DNA-POLYMERAASI: TYYPIT, TOIMINTA JA RAKENNE - BIOLOGIA - 2026

DNA-polymeraasi on entsyymi, joka on vastuussa katalysoimaan polymerointia uuden DNA-juosteen aikana tämän molekyylin kahdentuminen. Sen päätehtävänä on paritella trifosfaatti-deoksiribonukleotidit templaattiketjun vastaavien kanssa. Se on mukana myös DNA: n korjaamisessa.

Tämä entsyymi mahdollistaa oikean pariliitoksen templaattiketjun DNA-emästen ja uuden välillä, noudattaen A: n T: n ja G: n kaavaa C: n kanssa.

DNA-polymeraasi beeta -rakenne ihmisillä.

Lähde: Yikrazuul, Wikimedia Commonsista

DNA: n replikaatioprosessin on oltava tehokasta ja se on suoritettava nopeasti, joten DNA-polymeraasi toimii lisäämällä noin 700 nukleotidiä sekunnissa ja tekee vain yhden virheen jokaisen 10 ⁹ tai 10 ¹⁰ nukleotidin joukosta.

DNA-polymeraasia on erityyppisiä. Nämä vaihtelevat sekä eukaryooteissa että prokaryooteissa, ja jokaisella on erityinen rooli DNA: n replikaatiossa ja parantumisessa.

On mahdollista, että yksi ensimmäisistä evoluutiossa esiintyneistä entsyymeistä oli polymeraaseja, koska kyky replikoida tarkasti genomi on luonnollinen edellytys organismien kehitykselle.

Arthur Kornbergille ja hänen kollegoilleen tunnustetaan tämän entsyymin löytäminen. Tämä tutkija tunnisti DNA-polymeraasi I: n (Pol I) vuonna 1956 työskennellessään Escherichia colin kanssa. Samoin Watson ja Crick ehdottivat, että tämä entsyymi voisi tuottaa uskollisia kopioita DNA-molekyylistä.

Tyypit

prokaryooteissa

Prokaryoottisilla organismeilla (organismeilla, joilla ei ole todellista ydintä, membraanin rajoittamana) on kolme pää-DNA-polymeraasia, lyhennettynä tavallisesti pol I, II ja III.

DNA-polymeraasi I osallistuu DNA: n replikaatioon ja korjaamiseen, ja sillä on eksonukleaasiaktiivisuutta molempiin suuntiin. Tämän entsyymin roolia replikaatiossa pidetään toissijaisena.

II osallistuu DNA: n korjaukseen ja sen eksonukleaasiaktiivisuus on 3'-5'-merkityksessä. III osallistuu DNA: n replikaatioon ja revisiointiin, ja kuten edellinen entsyymi, sillä on eksonukleaasiaktiivisuutta 3'-5'-merkityksessä.

eukaryootit

Eukaryooteilla (organismeilla, joilla on todellinen ydin, kalvon rajoittamalla) on viisi DNA-polymeraasia, nimetty kreikan aakkosten kirjaimilla: α, β, γ, δ ja ε.

Polymeraasi γ sijaitsee mitokondrioissa ja vastaa geneettisen materiaalin replikaatiosta tässä soluorganellissa. Sitä vastoin muut neljä löytyvät solujen ytimestä ja osallistuvat ydin-DNA: n replikaatioon.

Α-, δ- ja ε-variantit ovat aktiivisimmat solunjakoprosessissa, mikä viittaa siihen, että niiden päätoiminto liittyy DNA-kopioiden tuotantoon.

DNA-polymeraasilla β puolestaan ​​esiintyy aktiivisuushuipuja soluissa, jotka eivät ole jakautuvia, joten oletetaan, että sen päätoiminto liittyy DNA: n korjaamiseen.

Eri kokeilla on onnistuttu varmistamaan hypoteesi, jonka mukaan ne yhdistävät enimmäkseen α-, δ- ja ε-polymeraasit DNA-replikaatioon. Tyypeillä y, δ ja ε on 3'-5 'eksonukleaasiaktiivisuus.

kaaret

Uudet sekvensointimenetelmät ovat onnistuneet tunnistamaan valtavan määrän DNA-polymeraasiperheitä. Erityisesti arhaea-alueella on tunnistettu entsyymien perhe, nimeltään D-perhe, jotka ovat ainutlaatuisia tälle organismiryhmälle.

