DNA polümeraasi tüübid, funktsioon ja struktuur



The DNA polümeraas on ensüüm, mis vastutab uue DNA ahela polümerisatsiooni katalüseerimise eest selle molekuli replikatsiooni ajal. Selle peamine ülesanne on sobitada deoksiribonukleotiidtrifosfaadid malli ahela omadega. Samuti osaleb see DNA parandamisel.

See ensüüm võimaldab korrektselt sobida vormi ahela DNA aluste ja uue vahel, järgides A-paari skeemi T-ga ja G-ga C-ga..

DNA replikatsiooniprotsess peab olema tõhus ja see peab toimuma kiiresti, nii et DNA polümeraas toimib umbes 700 nukleotiidi sekundis lisades ja teeb iga 10-kordse vea.9 või 1010 manustatud nukleotiidid.

DNA polümeraasi on erinevaid. Need varieeruvad nii eukarüootides kui ka prokarüootides ning mõlemal on spetsiifiline roll DNA replikatsioonis ja parandamisel..

On võimalik, et üks esimestest evolutsioonis esinevatest ensüümidest on olnud polümeraasid, kuna võime replikeerida genoomi täpselt on organismide arengu oluline nõue..

Selle ensüümi avastamise põhjuseks on Arthur Kornberg ja tema kolleegid. See uurija tuvastas 1956. aastal DNA polümeraasi I (Pol I) Escherichia coli. Samamoodi tegid Watson ja Crick ettepaneku, et see ensüüm saaks toota DNA molekuli ustavaid koopiaid.

Indeks

  • 1 tüübid
    • 1.1 Prokarüootid
    • 1.2 Eukarüootid
    • 1.3 Kaared
  • 2 Funktsioonid: DNA replikatsioon ja parandamine
    • 2.1 Mis on DNA replikatsioon?
    • 2.2 Reaktsioon
    • 2.3 DNA polümeraaside omadused
    • 2.4 Okazaki fragmendid
    • 2.5 DNA parandamine
  • 3 Struktuur
  • 4 Rakendused
    • 4.1 Hiina Rahvavabariik
    • 4.2 Antibiootikumid ja kasvajavastased ravimid
  • 5 Viited

Tüübid

Prokarüootid

Prokarüootsed organismid (tõelise tuumata organismid, mis on membraani poolt piiritletud) omavad kolme peamist DNA polümeraasi, mida tavaliselt lühendatakse kui pol I, II ja III.

DNA polümeraas I osaleb DNA replikatsioonis ja parandamises ning omab mõlemas suunas eksonukleaasiaktiivsust. Arvatakse, et selle ensüümi roll replikatsioonis on sekundaarne.

II osaleb DNA parandamises ja selle eksonukleaasi aktiivsus on 3'-5 'suunas. III osaleb DNA replikatsioonis ja ülevaatuses ning sarnaselt eelmisele ensüümile on eksonukleaasi aktiivsus 3'-5 'suunas.

Eukarüootid

Eukarüootidel (tõelise tuumaga organismid, mis on membraani poolt piiritletud) on viis DNA polümeraasi, mis on tähistatud Kreeka tähestike tähtedega: α, β, γ, δ ja ε.

Y-polümeraas asub mitokondrites ja vastutab geneetilise materjali replikatsiooni selle raku organelle. Seevastu ülejäänud neli leitakse rakkude tuumas ja on seotud tuuma DNA replikatsiooniga.

Α, δ ja ε variandid on rakkude jagunemise protsessis kõige aktiivsemad, mis viitab sellele, et nende põhifunktsioon on seotud DNA koopiate tootmisega..

DNA polümeraas β seevastu näitab aktiivsuste piike, mis ei ole jagunevad, mistõttu eeldatakse, et selle põhifunktsioon on seotud DNA parandamisega..

Erinevad katsed on suutnud kontrollida hüpoteesi, et nad seostavad peamiselt DNA-replikatsiooniga polümeraase α, δ ja ε. Tüüpidel y, 8 ja e on 3'-5 'eksonukleaasi aktiivsus.

