ДНК-ПОЛИМЕРАЗА: ВИДЫ, ФУНКЦИИ И СТРОЕНИЕ - БИОЛОГИЯ - 2024

ДНК - полимераза представляет собой фермент , который отвечает за катализировать полимеризацию новой нити ДНК в процессе репликации этой молекулы. Его основная функция заключается в соединении трифосфатных дезоксирибонуклеотидов с таковыми из цепочки-матрицы. Он также участвует в репарации ДНК.

Этот фермент позволяет правильно спаривать основания ДНК матричной цепи и новой, следуя схеме пары A с T и G с C.

Структура бета-ДНК-полимеразы человека.
Источник: Yikrazuul, из Wikimedia Commons.

Процесс репликации ДНК должен быть эффективным и выполняться быстро, поэтому ДНК-полимераза работает, добавляя около 700 нуклеотидов в секунду и совершая только одну ошибку на каждые 10 ⁹ или 10 ¹⁰ включенных нуклеотидов.

Есть разные типы ДНК-полимеразы. Они различаются как у эукариот, так и у прокариот, и каждый играет определенную роль в репликации и репарации ДНК.

Возможно, что одним из первых ферментов, появившихся в процессе эволюции, были полимеразы, поскольку способность точно воспроизводить геном является неотъемлемым требованием для развития организмов.

Открытие этого фермента приписывают Артуру Корнбергу и его коллегам. Этот исследователь идентифицировал ДНК-полимеразу I (Pol I) в 1956 году, работая с Escherichia coli. Точно так же Уотсон и Крик предположили, что этот фермент может производить точные копии молекулы ДНК.

Типы

Прокариоты

Прокариотические организмы (организмы без настоящего ядра, ограниченные мембраной) обладают тремя основными ДНК-полимеразами, обычно обозначаемыми как pol I, II и III.

ДНК-полимераза I участвует в репликации и репарации ДНК и обладает экзонуклеазной активностью в обоих направлениях. Роль этого фермента в репликации считается вторичной.

II участвует в репарации ДНК, и его экзонуклеазная активность находится в 3'-5 'смысле. III участвует в репликации и ревизии ДНК и, как и предыдущий фермент, проявляет экзонуклеазную активность в 3'-5 'смысле.

эукариоты

Эукариоты (организмы с истинным ядром, ограниченным мембраной) имеют пять ДНК-полимераз, названных буквами греческого алфавита: α, β, γ, δ и ε.

Полимераза γ находится в митохондриях и отвечает за репликацию генетического материала в этой клеточной органелле. Напротив, остальные четыре находятся в ядре клеток и участвуют в репликации ядерной ДНК.

Варианты α, δ и ε являются наиболее активными в процессе деления клеток, что позволяет предположить, что их основная функция связана с производством копий ДНК.

В свою очередь, ДНК-полимераза β демонстрирует пики активности в неделящихся клетках, поэтому предполагается, что ее основная функция связана с репарацией ДНК.

Различные эксперименты смогли подтвердить гипотезу о том, что они в основном связывают α, δ и ε полимеразы с репликацией ДНК. Типы γ, δ и ε проявляют 3'-5'-экзонуклеазную активность.

Arches

Новые методы секвенирования позволили идентифицировать огромное количество семейств ДНК-полимераз. В частности, у архей было идентифицировано семейство ферментов, называемое семейством D, которое является уникальным для этой группы организмов.

Функции: репликация и восстановление ДНК

Что такое репликация ДНК?

ДНК - это молекула, которая несет всю генетическую информацию организма. Он состоит из сахара, азотистого основания (аденин, гуанин, цитозин и тимин) и фосфатной группы.

Во время процессов деления клеток, которые происходят постоянно, ДНК необходимо быстро и точно копировать, особенно в S-фазе клеточного цикла. Этот процесс, при котором клетка копирует ДНК, известен как репликация.

Структурно молекула ДНК состоит из двух цепей, образующих спираль. В процессе репликации они отделяются друг от друга, и каждый действует как шаблон для образования новой молекулы. Таким образом, новые нити переходят к дочерним клеткам в процессе деления клеток.

Поскольку каждая цепь служит шаблоном, репликация ДНК называется полуконсервативной - в конце процесса новая молекула состоит из новой и старой цепей. Этот процесс был описан в 1958 году исследователями Мезельсоном и Шталем с использованием изопотов.

Репликация ДНК требует ряда ферментов, которые катализируют этот процесс. Среди этих белковых молекул выделяется ДНК-полимераза.

реакция

Для синтеза ДНК необходимы субстраты, необходимые для процесса: дезоксирибонуклеотидтрифосфат (dNTP)

Механизм реакции включает нуклеофильную атаку гидроксильной группой на 3'-конце растущей нити на альфа-фосфат комплементарных dNTP, устраняя пирофосфат. Этот этап очень важен, поскольку энергия для полимеризации поступает от гидролиза dNTP и образующегося пирофосфата.

Pol III или альфа связывается с праймером (см. Свойства полимераз) и начинает добавлять нуклеотиды. Эпсилон удлиняет ведущую цепочку, а дельта - задерживающуюся нить.

