Jenis, fungsi dan struktur polimerase DNA



The Polimerase DNA adalah enzim yang bertanggungjawab untuk memangkinkan pempolimeran DNA baru pada masa replikasi molekul ini. Fungsi utamanya adalah untuk memadankan triphosphat deoksiribonukleotida dengan rantai template. Ia juga mengambil bahagian dalam pembaikan DNA.

Enzim ini membolehkan perlawanan yang betul antara pangkalan DNA rantaian acuan dan yang baru, berikutan skema A yang berpasangan dengan T, dan G dengan C.

Proses replikasi DNA mestilah berkesan dan harus dilakukan dengan cepat, sehingga polimerase DNA bertindak dengan menambahkan sekitar 700 nukleotida per detik dan hanya membuat kesalahan setiap 109 atau 1010 nukleotida tertanam.

Terdapat pelbagai jenis polimerase DNA. Ini berbeza dalam kedua-dua eukariota dan prokariote, dan masing-masing mempunyai peranan khusus dalam replikasi dan pembaikan DNA..

Ada kemungkinan bahawa salah satu enzim pertama yang muncul dalam evolusi adalah polimerase, kerana keupayaan untuk meniru genom dengan tepat adalah keperluan intrinsik untuk perkembangan organisma.

Penemuan enzim ini dikaitkan dengan Arthur Kornberg dan rakan-rakannya. Pengkaji mengenal pasti polimerase DNA I (Pol I) pada tahun 1956, semasa bekerja dengan Escherichia coli. Begitu juga dengan Watson dan Crick yang mencadangkan bahawa enzim ini boleh menghasilkan salinan setia molekul DNA.

Indeks

  • 1 Jenis
    • 1.1 Prokariot
    • 1.2 Eukariot
    • 1.3 Arches
  • 2 Fungsi: Replikasi DNA dan pembaikan
    • 2.1 Apakah replikasi DNA?
    • 2.2 Reaksi
    • 2.3 Sifat-sifat polimerase DNA
    • 2.4 Fragment dari Okazaki
    • 2.5 Pembaikan DNA
  • 3 Struktur
  • 4 Aplikasi
    • 4.1 PRC
    • 4.2 Antibiotik dan ubat antitumor
  • 5 Rujukan

Jenis

Prokariot

Organisme prokariotik (organisma tanpa nukleus sejati, dibatasi oleh membran) mempunyai tiga polimerase DNA utama, yang biasanya disingkat sebagai pol I, II dan III.

Polimerase DNA Saya mengambil bahagian dalam replikasi dan pembaikan DNA dan mempunyai aktiviti exonuclease dalam kedua-dua arah. Ia dianggap bahawa peranan enzim ini dalam replikasi adalah sekunder.

II menyertai pembaikan DNA dan aktiviti exonucleasenya berada dalam arah 3'-5 '. III menyertai bahagian replikasi dan semakan DNA, dan seperti enzim terdahulu, membentangkan aktiviti exonuclease dalam arah 3'-5 '.

Eukaryotes

Eukariota (organisma dengan nukleus sejati, dibatasi oleh membran) mempunyai lima polimerase DNA, denominasi huruf abjad Yunani: α, β, γ, δ dan ε.

Γ polimerase terletak di mitokondria dan bertanggungjawab untuk replikasi bahan genetik dalam organelle selular ini. Sebaliknya, empat yang lain dijumpai dalam nukleus sel dan terlibat dalam replikasi DNA nuklear.

Varian α, δ dan ε adalah yang paling aktif dalam proses pembahagian sel, menunjukkan bahawa fungsi utamanya dikaitkan dengan pengeluaran salinan DNA.

Polimerase DNA β, sebaliknya, memberikan puncak aktiviti dalam sel-sel yang tidak membahagikan, sebab mengapa diandaikan bahawa fungsi utamanya dikaitkan dengan pembaikan DNA.

