DNA-POLYMERASE: TYPER, FUNKTION OG STRUKTUR - BIOLOGI - 2025

Den DNA-polymerase er et enzym, der er ansvarlig for at katalysere polymerisationen af nye DNA-streng under replikation af dette molekyle. Dets hovedfunktion er at parre triphosfatdeoxyribonukleotiderne med dem i skabelonkæden. Det er også involveret i DNA-reparation.

Dette enzym tillader den rigtige parring mellem DNA-baserne i skabelonkæden og den nye efter skemaet af A-par med T og G med C.

Struktur af DNA-polymerase beta hos mennesker.

Kilde: Yikrazuul, fra Wikimedia Commons

DNA-replikationsprocessen skal være effektiv og skal udføres hurtigt, så DNA-polymerase fungerer ved at tilsætte ca. 700 nukleotider pr. Sekund og kun gøre en fejl hver 10 ⁹ eller 10 ¹⁰ nukleotider inkorporeret.

Der er forskellige typer DNA-polymerase. Disse varierer i både eukaryoter og prokaryoter, og hver har en specifik rolle i DNA-replikation og -reparation.

Det er muligt, at en af ​​de første enzymer, der optrådte i evolutionen, var polymeraser, da evnen til præcist at replikere genomet er et iboende krav til udvikling af organismer.

Opdagelsen af ​​dette enzym krediteres Arthur Kornberg og hans kolleger. Denne forsker identificerede DNA-polymerase I (Pol I) i 1956, mens han arbejdede med Escherichia coli. Tilsvarende var det Watson og Crick, der foreslog, at dette enzym kunne fremstille tro kopier af DNA-molekylet.

typer

prokaryoter

Prokaryotiske organismer (organismer uden en ægte kerne, afgrænset af en membran) besidder tre vigtigste DNA-polymeraser, almindeligvis forkortet som pol I, II og III.

DNA-polymerase I deltager i DNA-replikation og -reparation og har exonucleaseaktivitet i begge retninger. Dette enzyms rolle i replikation betragtes som sekundær.

II deltager i DNA-reparation, og dens eksonukleaseaktivitet er i 3'-5'-forstand. III deltager i replikation og revision af DNA, og ligesom det foregående enzym udviser det exonukleaseaktivitet i 3'-5'-forstand.

eukaryoter

Eukaryoter (organismer med en ægte kerne, afgrænset af en membran) har fem DNA-polymeraser, navngivne med bogstaver i det græske alfabet: α, β, γ, δ og ε.

Polymerase γ er placeret i mitokondrierne og er ansvarlig for replikation af genetisk materiale i denne celleorganel. I modsætning hertil findes de andre fire i cellernes kerne og er involveret i nuklear DNA-replikation.

Α-, δ- og ε-varianterne er de mest aktive i celledelingsprocessen, hvilket antyder, at deres vigtigste funktion er forbundet med produktionen af ​​DNA-kopier.

DNA-polymerase β udviser på sin side toppe af aktivitet i celler, der ikke deler sig, så det antages, at dets hovedfunktion er forbundet med DNA-reparation.

Forskellige eksperimenter har været i stand til at verificere hypotesen om, at de for det meste forbinder a-, δ- og ε-polymeraser med DNA-replikation. Typerne y, δ og e viser 3'-5'-exonuclease-aktivitet.

Buer

Det er lykkedes med nye sekventeringsmetoder at identificere en lang række DNA-polymerasefamilier. I archaea er der specifikt identificeret en familie af enzymer, kaldet D-familien, som er unikke for denne gruppe af organismer.

Funktioner: DNA-replikation og -reparation

Hvad er DNA-replikation?

DNA er molekylet, der bærer al den genetiske information fra en organisme. Det består af et sukker, en nitrogenholdig base (adenin, guanin, cytosin og thymin) og en phosphatgruppe.

Under processerne med celledeling, som konstant forekommer, skal DNA kopieres hurtigt og præcist - specifikt i S-fasen af ​​cellecyklussen. Denne proces, hvor cellen kopierer DNA, kaldes replikation.

Strukturelt består DNA-molekylet af to strenge, der danner en helix. Under replikationsprocessen fungerer disse og hver fungerer som en skabelon til dannelse af et nyt molekyle. Således passerer de nye strenge til dattercellerne i processen med celledeling.

Da hver streng fungerer som en skabelon, siges DNA-replikation at være semikonservativ - ved afslutningen af ​​processen består det nye molekyle af en ny og en gammel streng. Denne proces blev beskrevet i 1958 af forskerne Meselson og Stahl ved hjælp af isopoter.

DNA-replikation kræver en række enzymer, der katalyserer processen. Blandt disse proteinmolekyler skiller DNA-polymerase sig ud.

Reaktion

For at DNA-syntese skal finde sted kræves de nødvendige substrater til processen: deoxyribonucleotid-triphosphat (dNTP)

Reaktionsmekanismen involverer et nukleofilt angreb fra hydroxylgruppen i 3'-enden af ​​den voksende streng på alfa-phosphatet af de komplementære dNTP'er, hvilket eliminerer et pyrophosphat. Dette trin er meget vigtigt, da energien til polymerisation kommer fra hydrolyse af dNTP'erne og det resulterende pyrophosphat.

