DNS polimerāzes veidi, funkcija un struktūra



The DNS polimerāze ir enzīms, kas ir atbildīgs par jaunas DNS ķēdes polimerizācijas katalizāciju šīs molekulas replikācijas laikā. Tās galvenā funkcija ir saskaņot deoksiribonukleotīdu trifosfātus ar veidnes ķēdes trifosfātiem. Tā piedalās arī DNS remontā.

Šis enzīms ļauj pareizu atbilstību starp pelējuma ķēdes DNS bāzēm un jauno, ievērojot A shēmas shēmu ar T un G ar C.

DNS replikācijas procesam ir jābūt efektīvam un jāveic ātri, tāpēc DNS polimerāze darbojas, pievienojot apmēram 700 nukleotīdus sekundē un tikai reizi desmitos kļūdās.9 vai 1010 iegultos nukleotīdus.

Ir dažādi DNS polimerāzes veidi. Tie atšķiras gan eukariotu, gan prokariotu gadījumā, un katram ir īpaša loma DNS replikācijā un labošanā..

Iespējams, ka viens no pirmajiem evolūcijā parādītajiem fermentiem ir bijis polimerāzes, jo spēja replikēt genomu precīzi ir būtiska prasība organismu attīstībai..

Šī enzīma atklāšana ir saistīta ar Artūru Kornbergu un viņa kolēģiem. Šis pētnieks, strādājot ar 1956. gadu, identificēja DNS polimerāzi I (Pol I) Escherichia coli. Tāpat Watson un Crick ierosināja, ka šis enzīms varētu radīt uzticamas DNS molekulas kopijas.

Indekss

  • 1 veidi
    • 1.1. Prokarioti
    • 1.2. Eukarioti
    • 1.3 Arkas
  • 2 Funkcijas: DNS replikācija un remonts
    • 2.1. Kas ir DNS replikācija?
    • 2.2 Reakcija
    • 2.3 DNS polimerāžu īpašības
    • 2.4 Okazaki fragmenti
    • 2.5 DNS remonts
  • 3 Struktūra
  • 4 Pieteikumi
    • 4.1 ĶTR
    • 4.2. Antibiotikas un pretvēža zāles
  • 5 Atsauces

Veidi

Prokariotes

Prokariotiskiem organismiem (organismiem bez patiesa kodola, ko norobežo membrāna) ir trīs galvenās DNS polimerāzes, parasti saīsinātas kā pol I, II un III.

DNS polimerāze I piedalās DNS replikācijā un remontā, un tam ir eksonuklāzes aktivitāte abos virzienos. Tiek uzskatīts, ka šī fermenta loma replikācijā ir sekundāra.

II piedalās DNS remontā un tā eksonuklāzes aktivitāte ir 3'-5 'virzienā. III piedalās DNS replikācijā un pārskatīšanā, un tāpat kā iepriekšējais enzīms, eksonuklāzes aktivitāte ir 3'-5 'virzienā.

Eukarioti

Eukariotiem (organismiem ar patiesu kodolu, ko norobežo membrāna) ir piecas DNS polimerāzes, kas apzīmētas ar grieķu alfabēta burtiem: α, β, γ, δ un ε.

Γ polimerāze atrodas mitohondrijās un ir atbildīga par ģenētiskā materiāla replikāciju šajā šūnu organelē. Turpretim pārējie četri ir atrodami šūnu kodolā un ir iesaistīti kodola DNS replikācijā.

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

No otras puses, DNS polimerāze β uzrāda aktivitāšu virsotnes šūnās, kas nav dalāmas, tāpēc tiek pieņemts, ka tā galvenā funkcija ir saistīta ar DNS remontu..

Dažādi eksperimenti varēja pārbaudīt hipotēzi, ka tie galvenokārt saistās ar α, δ un ε polimerāzi ar DNS replikāciju. Γ, δ un ε tipiem piemīt 3'-5 'eksonuklāzes aktivitāte.

Arkas

Jaunās sekvencēšanas metodes ir spējušas identificēt daudzas DNS polimerāžu ģimenes. Arhāzē, konkrēti, mēs esam identificējuši fermentu saimi, ko sauc par D ģimeni, kas ir unikāla šai organismu grupai..

Funkcijas: DNS replikācija un remonts

Kas ir DNS replikācija?

DNS ir molekula, kas satur visu organisma ģenētisko informāciju. Tas sastāv no cukura, slāpekļa bāzes (adenīna, guanīna, citozīna un timīna) un fosfātu grupas..

Šūnu dalīšanas procesos, kas pastāvīgi notiek, DNS ir jākopē ātri un precīzi - īpaši šūnu cikla S fāzē. Šis process, kurā šūnas kopē DNS, ir pazīstams kā replikācija.

Strukturāli DNS molekulu veido divas virves, veidojot spirāli. Replikācijas laikā tie ir atdalīti un katrs no tiem darbojas kā temperaments jauna molekulas veidošanai. Tādējādi šūnu dalīšanas procesā jaunās virzieni nonāk meitas šūnās.

Tā kā katra daļa tiek rūdīta, tiek teikts, ka DNS replikācija ir semikonservatīva - procesa beigās jaunā molekula sastāv no jaunas virknes un vecās ķēdes. Šo procesu 1958. gadā aprakstīja pētnieki Meselsons un Stahls, izmantojot izofotos.

DNS replikācijai nepieciešama virkne fermentu, kas katalizē procesu. Šo proteīnu molekulu vidū izceļas DNS polimerāze.

Reakcija

Lai iegūtu DNS sintēzi, ir nepieciešami nepieciešamie procesa substrāti: dezoksiribonukleotīdu trifosfāti (dNTP).