Свойства ДНК-полимераз

Все известные ДНК-полимеразы обладают двумя важными свойствами, связанными с процессом репликации.

Во-первых, все полимеразы синтезируют цепь ДНК в направлении 5'-3 ', добавляя dNTP к гидроксильной группе растущей цепи.

Во-вторых, ДНК-полимеразы не могут начать синтез новой цепи с нуля. Им нужен дополнительный элемент, известный как праймер или праймер, который представляет собой молекулу, состоящую из нескольких нуклеотидов, которая обеспечивает свободную гидроксильную группу, где полимераза может заякорить и начать свою активность.

Это одно из фундаментальных различий между ДНК и РНК-полимеразами, поскольку последняя способна инициировать синтез цепи de novo.

Фрагменты Окадзаки

Первое свойство ДНК-полимераз, упомянутое в предыдущем разделе, представляет собой сложность для полуконсервативной репликации. Поскольку две цепи ДНК идут антипараллельно, одна из них синтезируется прерывисто (та, которая должна быть синтезирована в смысле 3'-5 ').

В отложенной цепи прерывистый синтез происходит за счет нормальной активности полимеразы, 5'-3 ', а полученные фрагменты, известные в литературе как фрагменты Окадзаки, связаны другим ферментом, лигазой.

Ремонт ДНК

ДНК постоянно подвергается воздействию факторов, как эндогенных, так и экзогенных, которые могут повредить ее. Эти повреждения могут блокировать репликацию и накапливаться таким образом, что влияет на экспрессию генов, вызывая проблемы в различных клеточных процессах.

Помимо своей роли в процессе репликации ДНК, полимераза также является ключевым компонентом механизмов репарации ДНК. Они также могут действовать как сенсоры в клеточном цикле, предотвращая переход в фазу деления, если ДНК повреждена.

Структура

В настоящее время благодаря кристаллографическим исследованиям выяснена структура различных полимераз. На основании их первичной последовательности полимеразы делятся на семейства: A, B, C, X и Y.

Некоторые аспекты являются общими для всех полимераз, особенно те, которые связаны с каталитическими центрами фермента.

К ним относятся два ключевых активных центра, которые содержат ионы металлов, с двумя остатками аспартата и одним переменным остатком - либо аспартатом, либо глутаматом, который координирует металлы. Есть еще одна серия заряженных остатков, которые окружают каталитический центр и сохраняются в различных полимеразах.

У прокариот ДНК-полимераза I представляет собой полипептид 103 кДа, II представляет собой полипептид 88 кДа, а III состоит из десяти субъединиц.

У эукариот ферменты крупнее и сложнее: α состоит из пяти единиц, β и γ из одной субъединицы, δ из двух субъединиц и ε из 5.

Приложения

КНР

Полимеразная цепная реакция (PRC) - это метод, используемый во всех лабораториях молекулярной биологии, благодаря его полезности и простоте. Целью этого метода является массовая амплификация интересующей молекулы ДНК.

Чтобы добиться этого, биологи используют ДНК-полимеразу, которая не повреждается под воздействием тепла (для этого процесса необходимы высокие температуры), чтобы усилить молекулу. Результатом этого процесса является большое количество молекул ДНК, которые можно использовать для разных целей.

Одна из самых выдающихся клинических возможностей этого метода - его использование в медицинской диагностике. PRC можно использовать для проверки пациентов на наличие патогенных бактерий и вирусов.

Антибиотики и противоопухолевые препараты

Значительное количество лекарств направлено на усечение механизмов репликации ДНК в патогенном организме, будь то вирус или бактерия.

В некоторых случаях целью является подавление активности ДНК-полимеразы. Например, химиотерапевтический препарат цитарабин, также называемый цитозинарабинозидом, отключает ДНК-полимеразу.

Ссылки

1. Альбертс, Б., Брей, Д., Хопкин, К., Джонсон, А.Д., Льюис, Дж., Рафф, М.,… и Уолтер, П. (2015). Существенная клеточная биология. Наука о гирляндах.
2. Канн И.К., Ишино Ю. (1999). Репликация архейной ДНК: определение частей для решения головоломки. Генетика, 152 (4), 1249-67.
3. Купер, GM, и Хаусман, Р. Э. (2004). Клетка: молекулярный подход. Медицинская наклада.
4. Гарсия-Диас, М., и Бебенек, К. (2007). Многочисленные функции ДНК-полимераз. Критические обзоры в науках о растениях, 26 (2), 105-122.
5. Щербакова П.В., Бебенек К., Кункель Т.А. (2003). Функции ДНК-полимераз эукариот. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Стейтц, Т.А. (1999). ДНК-полимеразы: структурное разнообразие и общие механизмы. Журнал биологической химии, 274 (25), 17395-17398.
7. Ву, С., Борода, Вашингтон, Педерсен, Л.Г., и Уилсон, С.Х. (2013). Структурное сравнение архитектуры ДНК-полимеразы предполагает нуклеотидный шлюз к активному сайту полимеразы. Химические обзоры, 114 (5), 2759-74.