Eksperimen yang berbeza telah dapat mengesahkan hipotesis bahawa mereka mengaitkan terutamanya polimerase α, δ dan ε dengan replikasi DNA. Jenis γ, δ dan ε mempamerkan aktiviti exonuclease 3'-5 '.

Lengkungan

Kaedah penjujukan baru telah berjaya mengenal pasti pelbagai keluarga polimerase DNA. Di archaea, secara khusus, kita telah mengenal pasti keluarga enzim, yang dipanggil keluarga D, yang unik kepada kumpulan organisma ini.

Fungsi: Replikasi DNA dan pembaikan

Apakah replikasi DNA?

DNA adalah molekul yang membawa semua maklumat genetik organisma. Ia terdiri daripada gula, asas nitrogenus (adenine, guanine, sitosin dan timin) dan kumpulan fosfat.

Semasa proses divisi sel, yang sentiasa berlaku, DNA mesti disalin dengan cepat dan tepat - khususnya dalam fasa S kitaran sel. Proses ini di mana sel menyalin DNA dikenali sebagai replikasi.

Struktural, molekul DNA dibentuk oleh dua helai, membentuk helix. Semasa proses replikasi, ini dipisahkan dan masing-masing bertindak sebagai temperamen untuk pembentukan molekul baru. Oleh itu, helai baru mengalir ke sel anak perempuan dalam proses pembahagian sel.

Oleh kerana setiap helai adalah marah, dikatakan bahawa replikasi DNA adalah semikonservatif - pada akhir proses, molekul baru terdiri daripada helai baru dan helai lama. Proses ini diterangkan pada tahun 1958 oleh penyelidik Meselson dan Stahl, menggunakan isophotos.

Replikasi DNA memerlukan satu siri enzim yang memangkinkan proses tersebut. Di antara molekul protein ini, polimerase DNA menonjol.

Reaksi

Untuk sintesis DNA berlaku, substrat yang diperlukan untuk proses yang diperlukan: deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP)

Mekanisme tindak balas ini melibatkan serangan nukleofilik kumpulan hidroksil pada akhir '3 untai yang tumbuh di fosfat alfa dNTP pelengkap, menghilangkan pirofosfat. Langkah ini sangat penting, kerana tenaga untuk pempolimeran berasal dari hidrolisis dNTP dan pyrophosphate yang terhasil.

Pol III atau alpha bergabung dengan yang pertama (lihat sifat polimerase) dan mula menambahkan nukleotida. Epsilon memanjangkan rantaian pemimpin, dan delta memanjangkan helai tertunda.

Sifat-sifat polimerase DNA

Semua polimerase DNA yang diketahui berkongsi dua sifat penting yang berkaitan dengan proses replikasi.

Pertama, semua polimerase mensintesis strand DNA dalam arah 5'-3, sambil menambah dNTP kepada kumpulan hidroksil rantaian yang semakin meningkat.

Kedua, polimerase DNA tidak boleh mula mensintesis rantaian baru dari apa-apa. Mereka memerlukan unsur tambahan yang dikenali sebagai primer atau primer, yang merupakan molekul yang dibentuk oleh beberapa nukleotida yang memberikan kumpulan hidroksil bebas, di mana polimerase dapat menambat dan memulakan aktiviti.

Ini adalah salah satu perbezaan asas antara DNA dan RNA polimerase, kerana yang terakhir mampu memulakan sintesis rantai de novo.

Sebelah Okazaki

Properti pertama polimerase DNA yang disebutkan dalam bahagian sebelumnya adalah komplikasi bagi replikasi semikonservatif. Oleh kerana kedua-dua helai DNA dijalankan dengan cara antiparallel, salah satunya disintesis dengan cara yang tidak berterusan (yang perlu disintesis dalam arah 3'-5).

Dalam helai yang tertunda, sintesis tidak berterusan berlaku melalui aktiviti normal polimerase, 5'-3 ', dan serpihan yang dihasilkan - yang diketahui dalam sastera sebagai serpihan Okazaki - terikat oleh enzim lain, ligase.