Reakcijas mehānisms ietver hidroksilgrupas nukleofilo uzbrukumu augošā auklas 3'-galā komplementārās dNTP alfa fosfātā, novēršot pirofosfātu. Šis solis ir ļoti svarīgs, jo polimerizācijas enerģija rodas no dNTP un iegūtā pirofosfāta hidrolīzes..

Pol III vai alfa pievienojas pirmajam (skatīt polimerāžu īpašības) un sāk pievienot nukleotīdus. Epsilons pagarina līdera ķēdi, un delta pagarina aizkavēto daļu.

DNS polimerāžu īpašības

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

Pirmkārt, visas polimerāzes sintezē DNS virkni 5'-3 'virzienā, pievienojot dNTP augšanas ķēdes hidroksilgrupai.

Otrkārt, DNS polimerāzes nespēj sintētēt jaunu ķēdi no nekas. Viņiem ir nepieciešams papildu elements, kas pazīstams kā primer vai primer, kas ir molekula, ko veido daži nukleotīdi, kas dod brīvu hidroksilgrupu, kur polimerāze var nostiprināt un sākt savu darbību..

Tā ir viena no būtiskākajām atšķirībām starp DNS un RNS polimerāzēm, jo ​​tā spēj uzsākt ķēdes sintēzi de novo.

Okazaki fragmenti

Pirmajā nodaļā minēto DNS polimerāžu pirmā īpašība ir komplikācija puskonservatīvai replikācijai. Tā kā abi DNS virzieni darbojas pretparalēli, viens no tiem tiek sintezēts nepārtrauktā veidā (kas būtu jāsagatavo 3'-5 'virzienā).

Aizkavētajā virknē pārtrauktā sintēze notiek, izmantojot polimerāzes, 5'-3 'normālo aktivitāti, un iegūtie fragmenti, kas literatūrā pazīstami kā Okazaki fragmenti, ir saistīti ar citu fermentu, ligāzi..

DNS remonts

DNS pastāvīgi ir pakļauts gan endogēniem, gan eksogēniem faktoriem, kas var to sabojāt. Šie bojājumi var bloķēt replikāciju un uzkrāties, lai tie ietekmētu gēnu izpausmi, radot problēmas dažādos šūnu procesos..

Papildus savai lomai DNS replikācijas procesā, polimerāze ir arī būtiska DNS remonta mehānismu sastāvdaļa. Tās var arī darboties kā sensori šūnu ciklā, kas neļauj iekļūt sadalīšanas fāzē, ja DNS ir bojāta.

Struktūra

Pašlaik, pateicoties kristālogrāfijas pētījumiem, ir iespējams noskaidrot dažādu polimerāžu struktūru. Pamatojoties uz to primāro secību, polimerāzes tiek grupētas ģimenēs: A, B, C, X un Y.

Daži aspekti ir kopīgi visām polimerāzēm, īpaši tām, kas saistītas ar fermenta katalītiskajiem centriem.

Tie ietver divas galvenās aktīvās vietas, kurās ir metāla joni, ar diviem aspartāta atlikumiem un mainīgu atlikumu - vai nu aspartātu vai glutamātu, kas koordinē metālus. Ir vēl viena uzlādētu atlikumu sērija, kas ieskauj katalītisko centru un ir konservēti dažādās polimerāzēs.

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

Eukariotos enzīmi ir lielāki un sarežģītāki: α veido piecas vienības, β un γ ar apakšvienību, δ ar divām apakšvienībām, un ε - ar 5..

Programmas

ĶTR

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

Lai to sasniegtu, biologi izmanto DNS polimerāzi, kas nav bojāta siltuma dēļ (augstās temperatūras ir nepieciešamas šim procesam), lai pastiprinātu molekulu. Šī procesa rezultāts ir liels skaits DNS molekulu, ko var izmantot dažādiem mērķiem.

Viens no izcilākajiem šīs tehnikas klīniskajiem līdzekļiem ir tā izmantošana medicīniskajā diagnostikā. ĶTR var izmantot, lai pārbaudītu patogēnu baktēriju un vīrusu klātbūtni pacientiem.

Antibiotikas un pretvēža zāles

Ievērojams skaits zāļu ir paredzēti, lai saīsinātu DNS replikācijas mehānismus patogēnajā organismā, vai tas būtu vīruss vai baktērija..

Dažos gadījumos mērķis ir DNS polimerāzes aktivitātes inhibīcija. Piemēram, ķīmijterapijas citarabīns, saukts arī par citozīna arabinosīdu, izslēdz DNS polimerāzi.

Atsauces

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... & Walter, P. (2015). Essential šūnu bioloģija. Garland Zinātne.
  2. Cann, I. K., un Ishino, Y. (1999). Arheāla DNS replikācija: gabalu identificēšana, lai atrisinātu mīklu. Ģenētika, 152(4), 1249-67.
  3. Coopers, G. M., un Hausmans, R.E. (2004). Šūna: molekulārā pieeja. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). DNS polimerāžu vairākas funkcijas. Kritiskie pārskati augu zinātnēs, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., un Kunkel, T. A. (2003). Eukariotu DNS polimerāžu funkcijas. Zinātnes SAGE KE, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T. A. (1999). DNS polimerāzes: strukturālā daudzveidība un kopīgi mehānismi. Bioloģiskās ķīmijas žurnāls, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W. A., Pedersen, L. G., & Wilson, S. H. (2013). DNS polimerāzes arhitektūras strukturālais salīdzinājums liecina par nukleotīdu vārtiem uz polimerāzes aktīvo vietu. Ķīmiskie pārskati, 114(5), 2759-74.