Tipovi, funkcija i struktura DNA polimeraze



DNA polimeraza je enzim koji je odgovoran za kataliziranje polimerizacije novog lanca DNA tijekom replikacije ove molekule. Njegova glavna funkcija je povezati deoksiribonukleotidne trifosfate s onima iz lanca šablona. Također sudjeluje u popravku DNA.

Ovaj enzim dopušta točnu podudarnost između baza DNA lanca plijesni i novog, slijedeći shemu A koja se spaja s T, a G sa C.

Proces replikacije DNK mora biti učinkovit i mora se obaviti brzo, tako da DNA polimeraza djeluje dodavanjem oko 700 nukleotida u sekundi i čini samo grešku svakih 109 ili 1010 ugrađeni nukleotidi.

Postoje različite vrste DNA polimeraze. One se razlikuju i kod eukariota i kod prokariota, a svaka ima specifičnu ulogu u replikaciji i popravku DNA..

Moguće je da je jedan od prvih enzima koji su se pojavili u evoluciji bili polimeraze, budući da je sposobnost replikacije genoma točno svojstvena potreba za razvoj organizama..

Otkriće ovog enzima pripisuje se Arthuru Kornbergu i njegovim kolegama. Istraživač je 1956. godine identificirao DNK polimerazu I (Pol I) Escherichia coli. Slično tome, Watson i Crick su predložili da ovaj enzim može proizvesti vjerne kopije DNA molekule.

indeks

  • 1 Vrste
    • 1.1 Prokarioti
    • 1.2. Eukarioti
    • 1.3 Lukovi
  • 2 Funkcije: replikacija i popravak DNA
    • 2.1 Što je replikacija DNA?
    • 2.2 Reakcija
    • 2.3 Svojstva DNA polimeraza
    • 2.4 Fragmenti Okazakija
    • 2.5 Popravak DNA
  • 3 Struktura
  • 4 Aplikacije
    • 4.1 PRC
    • 4.2 Antibiotici i antitumorski lijekovi
  • 5 Reference

vrsta

prokariota

Prokariotski organizmi (organizmi bez prave jezgre, ograničeni membranom) posjeduju tri glavne DNA polimeraze, obično skraćene kao pol I, II i III.

DNA polimeraza I sudjeluje u replikaciji i popravku DNA i posjeduje eksonukleaznu aktivnost u oba smjera. Smatra se da je uloga ovog enzima u replikaciji sekundarna.

II sudjeluje u popravku DNA i njegova aktivnost eksonukleaze je u smjeru 3'-5 '. III sudjeluje u replikaciji i reviziji DNA, a kao i prethodni enzim, aktivnost eksonukleaze je u smjeru 3'-5 '.

eukariotskim

Eukarioti (organizmi s pravom jezgrom, razgraničeni membranom) posjeduju pet DNA polimeraza, označenih slovima grčke abecede: α, β, γ, δ i ε.

Y polimeraza se nalazi u mitohondrijima i odgovorna je za replikaciju genetskog materijala u ovoj staničnoj organelu. Nasuprot tome, ostale četiri se nalaze u jezgri stanica i uključene su u replikaciju nuklearne DNA.

Varijante α, δ i ε najaktivnije su u procesu stanične diobe, što sugerira da je njihova glavna funkcija povezana s proizvodnjom DNA kopija.

S druge strane, DNA polimeraza β prikazuje vršne vrijednosti aktivnosti u stanicama koje se ne dijele, zbog čega se pretpostavlja da je njegova glavna funkcija povezana s popravkom DNA.

Različiti eksperimenti potvrdili su hipotezu da vežu polimeraze α, δ i ε s replikacijom DNA. Tipovi y, 8 i E pokazuju aktivnost 3'-5 'eksonukleaze.

Archaea

Nove metode sekvenciranja uspjele su identificirati veliku raznolikost obitelji DNA polimeraza. U arhejama smo specifično identificirali obitelj enzima, nazvanih D obitelj, koja su jedinstvena za ovu skupinu organizama..

Funkcije: replikacija i popravak DNA

Što je replikacija DNA?

DNA je molekula koja nosi svu genetsku informaciju organizma. Sastoji se od šećera, dušične baze (adenin, gvanin, citozin i timin) i fosfatne skupine.

Tijekom procesa stanične diobe, koji se stalno javljaju, DNA mora biti kopirana brzo i točno - posebno u S fazi staničnog ciklusa. Ovaj proces u kojem stanica kopira DNA je poznat kao replikacija.

Strukturno, DNA molekula je formirana od dvije niti, tvoreći spiralu. Tijekom procesa replikacije oni su odvojeni i svaki djeluje kao temperament za stvaranje nove molekule. Dakle, nove niti prelaze u stanice kćeri u procesu stanične diobe.

Budući da je svaki lanac kaljen, kaže se da je replikacija DNK polukonzervativna - na kraju procesa nova molekula se sastoji od nove trake i stare trake. Ovaj proces su 1958. godine opisali istraživači Meselson i Stahl, koristeći isophotos.

Replikacija DNA zahtijeva niz enzima koji kataliziraju proces. Među tim molekulama proteina, ističe se DNA polimeraza.

reakcija

Da bi došlo do sinteze DNA, potrebni su neophodni supstrati za proces: deoksiribonukleotid trifosfati (dNTP)

Mehanizam reakcije uključuje nukleofilni napad hidroksilne skupine na 3 'kraju rastućeg lanca u alfa fosfatu komplementarnog dNTP, eliminirajući pirofosfat. Ovaj korak je vrlo važan, budući da energija za polimerizaciju dolazi od hidrolize dNTP-a i rezultirajućeg pirofosfata.

