НУКЛЕАЗЫ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРОЕНИЕ, ТИПЫ И ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В нуклеазы представляют собой ферменты, которые ответственны за деградацию нуклеиновых кислот. Они делают это путем гидролиза фосфодиэфирных связей, которые удерживают вместе нуклеотиды. По этой причине они также известны в литературе как фосфодиэстеразы. Эти ферменты обнаружены почти во всех биологических объектах и ​​играют фундаментальную роль в репликации, репарации ДНК и других процессах.

В целом мы можем классифицировать их в зависимости от типа нуклеиновых кислот, которые они расщепляют: нуклеазы, субстратом которых является РНК, называются рибонуклеазами, а ДНК - дезоксирибонуклеазами. Есть некоторые неспецифические, способные разрушать как ДНК, так и РНК.

Фосфодиэфирная связь. Источник: Xvazquez

Другая широко используемая классификация зависит от действия фермента. Если он выполняет свою работу постепенно, начиная с концов цепи нуклеиновой кислоты, они называются экзонуклеазами. Напротив, если разрыв происходит во внутренней точке цепи, они называются эндонуклеазами.

В настоящее время некоторые эндонуклеазы широко используются в технологии рекомбинантной ДНК в лабораториях молекулярной биологии. Это бесценные инструменты для экспериментальных манипуляций с нуклеиновыми кислотами.

характеристики

Нуклеазы - это биологические молекулы белковой природы с ферментативной активностью. Они способны гидролизовать связи, соединяющие нуклеотиды в нуклеиновых кислотах.

Они действуют посредством общего кислотно-основного катализа. Эту реакцию можно разделить на три основных этапа: нуклеофильная атака, образование отрицательно заряженного интермедиата и, как заключительный этап, разрыв связи.

Существует тип фермента, называемый полимеразой, который отвечает за катализ синтеза как ДНК (при репликации), так и РНК (при транскрипции). Некоторые типы полимераз проявляют нуклеазную активность. Подобно полимеразам, другие родственные ферменты также проявляют эту активность.

Структура

Нуклеазы представляют собой чрезвычайно разнородный набор ферментов, в котором между их структурой и механизмом действия мало взаимосвязи. Другими словами, структура этих ферментов сильно различается, поэтому мы не можем упомянуть какую-либо структуру, общую для всех из них.

Типы

Существует несколько типов нуклеаз, а также разные системы их классификации. В этой статье мы обсудим две основные системы классификации: в зависимости от типа нуклеиновой кислоты, которую они разлагают, и в зависимости от способа атаки фермента.

Если читателю интересно, он может поискать третью более обширную классификацию, основанную на функции каждой нуклеазы (см. Yang, 2011).

Необходимо отметить, что в этих ферментативных системах также существуют нуклеазы, которые не специфичны для своего субстрата и могут разрушать оба типа нуклеиновых кислот.

В зависимости от специфики используемого субстрата

Есть два типа нуклеиновых кислот, которые практически повсеместно встречаются в органических существах: дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, и рибонуклеиновая кислота, РНК. Специфические ферменты, разрушающие ДНК, называются дезоксирибонуклеазами, а РНК - рибонуклеазами.

По форме атаки

Если цепь нуклеиновой кислоты подвергается эндолитической атаке, то есть во внутренних областях цепи, фермент называется эндонуклеазой. Альтернативная атака происходит постепенно на одном конце цепи, и осуществляющие ее ферменты являются экзонуклеазами. Действие каждого фермента приводит к различным последствиям.

Поскольку экзонуклеазы разделяют нуклеотиды шаг за шагом, воздействие на субстрат не очень сильное. Напротив, действие эндонуклеаз более выражено, так как они могут расщеплять цепь в разных точках. Последние могут изменить даже вязкость раствора ДНК.

Экзонуклеазы были ключевыми элементами в выяснении природы связи, удерживающей нуклеотиды вместе.

Специфичность сайта расщепления эндонуклеазой варьируется. Есть некоторые типы (например, фермент дезоксирибонуклеаза I), которые могут разрезать неспецифические участки, создавая относительно случайные разрезы относительно последовательности.

Напротив, у нас есть очень специфические эндонуклеазы, которые разрезают только определенные последовательности. Позже мы объясним, как молекулярные биологи используют это свойство.

Некоторые нуклеазы могут действовать как эндо, так и как экзонуклеазы. Примером этого является так называемая микроконическая нуклеаза.

Характеристики

Нуклеазы катализируют ряд реакций, необходимых для жизни. Нуклеазная активность - важный элемент репликации ДНК, поскольку они помогают устранить праймер или праймер и участвуют в исправлении ошибок.

Таким образом, два процесса, такие как рекомбинация и репарация ДНК, опосредуются нуклеазами.

Он также способствует возникновению структурных изменений в ДНК, таких как топоизомеризация и сайт-специфическая рекомбинация. Для того чтобы все эти процессы имели место, необходим временный разрыв фосфодиэфирной связи, осуществляемый нуклеазами.

В РНК нуклеазы также участвуют в фундаментальных процессах. Например, при созревании мессенджера и при обработке интерферирующих РНК. Таким же образом они участвуют в процессах запрограммированной гибели клеток или апоптоза.

В одноклеточных организмах нуклеазы представляют собой защитную систему, которая позволяет им переваривать чужеродную ДНК, проникающую в клетку.

Применение: рестрикционные ферменты

Молекулярные биологи используют преимущества специфичности определенных нуклеаз, называемых специфическими рестрикционными нуклеазами. Биологи заметили, что бактерии способны переваривать чужеродную ДНК, которая была введена с помощью лабораторных методов.

Углубившись в этот феномен, ученые обнаружили рестрикционные нуклеазы - ферменты, которые разрезают ДНК по определенным нуклеотидным последовательностям. Это своего рода «молекулярные ножницы», и мы обнаруживаем, что они выставлены на продажу.

ДНК бактерий «невосприимчива» к этому механизму, так как она защищена химическими модификациями последовательностей, которые способствуют деградации. У каждого вида и штамма бактерий есть свои специфические нуклеазы.

Эти молекулы очень полезны, поскольку они гарантируют, что разрез всегда будет производиться в одном и том же месте (длиной от 4 до 8 нуклеотидов). Они применяются в технологии рекомбинантных ДНК.

С другой стороны, в некоторых рутинных процедурах (таких как ПЦР) присутствие нуклеаз отрицательно влияет на процесс, поскольку они переваривают материал, который необходимо проанализировать. По этой причине в некоторых случаях необходимо применять ингибиторы этих ферментов.

Ссылки

1. Браун, Т. (2011). Введение в генетику: молекулярный подход. Наука о гирляндах.
2. Дэвидсон, Дж. И Адамс, RLP (1980). Биохимия нуклеиновых кислот Дэвидсона. Я поменял направление.
3. Нишино, Т., и Морикава, К. (2002). Структура и функция нуклеаз в репарации ДНК: форма, захват и лезвие ножниц ДНК. Онкоген, 21 (58), 9022.
4. Стоддард, Б.Л. (2005). Структура и функции самонаводящейся эндонуклеазы. Ежеквартальные обзоры Biophysics, 38 (1), 49-95.
5. Ян, В. (2011). Нуклеазы: разнообразие структуры, функций и механизмов. Ежеквартальные обзоры Biophysics, 44 (1), 1-93.