Typy, funkce a struktura DNA polymeráz

1443
David Holt

The DNA polymeráza Jedná se o enzym, který je zodpovědný za katalýzu polymerace nového řetězce DNA během replikace této molekuly. Jeho hlavní funkcí je spárovat trifosfát deoxyribonukleotidy s těmi z templátového řetězce. Podílí se také na opravách DNA.

Tento enzym umožňuje správné párování mezi bázemi DNA templátového řetězce a novým, podle schématu A se páruje s T a G s C.

Struktura DNA polymerázy beta u lidí.
Zdroj: Yikrazuul [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], z Wikimedia Commons

Proces replikace DNA musí být účinný a musí být proveden rychle, takže DNA polymeráza funguje přidáním asi 700 nukleotidů za sekundu a každých 10 chyb udělá pouze jednu chybu9 nebo 1010 začleněné nukleotidy.

Existují různé typy DNA polymerázy. Ty se liší jak u eukaryot, tak u prokaryot a každý z nich má specifickou roli v replikaci a opravě DNA..

Je možné, že jedním z prvních enzymů, které se objevily v evoluci, byly polymerázy, protože schopnost přesně replikovat genom je základním požadavkem pro vývoj organismů..

Objev tohoto enzymu je připisován Arthurovi Kornbergovi a jeho kolegům. Tento výzkumník identifikoval DNA polymerázu I (Pol I) v roce 1956 při práci s Escherichia coli. Podobně to byl Watson a Crick, kteří navrhli, aby tento enzym mohl produkovat věrné kopie molekuly DNA..

Rejstřík článků

  • 1 typů
    • 1.1 Prokaryotes
    • 1.2 Eukaryoty
    • 1.3 Oblouky
  • 2 Funkce: replikace a opravy DNA
    • 2.1 Co je replikace DNA?
    • 2.2 Reakce
    • 2.3 Vlastnosti DNA polymeráz
    • 2.4 Fragmenty Okazaki
    • 2.5 Oprava DNA
  • 3 Struktura
  • 4 Aplikace
    • 4.1 ČLR
    • 4.2 Antibiotika a protinádorové léky
  • 5 Reference

Typy

Prokaryotes

Prokaryotické organismy (organismy bez skutečného jádra ohraničené membránou) mají tři hlavní DNA polymerázy, běžně zkrácené jako pol I, II a III.

DNA polymeráza I se podílí na replikaci a opravě DNA a má aktivitu exonukleázy v obou směrech. Role tohoto enzymu v replikaci je považována za sekundární.

II se účastní opravy DNA a její aktivita exonukleázy je ve smyslu 3'-5 '. III se podílí na replikaci a revizi DNA a stejně jako předchozí enzym má aktivitu exonukleázy ve smyslu 3'-5 '.

Eukaryoty

Eukaryota (organismy se skutečným jádrem, ohraničené membránou) mají pět DNA polymeráz pojmenovaných písmeny řecké abecedy: α, β, γ, δ a ε.

Polymeráza γ se nachází v mitochondriích a je odpovědná za replikaci genetického materiálu v této buněčné organele. Naproti tomu další čtyři se nacházejí v jádru buněk a podílejí se na replikaci nukleární DNA..

Varianty α, δ a ε jsou nejaktivnější v procesu dělení buněk, což naznačuje, že jejich hlavní funkce je spojena s produkcí kopií DNA..

DNA polymeráza β naopak vykazuje vrcholy aktivity v buňkách, které se nedělí, takže se předpokládá, že její hlavní funkce je spojena s opravou DNA..

Různým experimentům se podařilo ověřit hypotézu, že spojují většinou polymerázy α, δ a ε s replikací DNA. Typy y, δ a ε mají 3'-5 'exonukleázovou aktivitu.

Oblouky

Nové metody sekvenování úspěšně identifikovaly obrovskou škálu rodin DNA polymeráz. V archaei byla konkrétně identifikována rodina enzymů nazývaná rodina D, které jsou pro tuto skupinu organismů jedinečné..

Funkce: replikace a opravy DNA

Co je replikace DNA?

DNA je molekula, která nese všechny genetické informace organismu. Skládá se z cukru, dusíkaté báze (adenin, guanin, cytosin a thymin) a fosfátové skupiny.

Během procesů dělení buněk, které neustále probíhají, musí být DNA kopírována rychle a přesně - konkrétně v S fázi buněčného cyklu. Tento proces, při kterém buňka kopíruje DNA, se nazývá replikace.

Strukturálně je molekula DNA složena ze dvou řetězců, které tvoří spirálu. Během procesu replikace se tyto oddělují a každá z nich funguje jako šablona pro tvorbu nové molekuly. Nová vlákna tak procházejí do dceřiných buněk v procesu buněčného dělení..

Protože každé vlákno slouží jako templát, říká se, že replikace DNA je semikonzervativní - na konci procesu se nová molekula skládá z nového a starého vlákna. Tento proces popsali v roce 1958 vědci Meselson a Stahl pomocí izopotů.

Replikace DNA vyžaduje řadu enzymů, které katalyzují proces. Mezi těmito molekulami proteinů vyniká DNA polymeráza.

