Typy, funkcia a štruktúra DNA polymerázy



DNA polymeráza je enzým, ktorý je zodpovedný za katalyzáciu polymerizácie nového reťazca DNA počas replikácie tejto molekuly. Jeho hlavnou funkciou je párovanie deoxyribonukleotid trifosfátov s fosfátmi templátového reťazca. Podieľa sa aj na oprave DNA.

Tento enzým umožňuje správnu zhodu medzi bázami DNA v reťazci formy a novým, podľa schémy A párov s T a G s C.

Proces replikácie DNA musí byť účinný a musí sa uskutočniť rýchlo, takže DNA polymeráza pôsobí pridaním približne 700 nukleotidov za sekundu a robí chybu iba každých 109 alebo 1010 vložené nukleotidy.

Existujú rôzne typy DNA polymerázy. Tieto sa líšia tak v eukaryotoch, ako aj v prokaryotoch a každá z nich má špecifickú úlohu pri replikácii a oprave DNA..

Je možné, že jeden z prvých enzýmov, ktoré sa objavujú v evolúcii, boli polymerázy, pretože schopnosť presne replikovať genóm je nevyhnutnou požiadavkou pre vývoj organizmov..

Objav tohto enzýmu sa pripisuje Arthurovi Kornbergovi a jeho kolegom. Tento výskumník identifikoval DNA polymerázu I (Pol I) v roku 1956 pri práci Escherichia coli. Podobne to bol Watson a Crick, ktorí navrhli, aby tento enzým mohol produkovať verné kópie molekuly DNA.

index

  • 1 Typy
    • 1.1 Prokaryoty
    • 1.2 Eukaryoty
    • 1.3 Oblúky
  • 2 Funkcie: replikácia a oprava DNA
    • 2.1 Čo je to replikácia DNA?
    • 2.2 Reakcia
    • 2.3 Vlastnosti DNA polymeráz
    • 2.4 Fragmenty Okazaki
    • 2.5 Oprava DNA
  • 3 Štruktúra
  • 4 Aplikácie
    • 4.1 ČĽR
    • 4.2 Antibiotiká a protinádorové lieky
  • 5 Referencie

typ

prokaryotes

Prokaryotické organizmy (organizmy bez skutočného jadra, ohraničené membránou) majú tri hlavné DNA polymerázy, bežne označované ako pol I, II a III.

DNA polymeráza I sa zúčastňuje replikácie a opravy DNA a má exonukleázovú aktivitu v oboch smeroch. Predpokladá sa, že úloha tohto enzýmu v replikácii je sekundárna.

II sa zúčastňuje opravy DNA a jej exonukleázová aktivita je v smere 3'-5 '. III sa zúčastňuje na replikácii a revízii DNA a podobne ako predchádzajúci enzým, predstavuje exonukleázovú aktivitu v smere 3'-5 '.

eukaryotických

Eukaryoty (organizmy s pravým jadrom, ohraničené membránou) majú päť DNA polymeráz, označených písmenami gréckej abecedy: α, β, γ, δ a ε.

Y polymeráza sa nachádza v mitochondriách a je zodpovedná za replikáciu genetického materiálu v tejto bunkovej organele. Naopak, ostatné štyri sa nachádzajú v jadre buniek a podieľajú sa na replikácii nukleárnej DNA.

Varianty α, δ a ε sú najaktívnejšie v procese bunkového delenia, čo naznačuje, že ich hlavná funkcia je spojená s produkciou kópií DNA.

DNA polymeráza β na druhej strane predstavuje vrcholy aktivity v bunkách, ktoré sa nerozdeľujú, dôvod, prečo sa predpokladá, že jej hlavná funkcia je spojená s opravou DNA..

