Типы, функции и структура ДНК-полимеразы



ДНК-полимераза является ферментом, который ответственен за катализ полимеризации новой цепи ДНК во время репликации этой молекулы. Его основная функция заключается в сопоставлении дезоксирибонуклеотидтрифосфатов с таковыми в матричной цепи. Он также участвует в восстановлении ДНК.

Этот фермент обеспечивает правильное совпадение оснований ДНК в цепочке плесени и новой цепи, следуя схеме A, которую он соединяет с T, а G с C.

Процесс репликации ДНК должен быть эффективным и должен выполняться быстро, поэтому ДНК-полимераза действует, добавляя около 700 нуклеотидов в секунду, и делает ошибку только каждые 109 или 1010 встроенные нуклеотиды.

Существуют разные типы ДНК-полимеразы. Они различаются как у эукариот, так и у прокариот, и каждый из них играет специфическую роль в репликации и репарации ДНК..

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

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

индекс

  • 1 Типы
    • 1.1 Прокариоты
    • 1.2 Эукариот
    • 1.3 Арки
  • 2 функции: репликация и репарация ДНК
    • 2.1 Что такое репликация ДНК?
    • 2.2 Реакция
    • 2.3 Свойства ДНК-полимераз
    • 2.4 Фрагменты Оказаки
    • 2.5 Ремонт ДНК
  • 3 Структура
  • 4 Приложения
    • 4.1 КНР
    • 4.2 Антибиотики и противоопухолевые препараты
  • 5 ссылок

тип

прокариоты

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

ДНК-полимераза I участвует в репликации и репарации ДНК и обладает экзонуклеазной активностью в обоих направлениях. Считается, что роль этого фермента в репликации вторична..

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

эукариот

Эукариоты (организмы с истинным ядром, ограниченным мембраной) обладают пятью ДНК-полимеразами, обозначенными буквами греческого алфавита: α, β, γ, δ и ε..

Γ-полимераза 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 продукцией копий ДНК..

ДНК-полимераза β, с другой стороны, представляет пики активности в клетках, которые не делятся, поэтому предполагается, что ее основная функция связана с репарацией ДНК..

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

археи

Новые методы секвенирования позволили выявить огромное разнообразие семейств ДНК-полимераз. В частности, у архей мы определили семейство ферментов, называемое семейством D, которые уникальны для этой группы организмов..

Функции: репликация и репарация 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 клетки, которые происходят постоянно, ДНК должна быть скопирована быстро и точно, особенно в S-фазе клеточного цикла. Этот процесс, когда клетка копирует ДНК, известен как репликация.

Структурно молекула ДНК образована двумя нитями, образующими спираль. Во время процесса репликации они разделяются, и каждый из них выступает в качестве характера для образования новой молекулы. Таким образом, новые нити переходят в дочерние клетки в процессе деления клеток.

Поскольку каждая нить закалена, говорят, что репликация ДНК является полуконсервативной - в конце процесса новая молекула состоит из новой нити и старой нити. Этот процесс был описан в 1958 году исследователями Meselson и Stahl с использованием изофотографий..

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

реакция

Для синтеза ДНК необходимы необходимые субстраты для процесса: дезоксирибонуклеотидтрифосфаты (дНТФ)

Механизм реакции включает нуклеофильную атаку гидроксильной группы на 3'-конце растущей цепи в альфа-фосфате комплементарного dNTP, удаляя пирофосфат. Этот этап очень важен, так как энергия для полимеризации происходит от гидролиза dNTP и получающегося в результате пирофосфата..

Пол III или альфа присоединяется к первому (см. Свойства полимераз) и начинает добавлять нуклеотиды. Эпсилон удлиняет цепь лидера, а дельта удлиняет задержанную цепь.

Свойства ДНК-полимераз

Все известные ДНК-полимеразы имеют два важных свойства, связанных 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 синтезировать новую цепь из ничего. Им нужен дополнительный элемент, известный как праймер или праймер, который представляет собой молекулу, образованную несколькими нуклеотидами, которая дает свободную гидроксильную группу, где полимераза может закрепиться и начать свою деятельность..

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

Фрагменты Оказаки

Первое свойство ДНК-полимераз, упомянутое в предыдущем разделе, является осложнением для полуконсервативной репликации. Поскольку две нити ДНК проходят антипараллельно, одна из них синтезируется прерывистым образом (который необходимо будет синтезировать в направлении 3'-5 ')..

В задержанной цепи прерывистый синтез происходит посредством нормальной активности полимеразы 5'-3 ', и полученные фрагменты - известные в литературе как фрагменты Оказаки - связаны с другим ферментом, лигазой.

Восстановление ДНК

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

В дополнение к своей роли в процессе репликации ДНК, полимераза также является ключевым компонентом механизмов репарации ДНК. Они также могут действовать как сенсоры в клеточном цикле, которые предотвращают вход в фазу деления, если ДНК повреждена.

структура

В настоящее время благодаря исследованиям кристаллографии стало возможным выяснить структуры различных полимераз. Основываясь на своей первичной последовательности, полимеразы группируются в 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 сайта, которые имеют ионы металлов, с двумя аспартатными остатками и переменным остатком - либо аспартатом, либо глутаматом, который координирует металлы. Существует еще одна серия заряженных остатков, которые окружают каталитический центр и сохраняются в разных полимеразах..

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

У эукариот ферменты крупнее и сложнее: α образован пятью единицами, β и γ - субъединицей, δ - двумя субъединицами, а ε - 5..

приложений

КНР

Полимеразная цепная реакция (PRC) является методом, используемым во всех лабораториях молекулярной биологии, благодаря своей полезности и простоте. Целью этого метода является массовая амплификация интересующей молекулы ДНК.

Чтобы достичь этого, биологи используют ДНК-полимеразу, которая не повреждается при нагревании (для этого процесса необходимы высокие температуры) для амплификации молекулы. Результатом этого процесса является большое количество молекул ДНК, которые могут быть использованы для различных целей.

Одним из наиболее выдающихся клинических применений метода является его использование в медицинской диагностике. PRC может быть использован для проверки наличия патогенных бактерий и вирусов у пациентов.

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 ингибирование активности ДНК-полимеразы. Например, химиотерапевтический препарат цитарабин, также называемый цитозина арабинозид, отключает ДНК-полимеразу.

ссылки

  1. Альбертс Б., Брей Д., Хопкин К., Джонсон А.Д., Льюис Дж., Рафф М., ... и Уолтер П. (2015). Основная клеточная биология. Гирлянда Наука.
  2. Cann, I.K. & Ishino, Y. (1999). Репликация архейной ДНК: определение частей для решения головоломки. генетика, 152(4), 1249-67.
  3. Купер Г. М. и Хаусман Р. Э. (2004). Клетка: Молекулярный подход. Медицинская Наклада.
  4. Garcia-Diaz, M. & Bebenek, K. (2007). Множество функций ДНК-полимераз. Критические обзоры в науках о растениях, 26(2), 105-122.
  5. Щербакова П.В., Бебенек К. и Кункель Т.А. (2003). Функции эукариотических ДНК-полимераз. SAGE KE науки, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T.A. (1999). ДНК-полимеразы: структурное разнообразие и общие механизмы. Журнал биологической химии, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W.A., Pedersen, L.G. & Wilson, S.H. (2013). Структурное сравнение архитектуры ДНК-полимеразы предполагает наличие нуклеотидных ворот к активному сайту полимеразы.. Химические обзоры, 114(5), 2759-74.