DNS POLIMERĀZE: VEIDI, FUNKCIJA UN STRUKTŪRA - BIOLOĢIJA - 2025

DNS polimerāze ir ferments, kas ir atbildīgs par katalizēt polimerizēšanu jauno DNS praimera pavedienu replikāciju šīs molekulas laikā. Tās galvenā funkcija ir savienot pārus trifosfāta dezoksiribonukleotīdus ar šablona ķēdes savienojumiem. Tas ir iesaistīts arī DNS remontā.

Šis enzīms ļauj pareizi sapārot šablona ķēdes DNS bāzes un jauno, sekojot shēmai A pāri ar T un G ar C.

Beta DNS polimerāzes struktūra cilvēkiem.
Avots: Yikrazuul, no Wikimedia Commons

DNS replikācijas procesam jābūt efektīvam un jāveic ātri, tāpēc DNS polimerāze darbojas, pievienojot apmēram 700 nukleotīdus sekundē, un tā dara tikai vienu kļūdu ik pēc 10 ⁹ vai 10 ¹⁰ iekļautajiem nukleotīdiem.

Ir dažādi DNS polimerāzes veidi. Tie atšķiras gan eikariotos, gan prokariotos, un katram ir īpaša loma DNS replikācijā un atjaunošanā.

Iespējams, ka viens no pirmajiem fermentiem, kas parādījās evolūcijā, bija polimerāzes, jo spēja precīzi replicēt genomu ir būtiska prasība organismu attīstībai.

Šī fermenta atklāšana tiek ieskaitīta Artūram Kornbergam un viņa kolēģiem. Šis pētnieks identificēja DNS polimerāzi I (Pol I) 1956. gadā, strādājot ar Escherichia coli. Līdzīgi tas bija Vatsons un Kriks, kas ierosināja, ka šis ferments varētu ražot uzticamas DNS molekulas kopijas.

Veidi

Prokarioti

Prokariotu organismiem (organismiem bez īsta kodola, ko ierobežo membrāna) ir trīs galvenās DNS polimerāzes, ko parasti saīsina kā I, II un III.

I DNS polimerāze piedalās DNS replikācijā un labošanā, un tai ir eksonukleāzes aktivitāte abos virzienos. Šī fermenta loma replikācijā tiek uzskatīta par sekundāru.

II piedalās DNS remontā, un tā eksonukleāzes aktivitāte ir 3'-5 'nozīmē. III piedalās DNS replikācijā un revīzijā, un tāpat kā iepriekšējais enzīms uzrāda eksonukleāzes aktivitāti 3'-5 'nozīmē.

Eikarioti

Eikariotiem (organismiem ar īstu kodolu, norobežotiem ar membrānu) ir piecas DNS polimerāzes, kuras nosauktas ar grieķu alfabēta burtiem: α, β, γ, δ un ε.

Polimerāze γ atrodas mitohondrijos un ir atbildīga par ģenētiskā materiāla replikāciju šīs šūnas organellā. Turpretī pārējie četri atrodas šūnu kodolā un ir iesaistīti kodola DNS replikācijā.

Šūnu dalīšanas procesā visaktīvākie ir α, δ un ε varianti, kas liecina, ka to galvenā funkcija ir saistīta ar DNS kopiju ražošanu.

Savukārt DNS polimerāze β uzrāda aktivitātes maksimumus šūnās, kuras nesadalās, tāpēc tiek pieņemts, ka tās galvenā funkcija ir saistīta ar DNS atjaunošanu.

Dažādi eksperimenti ir spējuši pārbaudīt hipotēzi, ka α, δ un ε polimerāzes lielākoties asociējas ar DNS replikāciju. Γ, δ un ε tipi parāda 3'-5 'eksonukleāzes aktivitāti.

Arkas

Ar jaunām sekvencēšanas metodēm ir izdevies identificēt ļoti dažādas DNS polimerāžu grupas. Konkrēti arhajā ir identificēta enzīmu saime, ko sauc par D saimi un kas ir unikāli šai organismu grupai.