Kaared

Uued sekveneerimismeetodid on suutnud tuvastada suure hulga DNA polümeraaside perekondi. Arheesis oleme kindlalt tuvastanud ensüümide perekonna, mida nimetatakse D perekonnaks ja mis on selle organismirühma jaoks ainulaadsed..

Funktsioonid: DNA replikatsioon ja parandamine

Mis on DNA replikatsioon?

DNA on molekul, mis kannab kogu organismi geneetilist informatsiooni. See koosneb suhkrust, lämmastiku alusest (adeniin, guaniin, tsütosiin ja tümiin) ja fosfaatrühmast..

Pidevalt esinevate rakkude jagunemise protsesside käigus tuleb DNA kopeerida kiiresti ja täpselt - konkreetselt rakutsükli S-faasis. See protsess, kus rakud kopeerivad DNA-d, on tuntud kui replikatsioon.

Struktuuriliselt koosneb DNA molekul kahest ahelast, moodustades spiraali. Replikatsiooniprotsessi ajal on need eraldatud ja igaüks toimib uue molekuli moodustumise temperatuuri. Seega liiguvad uued ahelad tütarrakkudele rakkude jagunemise protsessis.

Kuna iga ahel on karastatud, siis öeldakse, et DNA replikatsioon on poolkonservatiivne - protsessi lõpus koosneb uus molekul uuest ahelast ja vanast ahelast. Seda protsessi kirjeldasid 1958. aastal teadlased Meselson ja Stahl, kasutades isofotosid.

DNA replikatsioon nõuab mitmeid ensüüme, mis protsessi katalüüsivad. Nende proteiinimolekulide seast eristub DNA polümeraas.

Reaktsioon

DNA sünteesi tekkimiseks on vajalikud protsessi vajalikud substraadid: deoksüribonukleotiidtrifosfaadid (dNTP)

Reaktsiooni mehhanism hõlmab hüdroksüülrühma nukleofiilset rünnakut kasvava ahela 3'-otsas komplementaarse dNTP alfa-fosfaadis, kõrvaldades pürofosfaadi. See etapp on väga oluline, kuna polümerisatsiooni energia saadakse dNTP ja saadud pürofosfaadi hüdrolüüsist..

Pol III või alfa ühendavad esimese (vt polümeraaside omadusi) ja hakkavad nukleotiide lisama. Epsilon pikendab liiderahelat ja delta pikendab hilistatud ahelat.

DNA polümeraaside omadused

Kõigil tuntud DNA polümeraasidel on kaks replikatsiooniprotsessiga seotud olulist omadust.

Kõigepealt sünteesivad kõik polümeraasid DNA ahela 5'-3 'suunas, lisades dNTP kasvava ahela hüdroksüülrühmale.

Teiseks ei saa DNA polümeraasid alustada uue ahela sünteesimisega mitte midagi. Nad vajavad täiendavat elementi, mida nimetatakse praimeriks või praimeriks, mis on mõne nukleotiidi moodustatud molekul, mis annab vaba hüdroksüülrühma, kus polümeraas võib ankurdada ja alustada oma aktiivsust.

See on üks põhilisi erinevusi DNA ja RNA polümeraaside vahel, kuna viimane on võimeline alustama ahela sünteesi de novo.

Okazaki fragmendid

Eelmises lõigus nimetatud DNA polümeraaside esimene omadus on poolkonservatiivse replikatsiooni komplikatsioon. Kuna DNA kaks ahelat kulgevad paralleelselt, sünteesitakse üks neist katkendlikult (mis tuleb sünteesida 3'-5 'suunas).

Viivitatud ahelas toimub katkendlik süntees polümeraasi, 5'-3 'normaalse aktiivsuse abil, ja saadud fragmendid, mis on kirjanduses tuntud kui Okazaki fragmendid, on seotud teise ensüümiga, ligaasiga.