Pol III eller alfa binder sig til primeren (se egenskaber ved polymeraser) og begynder at tilføje nukleotider. Epsilonen forlænger blykæden, og deltaet forlænger den forsinkede streng.

Egenskaber ved DNA-polymeraser

Alle kendte DNA-polymeraser deler to essentielle egenskaber forbundet med replikationsprocessen.

Først syntetiserer alle polymeraser DNA-strengen i 5'-3'-retningen, idet dNTP'erne tilsættes hydroxylgruppen i den voksende kæde.

For det andet kan DNA-polymeraser ikke begynde at syntetisere en ny streng fra bunden. De har brug for et yderligere element kendt som en primer eller primer, som er et molekyle, der består af et par nukleotider, der tilvejebringer en fri hydroxylgruppe, hvor polymerasen kan forankre og begynde sin aktivitet.

Dette er en af ​​de grundlæggende forskelle mellem DNA og RNA-polymeraser, da sidstnævnte er i stand til at indlede syntese af en de novo-kæde.

Fragmenter af Okazaki

Den første egenskab ved DNA-polymeraser nævnt i det foregående afsnit repræsenterer en komplikation til semikonservativ replikation. Idet de to DNA-strenge kører antiparallelt, syntetiseres en af ​​dem diskontinuerligt (den, der skulle syntetiseres i 3'-5'-forstand).

I den forsinkede streng forekommer diskontinuerlig syntese gennem den normale aktivitet af polymerasen, 5'-3 ', og de resulterende fragmenter - kendt i litteraturen som Okazaki-fragmenter - er forbundet med et andet enzym, ligase.

DNA-reparation

DNA udsættes konstant for faktorer, både endogene og eksogene, der kan skade det. Disse skader kan blokere replikation og ophobes, hvilket påvirker ekspressionen af ​​gener og forårsager problemer i de forskellige cellulære processer.

Ud over sin rolle i DNA-replikeringsprocessen er polymerase også en nøglekomponent i DNA-reparationsmekanismer. De kan også fungere som sensorer i cellecyklussen, der forhindrer adgang til opdelingsfasen, hvis DNA er beskadiget.

Struktur

I øjeblikket takket være krystallografistudier er strukturer af forskellige polymeraser blevet belyst. Baseret på deres primære sekvens grupperes polymeraser i familier: A, B, C, X og Y.

Nogle aspekter er fælles for alle polymeraser, især dem, der er relateret til enzymets katalytiske centre.

Disse inkluderer to aktive aktive steder, der har metalioner, med to aspartatrester og en variabel rest - enten aspartat eller glutamat, der koordinerer metallerne. Der er en anden række ladede rester, der omgiver det katalytiske centrum og konserveres i de forskellige polymeraser.

I prokaryoter er DNA-polymerase I et 103 kd polypeptid, II er et 88 kd polypeptid, og III består af ti underenheder.

I eukaryoter er enzymerne større og mere komplekse: a består af fem enheder, β og γ af en underenhed, δ af to underenheder og ε på 5.

Applikationer

Kina

Polymerasekædereaktionen (PRC) er en metode, der anvendes i alle molekylærbiologilaboratorier, takket være dens anvendelighed og enkelhed. Målet med denne metode er at massivt amplificere et DNA-molekyle af interesse.

For at opnå dette bruger biologer en DNA-polymerase, der ikke er beskadiget af varme (høje temperaturer er vigtige for denne proces) for at amplificere molekylet. Resultatet af denne proces er et stort antal DNA-molekyler, der kan bruges til forskellige formål.

En af de mest fremragende kliniske værktøjer ved teknikken er dens anvendelse i medicinsk diagnose. PRC kan bruges til at kontrollere patienter for patogene bakterier og vira.

Antibiotika og antitumormedicin

Et betydeligt antal medikamenter sigter mod at beskære mekanismerne til DNA-replikation i den patogene organisme, det være sig en virus eller en bakterie.

I noget af dette er målet inhibering af DNA-polymeraseaktivitet. F.eks. Deaktiverer det kemoterapeutiske lægemiddel cytarabin, også kaldet cytosin arabinosid, DNA-polymerase.

Referencer

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Væsentlig cellebiologi. Garland Science.
2. Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Archaeal DNA-replikation: identificering af brikkerne for at løse et puslespil. Genetik, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). Cellen: Molekylær tilgang. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Flere funktioner af DNA-polymeraser. Kritiske anmeldelser inden for plantevidenskab, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Funktioner af eukaryote DNA-polymeraser. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA-polymeraser: strukturel mangfoldighed og fælles mekanismer. Journal of Biologisk Kemi, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013). Strukturel sammenligning af DNA-polymerasearkitektur antyder en nukleotidport til det aktive polymerase. Chemical Reviews, 114 (5), 2759-74.