Типове, функция и структура на ДНК полимераза



на ДНК полимераза е ензим, който е отговорен за катализиране на полимеризацията на новата верига на ДНК по време на репликацията на тази молекула. Неговата основна функция е да свърже дезоксирибонуклеотидните трифосфати с тези на матричната верига. Той също така участва в ремонта на ДНК.

Този ензим позволява правилното съответствие между ДНК основите на веригата на формата и новата, следвайки схемата на А, която се съчетава с Т, и G с С.

Процесът на репликация на ДНК трябва да бъде ефективен и трябва да се извършва бързо, така че ДНК полимеразата действа чрез добавяне на около 700 нуклеотида в секунда и само прави грешка на всеки 109 или 1010 вградени нуклеотиди.

Има различни видове ДНК полимераза. Те се различават както в еукариотите, така и в прокариотите, като всяка от тях има специфична роля в репликацията и възстановяването на ДНК..

Възможно е един от първите ензими да се появят в еволюцията са полимерази, тъй като способността за точно възпроизвеждане на генома е присъщо изискване за развитието на организми..

Откриването на този ензим се дължи на Артър Корнберг и неговите колеги. Този изследовател идентифицира ДНК полимераза I (Pol I) през 1956 г., докато работи Escherichia coli. По същия начин Уотсън и Крик предложиха този ензим да произведе верни копия на ДНК молекулата.

индекс

  • 1 Видове
    • 1.1 Прокариоти
    • 1.2 Еукариоти
    • 1.3 Арки
  • 2 Функции: репликация и възстановяване на ДНК
    • 2.1 Какво е репликация на ДНК?
    • 2.2 Реакция
    • 2.3 Свойства на ДНК полимеразите
    • 2.4 Фрагменти от Оказаки
    • 2.5 Ремонт на ДНК
  • 3 Структура
  • 4 Приложения
    • 4.1 КНР
    • 4.2 Антибиотици и антитуморни лекарства
  • 5 Препратки

тип

прокариоти

Прокариотните организми (организми без истинско ядро, ограничени от мембрана) притежават три основни ДНК полимерази, обикновено съкратени като pol I, II и III.

ДНК полимераза I участва в репликацията и възстановяването на ДНК и притежава екзонуклеазна активност в двете посоки. Счита се, че ролята на този ензим в репликацията е вторична.

II участва в ремонта на ДНК и неговата екзонуклеазна активност е в посока 3'-5 '. III участва в репликацията и ревизията на ДНК и подобно на предишния ензим, представя екзонуклеазната активност в посока 3'-5 '.

еукариотната

Еукариотите (организми с истинско ядро, ограничени с мембрана) притежават пет ДНК полимерази, деноминирани с букви от гръцката азбука: α, β, γ, δ и ε..

У-полимеразата е разположена в митохондриите и е отговорна за репликацията на генетичния материал в тази клетъчна органела. Обратно, останалите четири се намират в ядрото на клетките и участват в репликацията на ядрена ДНК.

Вариантите α, δ и ε са най-активни в процеса на клетъчно делене, което предполага, че тяхната основна функция е свързана с производството на ДНК копия.

От друга страна, ДНК полимеразата β представя пикове на активност в клетките, които не се делят, причината, поради която се приема, че основната му функция е свързана с възстановяването на ДНК..

Различни експерименти са в състояние да проверят хипотезата, че те асоциират предимно полимерази α, δ и ε с ДНК репликация. Типовете y, 8 и ε показват 3'-5 'екзонуклеазна активност.

архибактерии

Новите методи за секвениране са успели да идентифицират огромно разнообразие от семейства на ДНК полимерази. В археите, по-специално, ние идентифицирахме семейство ензими, наречено семейство D, които са уникални за тази група организми..

Функции: репликация и възстановяване на ДНК

Какво е репликация на ДНК?

ДНК е молекулата, която носи цялата генетична информация на организма. Състои се от захар, азотна основа (аденин, гуанин, цитозин и тимин) и фосфатна група.

По време на процесите на клетъчно деление, които непрекъснато се случват, ДНК трябва да бъде копирана бързо и точно - по-специално в S фазата на клетъчния цикъл. Този процес, при който клетката копира ДНК, е известен като репликация.

Структурно ДНК молекулата се формира от две нишки, образувайки спирала. По време на процеса на репликация те се разделят и всеки действа като нрав за образуването на нова молекула. По този начин новите нишки преминават към дъщерни клетки в процеса на клетъчно делене.

Тъй като всяка верига е закалена, се казва, че ДНК репликацията е полуконсервативна - в края на процеса новата молекула се състои от нова нишка и стара верига. Този процес е описан през 1958 г. от изследователите Мезелсън и Щал, използвайки изофотографии.

Репликацията на ДНК изисква серия от ензими, които катализират процеса. Сред тези протеинови молекули се откроява ДНК полимераза.