DNA parandamine

DNA puutub pidevalt kokku nii endogeensete kui eksogeensete teguritega, mis võivad seda kahjustada. Need kahjustused võivad blokeerida replikatsiooni ja koguneda, nii et need mõjutavad geenide ekspressiooni, tekitades probleeme erinevates rakulistes protsessides..

Lisaks oma rollile DNA replikatsiooniprotsessis on polümeraas samuti DNA parandusmehhanismide võtmekomponent. Nad võivad samuti toimida rakutsükli anduritena, mis takistavad jagunemisfaasi sattumist, kui DNA on kahjustatud.

Struktuur

Praegu on tänu kristallograafia uuringutele olnud võimalik selgitada erinevate polümeraaside struktuure. Nende esmase järjestuse alusel rühmitatakse polümeraasid perekondadesse: A, B, C, X ja Y.

Mõned aspektid on ühised kõigile polümeraasidele, eriti nendele, mis on seotud ensüümi katalüütiliste tsentritega.

Nende hulka kuuluvad kaks peamist aktiivset saiti, millel on metalliioonid, kaks aspartaadi jääki ja muutuv jääk - kas aspartaat või glutamaat, mis koordineerib metalle. On veel üks laetud jääkide seeria, mis ümbritsevad katalüütilist keskkonda ja on konserveerunud erinevates polümeraasides.

Prokarüootides on DNA polümeraas I 103 kd polüpeptiid, II on 88 kd polüpeptiid ja III koosneb kümnest allüksusest.

Eukarüootides on ensüümid suuremad ja keerulisemad: α moodustavad viis ühikut, β ja γ subühikuga, δ kahe allüksuse ja ε 5 võrra..

Rakendused

Hiina Rahvavabariik

Polümeraasi ahelreaktsioon (PRC) on meetod, mida kasutatakse kõigis molekulaarbioloogia laborites tänu selle kasulikkusele ja lihtsusele. Selle meetodi eesmärgiks on huvipakkuva DNA molekuli massiline võimendamine.

Selle saavutamiseks kasutavad bioloogid DNA polümeraasi, mida soojus ei kahjusta (kõrge temperatuur on selle protsessi jaoks hädavajalik) molekuli võimendamiseks. Selle protsessi tulemus on suur hulk DNA molekule, mida saab kasutada erinevatel eesmärkidel.

Üks tehnika kõige silmapaistvamaid kliinilisi abivahendeid on selle kasutamine meditsiinilises diagnoosimises. Hiina Rahvavabariiki saab kasutada patogeensete bakterite ja viiruste esinemise kontrollimiseks patsientidel.

Antibiootikumid ja kasvajavastased ravimid

Märkimisväärne hulk ravimeid on mõeldud DNA replikatsiooni mehhanismide kärpimiseks patogeenses organismis, olgu see siis viirus või bakter..

Mõnes osas on sihtmärk DNA polümeraasi aktiivsuse inhibeerimine. Näiteks, kemoterapeutiline ravim tsütarabiin, mida nimetatakse ka tsütosiinarabinosiidiks, blokeerib DNA polümeraasi.

Viited

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... & Walter, P. (2015). Oluline rakubioloogia. Garland Science.
  2. Cann, I. K., ja Ishino, Y. (1999). Arheoloogiline DNA replikatsioon: osade tuvastamine puzzle lahendamiseks. Geneetika, 152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G. M., & Hausman, R. E. (2004). Rakk: molekulaarne lähenemine. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). DNA polümeraaside mitu funktsiooni. Kriitilised ülevaated taimeteadustes, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., & Kunkel, T. A. (2003). Eukarüootsete DNA polümeraaside funktsioonid. Teaduse SAGE KE, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T. A. (1999). DNA polümeraasid: struktuuriline mitmekesisus ja ühised mehhanismid. Journal of Biological Chemistry, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W. A., Pedersen, L. G., & Wilson, S. H. (2013). DNA polümeraasi arhitektuuri struktuurne võrdlus viitab nukleotiidide väravale polümeraasi aktiivsesse kohta. Keemilised ülevaated, 114(5), 2759-74.