Tipi, funkcija in struktura DNA polimeraze



The DNA polimeraza je encim, ki je odgovoren za kataliziranje polimerizacije novega dela DNA med replikacijo te molekule. Njegova glavna naloga je uskladiti deoksiribonukleotid trifosfate s tistimi iz verige za vzorce. Sodeluje tudi pri popravljanju DNK.

Ta encim omogoča pravilno ujemanje med bazami DNA plesniške verige in novo, sledi shemi A, ki se pari s T, in G s C \ t.

Proces replikacije DNK mora biti učinkovit in ga je treba izvesti hitro, tako da DNA polimeraza deluje z dodajanjem okoli 700 nukleotidov na sekundo in naredi le napako vsakih 109 ali 1010 nukleotidi.

Obstajajo različne vrste DNA polimeraze. Te se razlikujejo tako pri evkariontih kot pri prokariotih in vsaka ima posebno vlogo pri replikaciji in popravljanju DNA..

Možno je, da je eden od prvih encimov, ki se pojavijo v evoluciji, polimeraze, ker je sposobnost repliciranja genoma natančno potrebna za razvoj organizmov..

Odkritje tega encima pripisujemo Arthurju Kornbergu in njegovim kolegom. Ta raziskovalec je identificiral DNA-polimerazo I (Pol I) leta 1956, ko je delal z njim Escherichia coli. Podobno so Watson in Crick predlagali, da bi ta encim lahko ustvaril zveste kopije molekule DNA.

Indeks

  • 1 Vrste
    • 1.1 Prokarionti
    • 1.2 Eukarioti
    • 1.3 Oboki
  • 2 Funkcije: replikacija in popravilo DNK
    • 2.1 Kaj je replikacija DNK?
    • 2.2 Reakcija
    • 2.3 Lastnosti DNA polimeraz
    • 2.4 Fragmenti Okazakija
    • 2.5 Popravilo DNA
  • 3 Struktura
  • 4 Aplikacije
    • 4.1 LRK
    • 4.2 Antibiotiki in protitumorska zdravila
  • 5 Reference

Vrste

Prokarionti

Prokariontski organizmi (organizmi brez pravega jedra, omejeni z membrano) imajo tri glavne DNA polimeraze, pogosto skrajšane kot pol I, II in III.

DNA polimeraza I sodeluje pri replikaciji in popravljanju DNA ter ima eksonukleazno aktivnost v obeh smereh. Šteje se, da je vloga tega encima pri replikaciji sekundarna.

II sodeluje pri popravljanju DNA in njegova eksonukleazna aktivnost je v 3'-5 'smeri. III sodeluje pri replikaciji in reviziji DNK, tako kot prejšnji encim pa je aktivnost eksonukleaze v smeri 3'-5 '..

Eukarioti

Evkarionti (organizmi z resnično jedro, omejeni z membrano) imajo pet DNA polimeraz, označenih s črkami grške abecede: α, β, γ, δ in ε..

Γ polimeraza se nahaja v mitohondrijih in je odgovorna za replikacijo genskega materiala v tem celičnem organelu. Nasprotno, preostale štiri se nahajajo v jedru celic in so vključene v replikacijo jedrne DNA.

Variante α, δ in ε so najbolj aktivne v procesu celične delitve, kar kaže, da je njihova glavna funkcija povezana s proizvodnjo kopij DNA..

Po drugi strani pa DNA polimeraza β predstavlja vrhove aktivnosti v celicah, ki se ne delijo, razlog, zakaj se predpostavlja, da je njegova glavna funkcija povezana s popravilom DNA..

Različni poskusi so potrdili hipotezo, da vežejo polimeraze α, δ in ε z replikacijo DNA. Vrste γ, δ in ε kažejo 3'-5 'eksonukleazno aktivnost.

Arches

Nove metode sekvenciranja so uspele identificirati veliko različnih družin DNA polimeraz. V arhejah smo identificirali družino encimov, imenovanih družina D, ki so edinstvene za to skupino organizmov..

Funkcije: replikacija in popravljanje DNK

Kaj je replikacija DNK?

DNA je molekula, ki nosi vse genetske informacije o organizmu. Sestoji iz sladkorja, dušikove baze (adenin, gvanin, citozin in timin) in skupine fosfatov \ t.

Med procesi celične delitve, ki se nenehno pojavljajo, je treba DNA hitro in natančno kopirati - posebej v S fazi celičnega cikla. Ta proces, kjer celica kopira DNA, je znana kot replikacija.

Strukturno je molekula DNK sestavljena iz dveh verig, ki tvorita vijačnico. Med procesom razmnoževanja so ti ločeni in vsak deluje kot temperament za oblikovanje nove molekule. Tako se novi pramenci v procesu delitve celic prenašajo v hčerinske celice.

Ker je vsaka veja kaljena, je rečeno, da je replikacija DNK polkonzervativna - na koncu procesa nova molekula sestoji iz nove verige in starega dela. Ta proces so leta 1958 opisali raziskovalci Meselson in Stahl z uporabo izotopov.

Replikacija DNK zahteva vrsto encimov, ki katalizirajo proces. Med temi proteinskimi molekulami izstopa DNA polimeraza.

Reakcija

Za sintezo DNK so potrebni potrebni substrati za postopek: deoksiribonukleotid trifosfati (dNTP)

Mehanizem reakcije vključuje nukleofilni napad hidroksilne skupine na 3 'koncu rastočega sklopa v alfa fosfatu komplementarnega dNTP, odstranjevanje pirofosfata. Ta korak je zelo pomemben, saj energija za polimerizacijo prihaja iz hidrolize dNTP in nastali pirofosfat.