реакция

За да се получи синтез на ДНК, са необходими необходимите субстрати за процеса: дезоксирибонуклеотид трифосфатите (dNTP)

Механизмът на реакцията включва нуклеофилна атака на хидроксилната група в 3 'края на растящата верига в алфа фосфата на комплементарния dNTP, елиминирайки пирофосфат. Този етап е много важен, тъй като енергията за полимеризацията идва от хидролизата на dNTP и полученият пирофосфат.

Пол III или алфа се свързва с първия (виж свойствата на полимеразите) и започва да добавя нуклеотидите. Епсилонът удължава водещата верига и делтата удължава забавената верига.

Свойства на ДНК полимерази

Всички известни ДНК полимерази споделят две съществени свойства, свързани с процеса на репликация.

Първо, всички полимерази синтезират ДНК веригата в посока 5'-3 ', като добавят dNTP към хидроксилната група на растящата верига..

Второ, ДНК полимеразите не могат да започнат да синтезират нова верига от нищо. Те се нуждаят от допълнителен елемент, известен като праймер или праймер, който е молекула, образувана от няколко нуклеотида, която дава свободна хидроксилна група, където полимеразата може да закотви и започне своята активност.

Това е една от основните разлики между ДНК и РНК полимерази, тъй като последната е способна да инициира синтеза на верига de novo.

Фрагменти от Оказаки

Първото свойство на ДНК полимеразите, споменати в предишния раздел, е усложнение за полуконсервативната репликация. Тъй като двете вериги на ДНК протичат по антипаралелен начин, единият от тях се синтезира по прекъснат начин (който трябва да се синтезира в посока 3'-5 ')..

В забавената верига, прекъснатият синтез се осъществява посредством нормалната активност на полимеразата, 5'-3 ', и получените фрагменти - известни в литературата като Okazaki фрагменти - са свързани с друг ензим, лигаза.

Ремонт на ДНК

ДНК е постоянно изложена на фактори, както ендогенни, така и екзогенни, които могат да я увредят. Тези увреждания могат да блокират репликацията и да се натрупат, така че да повлияят на експресията на гените, създавайки проблеми в различните клетъчни процеси..

В допълнение към ролята си в процеса на репликация на ДНК, полимеразата е също ключов компонент на механизмите за възстановяване на ДНК. Те могат също така да действат като сензори в клетъчния цикъл, които предотвратяват навлизането в фазата на разделяне, ако ДНК е повредена.

структура

Понастоящем благодарение на изследванията на кристалографията е възможно да се изяснят структурите на различни полимерази. Въз основа на тяхната първична последователност, полимеразите са групирани в семейства: А, В, С, X и Y.

Някои аспекти са общи за всички полимерази, особено тези, свързани с каталитичните центрове на ензима.

Те включват два ключови активни центъра, които имат метални йони, с два аспартатни остатъка и променлив остатък - аспартат или глутамат, който координира металите. Има друга серия от заредени остатъци, които заобикалят каталитичния център и са запазени в различните полимерази.

В прокариотите, ДНК полимераза I е 103 kd полипептид, II е 88 kd полипептид и III е съставена от десет субединици.

При еукариотите ензимите са по-големи и по-сложни: α се формира от пет единици, β и γ от субединица, δ от две субединици и ε с 5..

приложения

PRC

Полимеразната верижна реакция (PRC) е метод, използван във всички лаборатории за молекулярна биология, благодарение на неговата полезност и простота. Целта на този метод е масово да се амплифицира интересуващата ни молекула на ДНК.

За да постигнат това, биолозите използват ДНК полимераза, която не е повредена от топлина (високи температури са необходими за този процес), за да се усили молекулата. Резултатът от този процес е голям брой ДНК молекули, които могат да бъдат използвани за различни цели.

Една от най-забележителните клинични приложения на техниката е нейната употреба в медицинската диагноза. КНР може да се използва за проверка на наличието на патогенни бактерии и вируси при пациенти.

Антибиотици и антитуморни лекарства

Значителен брой лекарства са насочени към съкращаване на механизмите на репликация на ДНК в патогенния организъм, било то вирус или бактерия..

В някои от тях целта е инхибирането на активността на ДНК полимеразата. Например, химиотерапевтичното лекарство цитарабин, също наречено цитозин арабинозид, забранява ДНК полимеразата.

препратки

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... & Walter, P. (2015). Съществена клетъчна биология. Garland Science.
  2. Cann, I. K., & Ishino, Y. (1999). Археална ДНК репликация: идентифициране на парчетата за решаване на пъзел. генетика, 152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G. M., & Hausman, R. E. (2004). Клетката: Молекулен подход. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Множествени функции на ДНК полимерази. Критични прегледи в растителните науки, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., & Kunkel, T. A. (2003). Функции на еукариотни ДНК полимерази. Науката SAGE KE, 2003(8), 3.
  6. Steitz, Т. A. (1999). ДНК полимерази: структурно разнообразие и общи механизми. Вестник по биологична химия, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W.A., Pedersen, L.G. & Wilson, S.H. (2013). Структурното сравнение на ДНК-полимеразната архитектура предполага нуклеотиден портал към полимеразната активна зона. Химически прегледи, 114(5), 2759-74.