Funkcijas: DNS replikācija un labošana

Kas ir DNS replikācija?

DNS ir molekula, kas nes visu organisma ģenētisko informāciju. To veido cukurs, slāpekļa bāze (adenīns, guanīns, citozīns un timīns) un fosfātu grupa.

Šūnu dalīšanas procesu laikā, kas notiek nepārtraukti, DNS ir jākopē ātri un precīzi - īpaši šūnu cikla S fāzē. Šis process, kurā šūna kopē DNS, ir pazīstams kā replikācija.

Strukturāli DNS molekulu veido divi virzieni, veidojot spirāli. Replikācijas procesa laikā šie atsevišķi un katrs darbojas kā paraugs jaunas molekulas veidošanai. Tādējādi jaunās šķipsnas pāriet meitas šūnās šūnu dalīšanas procesā.

Tā kā katra virkne kalpo kā veidne, DNS replikācija tiek uzskatīta par daļēji konservatīvu - procesa beigās jaunā molekula sastāv no jaunas un vecas virknes. Šo procesu 1958. gadā aprakstīja pētnieki Meselsons un Štāls, izmantojot izopotes.

DNS replikācijai ir nepieciešama virkne enzīmu, kas katalizē procesu. Starp šīm olbaltumvielu molekulām izceļas DNS polimerāze.

Reakcija

Lai notiktu DNS sintēze, nepieciešami procesam nepieciešamie substrāti: dezoksiribonukleotīda trifosfāts (dNTP)

Reakcijas mehānisms ietver nukleofīlu hidroksilgrupas uzbrukumu augošās šķipsnas 3 'galā uz komplementāro dNTP alfa fosfātu, izslēdzot pirofosfātu. Šis solis ir ļoti svarīgs, jo polimerizācijas enerģija nāk no dNTP un iegūtā pirofosfāta hidrolīzes.

Pol III vai alfa saistās ar grunti (sk. Polimerāžu īpašības) un sāk pievienot nukleotīdus. Epsilons pagarina svina ķēdi, un delta pagarina aizkavēto virkni.

DNS polimerāžu īpašības

Visām zināmajām DNS polimerāzēm ir divas būtiskas īpašības, kas saistītas ar replikācijas procesu.

Vispirms visas polimerāzes sintezē DNS virkni 5'-3 'virzienā, pievienojot dNTPs augošās ķēdes hidroksilgrupai.

Otrkārt, DNS polimerāzes nevar sākt sintezēt jaunu šķiedru no nulles. Viņiem ir nepieciešams papildu elements, kas pazīstams kā pirmais vai grunts, kas ir molekula, kas sastāv no dažiem nukleotīdiem un nodrošina brīvu hidroksilgrupu, kurā polimerāze var noenkuroties pati un sākt savu darbību.

Šī ir viena no būtiskajām atšķirībām starp DNS un RNS polimerāzēm, jo ​​pēdējās spēj uzsākt de novo ķēdes sintēzi.

Okazaki fragmenti

Pirmais DNS polimerāžu īpašums, kas minēts iepriekšējā sadaļā, ir daļēji konservatīvas replikācijas komplikācija. Tā kā abas DNS virknes darbojas antiparalēli, viena no tām tiek sintezēta ar pārtraukumiem (tā, kas būtu jāsintezē 3'-5 'nozīmē).

Aizkavētajā virknē ar normālu polimerāzes 5'-3 'aktivitāti notiek pārtraukta sintēze, un iegūtie fragmenti - literatūrā pazīstami kā Okazaki fragmenti - ir savienoti ar citu enzīmu - ligāzi.

DNS remonts

DNS tiek pastāvīgi pakļauta faktoriem, gan endogēniem, gan eksogēniem, kas to var sabojāt. Šie bojājumi var bloķēt replikāciju un uzkrāties, ietekmējot gēnu ekspresiju, radot problēmas dažādos šūnu procesos.