Rôzne experimenty dokázali overiť hypotézu, že spájajú hlavne polymerázy α, δ a ε s DNA replikáciou. Typy y, 5 a e vykazujú 3'-5 'exonukleázovú aktivitu.

archea

Nové metódy sekvencovania dokázali identifikovať obrovské množstvo rodín DNA polymeráz. V archaea, konkrétne sme identifikovali rodinu enzýmov, tzv D rodina, ktoré sú jedinečné pre túto skupinu organizmov.

Funkcie: replikácia a oprava DNA

Čo je to replikácia DNA?

DNA je molekula, ktorá nesie všetky genetické informácie organizmu. Pozostáva z cukru, dusíkatej bázy (adenín, guanín, cytozín a tymín) a fosfátovej skupiny..

Počas procesov bunkového delenia, ktoré sa neustále vyskytujú, sa musí DNA rýchlo a presne kopírovať - ​​konkrétne vo fáze S bunkového cyklu. Tento proces, pri ktorom bunka kopíruje DNA, je známy ako replikácia.

Štruktúrne je molekula DNA tvorená dvoma vláknami, ktoré tvoria špirálu. Počas procesu replikácie sa tieto separujú a každý z nich pôsobí ako tempera na vytvorenie novej molekuly. Nové vlákna teda prechádzajú do dcérskych buniek v procese bunkového delenia.

Pretože každé vlákno je temperované, hovorí sa, že replikácia DNA je polokonzervatívna - na konci procesu sa nová molekula skladá z nového vlákna a starého vlákna. Tento proces bol opísaný v roku 1958 výskumníkmi Meselson a Stahl, pomocou isophotos.

Replikácia DNA vyžaduje rad enzýmov, ktoré katalyzujú proces. Z týchto proteínových molekúl vyniká DNA polymeráza.

reakcie

Aby sa uskutočnila syntéza DNA, sú potrebné potrebné substráty pre tento proces: trioxyfosfáty deoxyribonukleotidu (dNTP)

Mechanizmus reakcie zahŕňa nukleofilný atak hydroxylovej skupiny na 3 'konci rastúceho reťazca v alfa fosfáte komplementárneho dNTP, čím sa eliminuje pyrofosfát. Tento krok je veľmi dôležitý, pretože energia na polymerizáciu pochádza z hydrolýzy dNTP a výsledného pyrofosfátu..

Pol III alebo alfa sa pripája na prvú (pozri vlastnosti polymeráz) a začína pridávať nukleotidy. Epsilon predlžuje vedúci reťazec a delta predlžuje oneskorené vlákno.

Vlastnosti DNA polymeráz

Všetky známe DNA polymerázy zdieľajú dve základné vlastnosti spojené s procesom replikácie.

Po prvé, všetky polymerázy syntetizujú reťazec DNA v smere 5'-3 ', pričom dNTP sa pridá k hydroxylovej skupine rastúceho reťazca..

Po druhé, DNA polymerázy nemôžu začať syntetizovať nový reťazec z ničoho. Potrebujú ďalší prvok známy ako primér alebo primér, čo je molekula tvorená niekoľkými nukleotidmi, ktorá poskytuje voľnú hydroxylovú skupinu, kde polymeráza môže ukotviť a začať svoju aktivitu..

To je jeden zo základných rozdielov medzi DNA a RNA polymerázami, pretože tieto sú schopné iniciovať syntézu reťazca de novo.

Fragmenty Okazaki

Prvá vlastnosť DNA polymeráz uvedených v predchádzajúcej časti je komplikáciou pre polokonzervatívnu replikáciu. Keďže dva reťazce DNA prebiehajú antiparalelne, jeden z nich je syntetizovaný diskontinuálnym spôsobom (ktorý by musel byť syntetizovaný v smere 3'-5 ').

V oneskorenom vlákne dochádza k diskontinuálnej syntéze prostredníctvom normálnej aktivity polymerázy, 5'-3 'a výsledné fragmenty - známe v literatúre ako Okazaki fragmenty - sú viazané iným enzýmom, ligázou.

