, jeśli DNA jest uszkodzone.

Struktura

Obecnie, dzięki badaniom krystalografii, udało się wyjaśnić struktury różnych polimeraz. W oparciu o ich pierwotną sekwencję polimerazy są pogrupowane w rodziny: A, B, C, X i Y.

Niektóre aspekty są wspólne dla wszystkich polimeraz, zwłaszcza tych związanych z centrami katalitycznymi enzymu.

Obejmują one dwa kluczowe miejsca aktywne, które zawierają jony metali, z dwiema resztami asparaginianu i zmienną resztą - asparaginian lub glutaminian, który koordynuje metale. Istnieje inna seria naładowanych reszt, które otaczają centrum katalityczne i są konserwowane w różnych polimerazach.

U prokariotów polimeraza DNA I jest polipeptydem o masie 103 kd, II jest polipeptydem o masie 88 kd, a III składa się z dziesięciu podjednostek.

U eukariontów enzymy są większe i bardziej złożone: α tworzy pięć jednostek, β i γ przez podjednostkę, δ przez dwie podjednostki, a ε przez 5..

Aplikacje

ChRL

Reakcja łańcuchowa polimerazy (PRC) jest metodą stosowaną we wszystkich laboratoriach biologii molekularnej dzięki jej użyteczności i prostocie. Celem tej metody jest masowe wzmocnienie interesującej nas cząsteczki DNA.

Aby to osiągnąć, biolodzy wykorzystują polimerazę DNA, która nie jest uszkodzona przez ciepło (wysokie temperatury są niezbędne do tego procesu) w celu wzmocnienia cząsteczki. Wynikiem tego procesu jest duża liczba cząsteczek DNA, które można wykorzystać do różnych celów.

Jedną z najwybitniejszych funkcji klinicznych tej techniki jest jej zastosowanie w diagnostyce medycznej. ChRL można wykorzystać do sprawdzenia obecności patogennych bakterii i wirusów u pacjentów.

Antybiotyki i leki przeciwnowotworowe

Znaczna liczba leków ma na celu obcinanie mechanizmów replikacji DNA w organizmie patogennym, czy to wirusa, czy bakterii.

W niektórych z nich celem jest hamowanie aktywności polimerazy DNA. Na przykład lek chemioterapeutyczny cytarabina, zwany również arabinozydem cytozyny, wyłącza polimerazę DNA.

Referencje

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... i Walter, P. (2015). Niezbędna biologia komórki. Garland Science.
  2. Cann, I. K., i Ishino, Y. (1999). Replikacja DNA Archaeala: identyfikacja elementów do rozwiązania zagadki. Genetyka, 152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G. M. i Hausman, R. E. (2004). Komórka: podejście molekularne. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M. i Bebenek, K. (2007). Wiele funkcji polimeraz DNA. Krytyczne recenzje w naukach o roślinach, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., i Kunkel, T. A. (2003). Funkcje eukariotycznych polimeraz DNA. SAGE KE Science, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T. A. (1999). Polimerazy DNA: różnorodność strukturalna i wspólne mechanizmy. Journal of Biological Chemistry, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W. A., Pedersen, L. G., i Wilson, S. H. (2013). Strukturalne porównanie architektury polimerazy DNA sugeruje bramkę nukleotydową do miejsca aktywnego polimerazy. Opinie chemiczne, 114(5), 2759-74.