Pembaikan DNA

DNA sentiasa terdedah kepada faktor, baik endogen dan eksogen, yang boleh merosakkannya. Kerosakan ini boleh menghalang replikasi dan terkumpul, supaya mereka mempengaruhi ekspresi gen, menghasilkan masalah dalam proses selular yang pelbagai.

Selain peranannya dalam proses replikasi DNA, polimerase juga merupakan komponen penting dalam mekanisme pembaikan DNA. Mereka juga boleh bertindak sebagai penderia dalam kitaran sel yang menghalang kemasukan ke fasa bahagian jika DNA rosak.

Struktur

Pada masa ini, terima kasih kepada kajian crystallography, telah dapat menjelaskan struktur pelbagai polimerase. Berdasarkan urutan utamanya, polimerase dikelompokkan kepada keluarga: A, B, C, X dan Y.

Sesetengah aspek adalah perkara biasa bagi semua polimerase, terutamanya yang berkaitan dengan pusat pemangkin enzim.

Ini termasuk dua tapak aktif utama yang mempunyai ion logam, dengan dua sisa aspartat dan residu berubah - baik aspartat atau glutamat, yang menyelaraskan logam. Terdapat satu siri sisa lain yang mengelilingi pusat pemangkin dan dipelihara dalam polimerase yang berlainan.

Dalam prokariot, polimerase DNA I adalah polipeptida 103 kd, II adalah 88 kd polipeptida dan III terdiri daripada sepuluh subunit.

Dalam eukariota, enzim adalah lebih besar dan lebih kompleks: α dibentuk oleh lima unit, β dan γ oleh subunit, δ oleh dua subunit, dan ε oleh 5..

Permohonan

RRC

Reaksi rantai polimerase (PRC) adalah satu kaedah yang digunakan dalam semua makmal biologi molekul, berkat kemudahan dan kesederhanaannya. Objektif kaedah ini adalah untuk menguatkan molekul DNA minat secara besar-besaran.

Untuk mencapai matlamat ini, ahli biologi menggunakan polimerase DNA yang tidak rosak oleh haba (suhu tinggi adalah sangat diperlukan untuk proses ini) untuk menguatkan molekul. Hasil dari proses ini adalah jumlah molekul DNA yang tinggi yang dapat digunakan untuk tujuan yang berbeza.

Salah satu utiliti klinikal yang paling cemerlang dalam teknik ini adalah penggunaannya dalam diagnosis perubatan. RRC boleh digunakan untuk memeriksa kehadiran bakteria patogen dan virus pada pesakit.

Antibiotik dan ubat antitumor

Sebilangan besar ubat-ubatan adalah bertujuan untuk memangkas mekanisme replikasi DNA dalam organisma patogen, sama ada virus atau bakteria.

Dalam beberapa perkara ini, sasarannya adalah penghambatan aktiviti polimerase DNA. Misalnya, cytarabine dadah chemotherapeutic, juga dikenali sebagai sitosin arabinoside, melumpuhkan polimerase DNA.

Rujukan

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... & Walter, P. (2015). Biologi sel penting. Sains Garland.
  2. Cann, I. K., & Ishino, Y. (1999). Replikasi DNA Archaeal: mengenal pasti kepingan untuk menyelesaikan teka-teki. Genetik, 152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G. M., & Hausman, R. E. (2004). Sel: pendekatan molekul. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Fungsi pelbagai polimerase DNA. Ulasan kritikal dalam sains tumbuhan, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., & Kunkel, T. A. (2003). Fungsi polimerase DNA eukariotik. Sains SAGE KE, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T. A. (1999). Polimerase DNA: kepelbagaian struktur dan mekanisme yang sama. Jurnal Kimia Biologi, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Janggut, W. A., Pedersen, L. G., & Wilson, S. H. (2013). Perbandingan struktur DNA polimerase DNA menunjukkan gerbang nukleotida ke tapak aktif polimerase. Ulasan kimia, 114(5), 2759-74.