Typy, funkce a struktura DNA polymerázy



DNA polymeráza je enzym, který je zodpovědný za katalyzování polymerace nového řetězce DNA během replikace této molekuly. Jeho hlavní funkcí je shoda s deoxyribonukleotid trifosfáty s templátem templátového řetězce. Podílí se také na opravách DNA.

Tento enzym umožňuje správný soulad mezi DNA bázemi řetězce řetězce a novým, podle schématu A párů s T a G s C.

Proces replikace DNA musí být účinný a musí být prováděn rychle, takže DNA polymeráza působí přidáním přibližně 700 nukleotidů za sekundu a provádí chybu pouze každých 109 nebo 1010 vložené nukleotidy.

Existují různé typy DNA polymerázy. Ty se liší jak v eukaryotech, tak v prokaryotech, a každá z nich má specifickou úlohu v replikaci a opravách DNA..

Je možné, že jeden z prvních enzymů, které se objevují v evoluci, byly polymerázy, protože schopnost replikace genomu přesně odpovídá požadavkům na vývoj organismů..

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

Index

  • 1 Typy
    • 1.1 Prokaryoty
    • 1.2 Eukaryoty
    • 1.3 Oblouky
  • 2 Funkce: replikace a opravy DNA
    • 2.1 Co je to 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 protinádorová léčiva
  • 5 Odkazy

Typy

Prokaryoty

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 exonukleázovou aktivitu v obou směrech. Má se za to, že úloha tohoto enzymu v replikaci je sekundární.

II se podílí na opravě DNA a její exonukleázová aktivita je ve směru 3'-5 '. III se podílí na replikaci a revizi DNA a podobně jako předchozí enzym představuje exonukleázovou aktivitu ve směru 3'-5 '.

Eukaryoty

Eukaryotes (organismy s opravdovým jádrem, ohraničený membránou) mít pět DNA polymerases, označený s písmeny řecké abecedy: α, β, γ, δ a ε \ t.

Polymeráza y se nachází v mitochondriích a je zodpovědná za replikaci genetického materiálu v této buněčné organele. Oproti tomu ostatní čtyři se nacházejí v jádře buněk a podílejí se na replikaci jaderné DNA.

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

DNA polymeráza β na druhé straně představuje píky aktivity v buňkách, které se nerozdělují, důvod, proč se předpokládá, že její hlavní funkce je spojena s opravou DNA.

Různé experimenty dokázaly ověřit hypotézu, že spojují hlavně polymerázy α, δ a ε s replikací DNA. Typy y, 5 a e vykazují 3'-5 'exonukleázovou aktivitu.

Oblouky

Novým metodám sekvenování se podařilo identifikovat velké množství rodin polymeráz DNA. V archaea, konkrétně, jsme identifikovali rodinu enzymů, tzv. Rodina D, které jsou jedinečné pro tuto skupinu organismů.

Funkce: replikace a opravy DNA

Co je to 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 buněčného dělení, které se neustále vyskytují, musí být DNA rychle a přesně kopírována - konkrétně ve fázi S buněčného cyklu. Tento proces, kdy buňka kopíruje DNA, je znám jako replikace.

Strukturně je molekula DNA tvořena dvěma vlákny, které tvoří spirálu. Během procesu replikace jsou tyto separovány a každý z nich působí jako tempera pro tvorbu nové molekuly. Nové řetězce tedy přecházejí do dceřiných buněk v procesu buněčného dělení.

Protože každé vlákno je zmírněno, je řečeno, že replikace DNA je polokonzervativní - na konci procesu se nová molekula skládá z nového řetězce a starého řetězce. Tento proces byl popsán v roce 1958 vědci Meselson a Stahl, pomocí isophotos.

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

Reakce

Pro syntézu DNA jsou nezbytné nezbytné substráty pro tento proces: trioxyfosfáty deoxyribonukleotidu (dNTP)

Mechanismus reakce zahrnuje nukleofilní atak hydroxylové skupiny na 3 'konci rostoucího řetězce v alfa fosfátu komplementárního 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 spojuje první (viz vlastnosti polymeráz) a začíná přidávat nukleotidy. Epsilon prodlužuje vedoucí řetězec a delta prodlužuje opožděný řetězec.