Oprava DNA

DNA je neustále vystavená faktorom, endogénnym aj exogénnym, ktoré ju môžu poškodiť. Tieto poškodenia môžu blokovať replikáciu a hromadiť sa, takže ovplyvňujú expresiu génov, čo spôsobuje problémy v rôznych bunkových procesoch.

Okrem svojej úlohy v procese replikácie DNA je polymeráza tiež kľúčovou zložkou mechanizmov na opravu DNA. Môžu tiež pôsobiť ako senzory v bunkovom cykle, ktoré zabraňujú vstupu do fázy delenia, ak je DNA poškodená.

štruktúra

V súčasnosti sa vďaka štúdiám kryštalografie podarilo objasniť štruktúry rôznych polymeráz. Na základe ich primárnej sekvencie sú polymerázy zoskupené do skupín: A, B, C, X a Y.

Niektoré aspekty sú spoločné pre všetky polymerázy, najmä tie, ktoré sa týkajú katalytických centier enzýmu.

Tieto zahŕňajú dve kľúčové aktívne miesta, ktoré majú kovové ióny, s dvomi aspartátovými zvyškami a variabilným zvyškom - buď aspartátom alebo glutamátom, ktorý koordinuje kovy. Ďalšia séria nabitých zvyškov obklopuje katalytické centrum a sú konzervované v rôznych polymerázach.

V prokaryotoch DNA polymeráza I je 103 kd polypeptid, II je 88 kd polypeptid a III sa skladá z desiatich podjednotiek.

V eukaryotoch sú enzýmy väčšie a zložitejšie: α je tvorené piatimi jednotkami, β a y podjednotkou, ô dvoma podjednotkami a ε 5..

aplikácie

PRC

Polymerázová reťazová reakcia (PRC) je metóda používaná vo všetkých laboratóriách molekulárnej biológie vďaka svojej užitočnosti a jednoduchosti. Cieľom tejto metódy je masívne amplifikovať požadovanú molekulu DNA.

Na dosiahnutie tohto cieľa biológovia používajú DNA polymerázu, ktorá nie je poškodená teplom (vysoké teploty sú nevyhnutné pre tento proces) na zosilnenie molekuly. Výsledkom tohto procesu je vysoký počet molekúl DNA, ktoré sa môžu použiť na rôzne účely.

Jedným z najvýraznejších klinických nástrojov tejto techniky je jej použitie v lekárskej diagnostike. PRC sa môže použiť na kontrolu prítomnosti patogénnych baktérií a vírusov u pacientov.

Antibiotiká a protinádorové lieky

Významný počet liekov je zameraný na skrátenie mechanizmov replikácie DNA v patogénnom organizme, či už ide o vírus alebo baktériu..

V niektorých z nich je cieľom inhibícia aktivity DNA polymerázy. Napríklad chemoterapeutický liek cytarabín, tiež nazývaný cytozín arabinozid, deaktivuje DNA polymerázu.

referencie

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... & Walter, P. (2015). Základná bunková biológia. Garland Science.
  2. Cann, I. K., & Ishino, Y. (1999). Archaeal DNA replikácie: identifikácia kusov vyriešiť puzzle. genetika, 152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G.M., & Hausman, R.E. (2004). Bunka: Molekulárny prístup. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Viacnásobné funkcie DNA polymeráz. Kritické prehľady v rastlinných vedách, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., & Kunkel, T. A. (2003). Funkcie eukaryotických DNA polymeráz. Science SAGE KE, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T. A. (1999). DNA polymerázy: štrukturálna diverzita a spoločné mechanizmy. Journal of Biological Chemistry, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W. A., Pedersen, L.G., & Wilson, S. H. (2013). Štrukturálne porovnanie DNA polymerázovej architektúry navrhuje nukleotidovú bránu do polymerázovo aktívneho miesta. Chemické prehľady, 114(5), 2759-74.