Pol III ali alfa se pridruži prvemu (glej lastnosti polimeraz) in začne dodajati nukleotide. Epsilon podaljša vodilno verigo, delta pa podaljša zakasnjeno verigo.

Lastnosti DNA polimeraz

Vse znane DNA polimeraze imajo dve bistveni lastnosti, povezane s procesom replikacije.

Prvič, vse polimeraze sintetizirajo verigo DNA v smeri 5'-3 ', dodajanje dNTP v hidroksilno skupino rastoče verige..

Drugič, DNA polimeraze ne morejo začeti sintetizirati nove verige iz nič. Potrebujejo dodaten element, ki je znan kot primer ali primer, ki je molekula, ki jo tvori nekaj nukleotidov, ki dajejo prosto hidroksilno skupino, kjer lahko polimeraza zasidra in začne svojo aktivnost..

To je ena od temeljnih razlik med DNA in RNA polimerazami, saj je slednja sposobna iniciirati sintezo verige de novo.

Fragmenti Okazakija

Prva lastnost DNA polimeraz, omenjena v prejšnjem oddelku, je zaplet polikonzervativne replikacije. Ker sta obe vrsti DNK protiparalelni, je eden od njiju sintetiziran na diskontinuiran način (ki bi ga bilo treba sintetizirati v smeri 3'-5 ')..

V zapozneli verigi pride do prekinitve sinteze s pomočjo normalne aktivnosti polimeraze, 5'-3 ', in dobljeni fragmenti - znani v literaturi kot Okazaki fragmenti - so vezani z drugim encimom, ligazo.

Popravilo DNA

DNA je nenehno izpostavljena dejavnikom, tako endogenim kot eksogenim, ki jih lahko poškodujejo. Te poškodbe lahko blokirajo razmnoževanje in se kopičijo, tako da vplivajo na izražanje genov, kar povzroča težave v različnih celičnih procesih..

Poleg svoje vloge pri procesu replikacije DNK je polimeraza tudi ključna sestavina mehanizmov za popravilo DNA. Prav tako lahko delujejo kot senzorji v celičnem ciklu, ki preprečujejo vstop v fazo delitve, če je DNA poškodovana.

Struktura

Trenutno, zahvaljujoč študijam kristalografije, je bilo mogoče pojasniti strukture različnih polimeraz. Na podlagi njihovega primarnega zaporedja so polimeraze združene v družine: A, B, C, X in Y.

Nekateri vidiki so skupni vsem polimerazam, zlasti tistim, ki so povezane s katalitičnimi središči encima.

Med njimi sta dve ključni aktivni mesti, ki imata kovinske ione, dva aspartatna ostanka in variabilni ostanek - bodisi aspartat ali glutamat, ki usklajuje kovine. Obstaja še ena vrsta nabitih ostankov, ki obkrožajo katalitično središče in so ohranjeni v različnih polimerazah.

Pri prokariotih je DNA polimeraza I 103 kd polipeptid, II je 88 kd polipeptid in III je sestavljen iz desetih podenot..

Pri evkariontih so encimi večji in kompleksnejši: α je sestavljen iz petih enot, β in γ s podenoto, δ z dvema podenotama in ε s 5..

Aplikacije

LRK

Polimerazna verižna reakcija (PRC) je metoda, ki se uporablja v vseh laboratorijih molekularne biologije, zahvaljujoč njeni uporabnosti in enostavnosti. Cilj te metode je masivno ojačati interesno molekulo DNA.

Da bi to dosegli, biologi uporabljajo DNA polimerazo, ki je ne poškoduje toplota (visoke temperature so nepogrešljive za ta proces) za ojačanje molekule. Rezultat tega procesa je veliko število molekul DNA, ki jih lahko uporabimo za različne namene.

Ena najpomembnejših kliničnih pripomočkov tehnike je njena uporaba v medicinski diagnozi. LRK se lahko uporablja za preverjanje prisotnosti patogenih bakterij in virusov pri bolnikih.

Antibiotiki in protitumorska zdravila

Znatno število zdravil je usmerjeno v skrajšanje mehanizmov replikacije DNK v patogeni organizem, pa naj gre za virus ali bakterijo..

Pri nekaterih je cilj inhibicija aktivnosti DNA polimeraze. Na primer, kemoterapevtsko zdravilo citarabin, imenovano tudi citozin arabinozid, onemogoča DNA polimerazo.

Reference

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... & Walter, P. (2015). Bistvena celična biologija. Garland Science.
  2. Cann, I. K., & Ishino, Y. (1999). Replika arhejske DNA: identifikacija kosov za reševanje sestavljanke. Genetika, 152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G. M., in Hausman, R. E. (2004). Celica: Molekularni pristop. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Večkratne funkcije DNA polimeraz. Kritični pregledi v rastlinskih znanostih, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., in Kunkel, T. A. (2003). Funkcije evkariotskih DNA polimeraz. Znanstvena SAGE KE, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T.A. (1999). DNA polimeraze: strukturna raznolikost in skupni mehanizmi. Journal of Biological Chemistry, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W.A., Pedersen, L.G., & Wilson, S.H. (2013). Strukturna primerjava arhitekture DNA polimeraze nakazuje nukleotidni prehod na aktivno polimerazno mesto. Pregledi kemikalij, 114(5), 2759-74.