Vlastnosti DNA polymeráz

Všechny známé DNA polymerázy sdílejí dvě základní vlastnosti spojené s procesem replikace.

Za prvé, všechny polymerázy syntetizují DNA řetězec ve směru 5'-3 ', přidáním dNTP k hydroxylové skupině rostoucího řetězce.

Za druhé, DNA polymerázy nemohou začít syntetizovat nový řetězec z ničeho. Potřebují další prvek známý jako primer nebo primer, což je molekula tvořená několika nukleotidy, která dává volnou hydroxylovou skupinu, kde polymeráza může kotvit a zahájit svou aktivitu..

To je jeden ze základních rozdílů mezi DNA a RNA polymerázami, protože tyto jsou schopny iniciovat syntézu řetězce de novo.

Fragmenty Okazaki

První vlastnost DNA polymeráz zmíněných v předchozí části je komplikací pro polokonzervativní replikaci. Jak dva řetězce DNA běží v antiparalelním způsobem, jeden z nich je syntetizován diskontinuálním způsobem (který by musel být syntetizován ve směru 3'-5 ') \ t.

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

Oprava DNA

DNA je neustále vystavena faktorům, endogenním i exogenním, které ji mohou poškodit. Tyto škody mohou blokovat replikaci a hromadit se tak, že ovlivňují expresi genů a generují problémy v různých buněčných procesech.

Kromě své úlohy 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 bylo díky studiím krystalografie možné objasnit struktury různých polymeráz. Na základě jejich primární sekvence jsou polymerázy seskupeny do skupin: A, B, C, X a Y.

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

Ty zahrnují dvě klíčová aktivní místa, která mají kovové ionty, se dvěma aspartátovými zbytky a variabilním zbytkem - buď aspartátem nebo glutamátem, který koordinuje kovy. Existuje další série nabitých zbytků, které obklopují katalytické centrum a jsou konzervovány v různých polymerázách.

V prokaryotech je DNA polymeráza I 103 kd polypeptid, II je 88 kd polypeptid a III je složen z deseti podjednotek.

U eukaryot jsou enzymy větší a komplexnější: α je tvořeno pěti jednotkami, β a γ podjednotkou, ô dvěma podjednotkami a ε 5..

Aplikace

ČLR

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 biologové používají DNA polymerázu, která není poškozena teplem (vysoké teploty jsou pro tento proces nepostradatelné) k zesílení molekuly. Výsledkem tohoto procesu je vysoký počet molekul DNA, které mohou být použity pro různé účely.

Jedním z nejvýraznějších klinických nástrojů této techniky je její použití v lékařské diagnóze. PRC může být použit pro kontrolu přítomnosti patogenních bakterií a virů u pacientů.

Antibiotika a protinádorová léčiva

Významný 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, také nazývaný cytosinový arabinosid, zakazuje DNA polymerázu.

Odkazy

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... & Walter, P. (2015). Základní buněčná biologie. Garland věda.
  2. Cann, I. K., & Ishino, Y. (1999). Archaeal DNA replikace: identifikace kusů vyřešit puzzle. Genetika, 152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G.M., & Hausman, R.E. (2004). Buňka: Molekulární přístup. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Více funkcí DNA polymeráz. Kritická hodnocení věd o rostlinách, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., & Kunkel, T. A. (2003). Funkce eukaryotických DNA polymeráz. Science SAGE KE, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T. A. (1999). DNA polymerázy: strukturní diverzita a společné mechanismy. Žurnál biologické chemie, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W. A., Pedersen, L.G., & Wilson, S. H. (2013). Strukturní srovnání DNA polymerázové architektury navrhuje nukleotidovou bránu do polymerázově aktivního místa. Chemická hodnocení, 114(5), 2759-74.