Reakce

K tomu, aby došlo k syntéze DNA, jsou pro proces nutné nezbytné substráty: deoxyribonukleotid trifosfát (dNTP)

Reakční mechanismus zahrnuje nukleofilní útok hydroxylové skupiny na 3 'konci rostoucího řetězce na alfa fosfát komplementárních dNTP, čímž se eliminuje pyrofosfát. Tento krok je velmi důležitý, protože energie pro polymeraci pochází z hydrolýzy dNTP a výsledného pyrofosfátu..

Pol III nebo alfa se váže na primer (viz vlastnosti polymeráz) a začíná přidávat nukleotidy. Epsilon prodlužuje olověný řetěz a delta prodlužuje retardovaný pramen.

Vlastnosti DNA polymeráz

Všechny známé DNA polymerázy mají dvě základní vlastnosti spojené s replikačním procesem.

Nejprve všechny polymerázy syntetizují řetězec DNA ve směru 5'-3 'a přidávají dNTP k hydroxylové skupině rostoucího řetězce..

Zadruhé, DNA polymerázy nemohou začít syntetizovat nový řetězec ze vzduchu. Potřebují další prvek známý jako primer nebo primer, což je molekula složená z několika nukleotidů, která poskytuje volnou hydroxylovou skupinu, kde se polymeráza může sama ukotvit a zahájit svoji aktivitu..

To je jeden ze základních rozdílů mezi DNA a RNA polymerázami, protože ta je schopna zahájit syntézu řetězce de novo.

Fragmenty Okazaki

První vlastnost DNA polymeráz uvedená v předchozí části představuje komplikaci pro semi-konzervativní replikaci. Protože dva řetězce DNA běží antiparalelně, jeden z nich je syntetizován diskontinuálně (ten, který by musel být syntetizován ve směru 3'-5 ').

V opožděném řetězci dochází k diskontinuální syntéze prostřednictvím normální aktivity polymerázy, 5'-3 ', a výsledné fragmenty - v literatuře známé jako fragmenty Okazaki - jsou spojeny jiným enzymem, ligázou.

Oprava DNA

DNA je neustále vystavena faktorům, endogenním i exogenním, které ji mohou poškodit. Tato poškození mohou blokovat replikaci a hromadit se, ovlivňovat expresi genů a vytvářet problémy v různých buněčných procesech.

Kromě své role v procesu replikace DNA je polymeráza také klíčovou složkou mechanismů opravy DNA. Mohou také působit jako senzory v buněčném cyklu, které zabraňují vstupu do fáze dělení, pokud je DNA poškozena..

Struktura

V současné době jsou díky krystalografickým studiím objasněny struktury různých polymeráz. Na základě jejich primární sekvence jsou polymerázy seskupeny do rodin: A, B, C, X a Y..

Některé aspekty jsou společné pro všechny polymerázy, zejména ty, které se týkají katalytických center enzymu.

Patří mezi ně dvě klíčová aktivní místa, která obsahují ionty kovů, se dvěma zbytky aspartátu a jedním variabilním zbytkem - buď aspartát nebo glutamát, které koordinují kovy. Existuje další řada nabitých zbytků, které obklopují katalytické centrum a jsou konzervovány v různých polymerázách.

U prokaryot je DNA polymeráza I 103 kd polypeptid, II 88 kd polypeptid a III sestává z deseti podjednotek..

V eukaryotech jsou enzymy větší a složitější: α je tvořeno pěti jednotkami, β a γ jedné podjednotky, δ dvou podjednotek a ε 5..

Aplikace

PRC

Polymerázová řetězová reakce (PRC) je metoda používaná ve všech laboratořích molekulární biologie díky své užitečnosti a jednoduchosti. Cílem této metody je masivně amplifikovat požadovanou molekulu DNA.

K dosažení tohoto cíle používají biologové k amplifikaci molekuly DNA polymerázu, která není poškozena teplem (pro tento proces jsou zásadní vysoké teploty). Výsledkem tohoto procesu je velké množství molekul DNA, které lze použít pro různé účely..

Jedním z nejvýznamnějších klinických nástrojů této techniky je její použití v lékařské diagnostice. PRC lze použít ke kontrole pacientů na přítomnost patogenních bakterií a virů..

Antibiotika a protinádorové léky

Značný počet léků je zaměřen na zkrácení mechanismů replikace DNA v patogenním organismu, ať už jde o virus nebo bakterii..

V některých z nich je cílem inhibice aktivity DNA polymerázy. Například chemoterapeutický lék cytarabin, nazývaný také cytosin arabinosid, deaktivuje DNA polymerázu.

Reference

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A. D., Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Základní buněčná biologie. Věnec věnec.
  2. Cann, I. K., & Ishino, Y. (1999). Archaealová replikace DNA: identifikace dílků k vyřešení hádanky. Genetika152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G. M. a Hausman, R. E. (2004). Buňka: Molekulární přístup. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Mnoho funkcí DNA polymeráz. Kritické recenze v rostlinných vědách26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., & Kunkel, T. A. (2003). Funkce eukaryotických DNA polymeráz. Věda je SAGE KE2003(8), 3.
  6. Steitz, T. A. (1999). DNA polymerázy: strukturální rozmanitost a společné mechanismy. Journal of Biological Chemistry274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W. A., Pedersen, L. G. a Wilson, S. H. (2013). Strukturální srovnání architektury DNA polymerázy naznačuje nukleotidovou bránu do aktivního místa polymerázy. Chemické recenze114(5), 2759-74.

Zatím žádné komentáře