Papildus lomai DNS replikācijas procesā polimerāze ir arī galvenā DNS atjaunošanas mehānismu sastāvdaļa. Viņi var darboties arī kā sensori šūnu ciklā, kas novērš iekļūšanu dalīšanas fāzē, ja tiek sabojāta DNS.

Uzbūve

Pašlaik, pateicoties kristalogrāfijas pētījumiem, ir noskaidrotas dažādu polimerāžu struktūras. Balstoties uz to primāro secību, polimerāzes tiek grupētas grupās: A, B, C, X un Y.

Daži aspekti ir kopīgi visām polimerāzēm, it īpaši tām, kas attiecas uz enzīma katalītiskajiem centriem.

Tajos ietilpst divas galvenās aktīvās vietas, kurās ir metāla joni, ar diviem aspartāta atlikumiem un vienu mainīgu atlieku - vai nu aspartātu, vai glutamātu, kas koordinē metālus. Ir vēl viena lādētu atlikumu virkne, kas ieskauj katalītisko centru un tiek konservēti dažādās polimerāzēs.

Prokariotos DNS polimerāze I ir 103 kd polipeptīds, II ir 88 kd polipeptīds, un III sastāv no desmit apakšvienībām.

Eukariotos fermenti ir lielāki un sarežģītāki: α sastāv no piecām vienībām, β un γ no vienas apakšvienības, δ no divām apakšvienībām un ε no 5.

Lietojumprogrammas

ĶTR

Pateicoties tās lietderībai un vienkāršībai, polimerāzes ķēdes reakcija (PRC) ir metode, ko izmanto visās molekulārās bioloģijas laboratorijās. Šīs metodes mērķis ir masveidā pastiprināt interesējošo DNS molekulu.

Lai to panāktu, molekulas pastiprināšanai biologi izmanto DNS polimerāzi, kuru nesabojā siltums (šajā procesā ir nepieciešama augsta temperatūra). Šī procesa rezultāts ir liels skaits DNS molekulu, kuras var izmantot dažādiem mērķiem.

Viena no izcilākajām tehnikas klīniskajām priekšrocībām ir tās izmantošana medicīniskajā diagnostikā. ĶTR var izmantot, lai pārbaudītu pacientus attiecībā uz patogēnām baktērijām un vīrusiem.

Antibiotikas un pretaudzēju zāles

Ievērojama skaita narkotiku mērķis ir saīsināt DNS replikācijas mehānismus patogēnajā organismā, neatkarīgi no tā, vai tas ir vīruss vai baktērija.

Dažos no tiem mērķis ir DNS polimerāzes aktivitātes kavēšana. Piemēram, ķīmijterapijas līdzeklis citarabīns, ko sauc arī par citozīna arabinozīdu, atspējo DNS polimerāzi.

Atsauces

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Būtiskā šūnu bioloģija. Garland zinātne.
2. Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Arheju DNS replikācija: gabalu identificēšana, lai atrisinātu mīklu. Ģenētika, 152 (4), 1249-67.
3. Kūpers, GM, un Hausmans, RE (2004). Šūna: molekulārā pieeja. Medicinska naklada.
4. Garsija-Diaza, M., un Bebeneks, K. (2007). DNS polimerāžu vairākas funkcijas. Kritiski pārskati augu zinātnēs, 26. (2), 105–122.
5. Ščerbakova, PV, Bebeneks, K., un Kunkels, TA (2003). Eikariotu DNS polimerāžu funkcijas. Zinātnes SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNS polimerāzes: struktūras daudzveidība un kopējie mehānismi. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013). DNS polimerāzes arhitektūras strukturālais salīdzinājums liecina par nukleotīdu vārtiem uz polimerāzes aktīvo vietu. Chemical Reviews, 114 (5), 2759-74.