Toiminnot: DNA: n replikaatio ja korjaus

Mikä on DNA-replikaatio?

DNA on molekyyli, joka kuljettaa kaikki organismin geneettiset tiedot. Se koostuu sokerista, typpipohjaisesta emäksestä (adeniini, guaniini, sytosiini ja tymiini) ja fosfaattiryhmästä.

Solujakautumisprosessien aikana, joita tapahtuu jatkuvasti, DNA on kopioitava nopeasti ja tarkasti - erityisesti solusyklin S-vaiheessa. Tämä prosessi, jossa solu kopioi DNA: ta, tunnetaan replikaationa.

Rakenteellisesti DNA-molekyyli koostuu kahdesta juosteesta, jotka muodostavat kierre. Replikaatioprosessin aikana nämä erilliset ja kukin toimivat templaattina uuden molekyylin muodostamiseksi. Siten uudet juosteet siirtyvät tytär- soluille solujen jakautumisprosessissa.

Koska jokainen juoste toimii templaattina, DNA: n replikaation sanotaan olevan puolikonservatiivista - prosessin lopussa uusi molekyyli koostuu uudesta ja vanhasta juosteesta. Tutkijat Meselson ja Stahl kuvasivat tätä prosessia vuonna 1958 isopoteilla.

DNA: n replikaatio vaatii sarjan entsyymejä, jotka katalysoivat prosessia. Näistä proteiinimolekyyleistä erottuu DNA-polymeraasi.

reaktio

DNA-synteesin tapahtumiseksi tarvitaan prosessille tarvittavat substraatit: deoksiribonukleotiditrifosfaatti (dNTP)

Reaktiomekanismiin sisältyy hydroksyyliryhmän nukleofiilinen hyökkäys kasvavan juosteen 3'-päässä komplementaaristen dNTP: n alfafosfaatille eliminoimalla pyrofosfaatti. Tämä vaihe on erittäin tärkeä, koska polymerointienergia tulee dNTP: ien ja tuloksena olevan pyrofosfaatin hydrolyysistä.

Pol III tai alfa sitoutuu alukkeeseen (katso polymeraasien ominaisuudet) ja alkaa lisätä nukleotideja. Epsilon pidentää lyijyketjua, ja delta pidentää hidastunutta juostetta.

DNA-polymeraasien ominaisuudet

Kaikilla tunnetuilla DNA-polymeraaseilla on kaksi olennaista ominaisuutta, jotka liittyvät replikaatioprosessiin.

Ensin kaikki polymeraasit syntetisoivat DNA-juosteen 5'-3'-suunnassa lisäämällä dNTP: t kasvavan ketjun hydroksyyliryhmään.

Toiseksi, DNA-polymeraasit eivät voi aloittaa uuden juosteen syntetisointia tyhjästä. He tarvitsevat lisäelementin, joka tunnetaan alukkeena tai alukkeena, joka on muutamasta nukleotidistä koostuva molekyyli, joka tarjoaa vapaan hydroksyyliryhmän, missä polymeraasi voi ankkuroida ja aloittaa aktiivisuutensa.

Tämä on yksi perustavanlaatuisista eroista DNA: n ja RNA-polymeraasien välillä, koska jälkimmäinen kykenee aloittamaan de novo -ketjun synteesin.

Fragmentit Okazaki

Edellisessä osassa mainittu DNA-polymeraasien ensimmäinen ominaisuus edustaa komplikaatiota puolikonservatiivisessa replikaatiossa. Kun kaksi DNA-juostetta kulkevat rinnakkain, toinen niistä syntetisoidaan epäjatkuvasti (yksi, joka olisi syntetisoitava 3'-5'-merkityksessä).

Viivästetyssä juosteessa epäjatkuva synteesi tapahtuu polymeraasin, 5'-3 'normaalin aktiivisuuden kautta, ja tuloksena olevat fragmentit - jotka kirjallisuudessa tunnetaan nimellä Okazaki-fragmentit - yhdistetään toisella entsyymillä, ligaasilla.