Pol III ili alfa spaja prvi (vidi svojstva polimeraza) i počinje dodavati nukleotide. Epsilon produžuje vodeći lanac, a delta produžuje odgođeni lanac.

Svojstva DNA polimeraza

Sve poznate DNA polimeraze dijele dva bitna svojstva povezana s procesom replikacije.

Prvo, sve polimeraze sintetiziraju DNK lanac u smjeru 5'-3 ', dodajući dNTP u hidroksilnu skupinu rastućeg lanca..

Drugo, DNA polimeraze ne mogu početi sintetizirati novi lanac iz ničega. Potreban im je dodatni element poznat kao početnica ili prajmer, koji je molekula koju tvori nekoliko nukleotida koja daje slobodnu hidroksilnu skupinu, gdje polimeraza može sidriti i započeti svoju aktivnost.

To je jedna od temeljnih razlika između DNA i RNA polimeraza, budući da je potonja sposobna inicirati sintezu lanca de novo.

Fragmenti Okazakija

Prvo svojstvo DNA polimeraza spomenuto u prethodnom odjeljku je komplikacija za polikonzervativnu replikaciju. Kako se dva lanca DNA odvijaju antiparalelno, jedan od njih je sintetiziran na diskontinuiran način (koji bi se trebao sintetizirati u smjeru 3'-5 ')..

U odgođenom lancu, diskontinuirana sinteza se odvija pomoću normalne aktivnosti polimeraze, 5'-3 ', a dobiveni fragmenti - poznati u literaturi kao Okazaki fragmenti - vezani su drugim enzimom, ligazom..

Popravak DNA

DNA je stalno izložena čimbenicima, endogenim i egzogenim, koji ga mogu oštetiti. Ova oštećenja mogu blokirati replikaciju i akumulirati, tako da utječu na ekspresiju gena, stvarajući probleme u različitim staničnim procesima..

Osim svoje uloge u procesu replikacije DNA, polimeraza je također ključna komponenta mehanizama popravka DNA. Oni također mogu djelovati kao senzori u staničnom ciklusu koji sprječavaju ulazak u fazu podjele ako je DNA oštećena.

struktura

Trenutno, zahvaljujući istraživanjima kristalografije, bilo je moguće razjasniti strukture različitih polimeraza. Na temelju njihove primarne sekvence, polimeraze su grupirane u obitelji: A, B, C, X i Y.

Neki aspekti su zajednički za sve polimeraze, osobito one koje se odnose na katalitičke centre enzima.

To uključuje dva ključna aktivna mjesta koja imaju metalne ione, s dva ostatka aspartata i varijabilni ostatak - ili aspartat ili glutamat, koji koordinira metale. Postoji još jedan niz nabijenih ostataka koji okružuju katalitičko središte i čuvaju se u različitim polimerazama.

U prokariotima, DNA polimeraza I je 103 kd polipeptid, II je polipeptid 88 kd, a III se sastoji od deset podjedinica.

Kod eukariota, enzimi su veći i složeniji: α formira pet jedinica, β i γ podjedinicom, δ s dvije podjedinice i ε za 5..

aplikacije

PRC

Lančana reakcija polimeraze (PRC) je metoda koja se koristi u svim laboratorijima molekularne biologije, zahvaljujući svojoj korisnosti i jednostavnosti. Cilj ove metode je masovno pojačati interesantnu molekulu DNA.

Da bi se to postiglo, biolozi koriste DNA polimerazu koja nije oštećena toplinom (visoke temperature su neophodne za taj proces) kako bi se molekula pojačala. Rezultat tog procesa je veliki broj molekula DNA koje se mogu koristiti u različite svrhe.

Jedna od najistaknutijih kliničkih korisnosti tehnike je njezina primjena u medicinskoj dijagnostici. PRC se može koristiti za provjeru prisutnosti patogenih bakterija i virusa u bolesnika.

Antibiotici i antitumorski lijekovi

Značajan broj lijekova usmjeren je na skraćivanje mehanizama replikacije DNA u patogenom organizmu, bilo da je riječ o virusu ili bakteriji.

U nekima od njih, cilj je inhibicija aktivnosti DNA polimeraze. Primjerice, kemoterapijski lijek citarabin, koji se također naziva citozin arabinozid, onemogućuje DNA polimerazu.

reference

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... i Walter, P. (2015). Bitna biologija stanice. Znanost o Garlandu.
  2. Cann, I.K., & Ishino, Y. (1999). Replika arhealne DNA: identificiranje dijelova za rješavanje zagonetke. genetika, 152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G. M., & Hausman, R. E. (2004). Stanica: Molekularni pristup. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Višestruke funkcije DNA polimeraza. Kritički osvrti u biljnim znanostima, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P.V., Bebenek, K., & Kunkel, T.A. (2003). Funkcije eukariotskih DNA polimeraza. Znanstvena SAGE KE, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T.A. (1999). DNA polimeraze: strukturna raznolikost i zajednički mehanizmi. Časopis za biološku kemiju, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W.A., Pedersen, L.G. & Wilson, S.H. (2013). Strukturna usporedba arhitekture DNA polimeraze upućuje na nukleotidni prolaz na aktivno mjesto polimeraze. Kemijski pregledi, 114(5), 2759-74.