DNA: n korjaus

DNA altistuu jatkuvasti sekä endogeenisille että eksogeenisille tekijöille, jotka voivat vahingoittaa sitä. Nämä vauriot voivat estää replikaation ja kertyä, mikä vaikuttaa geenien ilmentymiseen aiheuttaen ongelmia erilaisissa soluprosesseissa.

DNA-replikaatioprosessinsa lisäksi polymeraasi on myös avainkomponentti DNA: n korjausmekanismeissa. Ne voivat toimia myös anturina solusyklissä, jotka estävät pääsyn jakautumisvaiheeseen, jos DNA vaurioituu.

Rakenne

Tällä hetkellä kristallografiatutkimusten ansiosta erilaisten polymeraasien rakenteet on selvitetty. Ensisijaisen sekvenssinsä perusteella polymeraasit on ryhmitelty perheisiin: A, B, C, X ja Y.

Jotkut näkökohdat ovat yhteisiä kaikille polymeraaseille, erityisesti sellaisille, jotka liittyvät entsyymin katalyyttisiin keskuksiin.

Näihin sisältyy kaksi keskeistä aktiivista kohtaa, joissa on metalli-ioneja, joissa on kaksi aspartaattitähdettä ja yksi muuttuva jäännös - joko aspartaatti tai glutamaatti, joka koordinoi metalleja. On olemassa toinen sarja varautuneita tähteitä, jotka ympäröivät katalyyttistä keskusta ja säilyvät eri polymeraaseissa.

Prokaryooteissa DNA-polymeraasi I on 103 kd: n polypeptidi, II on 88 kd: n polypeptidi ja III koostuu kymmenestä alayksiköstä.

Eukaryooteissa entsyymit ovat suurempia ja monimutkaisempia: α koostuu viidestä yksiköstä, p ja γ yhdestä alayksiköstä, δ kahdesta alayksiköstä ja ε viidestä.

Sovellukset

PRC

Polymeraasiketjureaktio (PRC) on menetelmä, jota käytetään kaikissa molekyylibiologian laboratorioissa sen hyödyllisyyden ja yksinkertaisuuden ansiosta. Tämän menetelmän tavoitteena on monistaa massiivisesti mielenkiinnon kohteena oleva DNA-molekyyli.

Tämän saavuttamiseksi biologit käyttävät molekyylin monistamiseen DNA-polymeraasia, jota lämpö ei vahingoita (korkeat lämpötilat ovat välttämättömiä tässä prosessissa). Tämän prosessin tuloksena on suuri määrä DNA-molekyylejä, joita voidaan käyttää eri tarkoituksiin.

Yksi tekniikan merkittävimmistä kliinisistä hyödyllisyyksistä on sen käyttö lääketieteellisessä diagnoosissa. PRC: tä voidaan käyttää potilaiden tarkistamiseen patogeenisten bakteerien ja virusten varalta.

Antibiootit ja kasvaimia estävät lääkkeet

Merkittävän määrän lääkkeitä pyritään katkaisemaan DNA: n replikaatiomekanismit patogeenisessä organismissa, olipa kyse sitten viruksesta tai bakteerista.

Joissakin näistä tavoitteista on DNA-polymeraasiaktiivisuuden estäminen. Esimerkiksi kemoterapeuttinen lääke sytarabiini, jota kutsutaan myös sytosiiniarabinosidiksi, estää DNA-polymeraasin.

Viitteet

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… ja Walter, P. (2015). Oleellinen solubiologia. Garland Science.
2. Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Arkeologisen DNA: n kopiointi: palajen tunnistaminen palapelin ratkaisemiseksi. Genetics, 152 (4), 1249 - 67.
3. Cooper, GM, ja Hausman, RE (2004). Solu: Molekyylinen lähestymistapa. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., ja Bebenek, K. (2007). DNA-polymeraasien monitoiminnot. Kriittiset katsaukset kasvitieteissä, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., ja Kunkel, TA (2003). Eukaryoottisten DNA-polymeraasien toiminnot. Tieteen SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA-polymeraasit: rakenteellinen monimuotoisuus ja yleiset mekanismit. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395 - 17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG ja Wilson, SH (2013). DNA-polymeraasiarkkitehtuurin rakenteellinen vertailu viittaa nukleotidiväylään polymeraasin aktiiviseen kohtaan. Chemical Reviews, 114 (5), 2759-74.