ДНК полимераза: видове, функция и структура

ДНК полимераза е ензим, който е отговорен за катализиране на полимеризацията на новата верига на ДНК по време на репликацията на тази молекула. Неговата основна функция е да свърже дезоксирибонуклеотидните трифосфати с тези на матричната верига. Той също така участва в ремонта на ДНК.

Този ензим позволява правилното съответствие между ДНК основите на веригата на формата и новата, следвайки схемата на А, която се сдвоява с Т, и G с C.

Процесът на ДНК репликация трябва да бъде ефективен и трябва да се извърши бързо, така че ДНК полимеразата действа при добавяне на около 700 нуклеотида в секунда и само прави грешка на всеки 109 или 1010 включени нуклеотида.

Съществуват различни видове ДНК полимераза. Те варират както в еукариотите, така и в прокариотите, като всяка от тях има специфична роля в репликацията и възстановяването на ДНК.

Възможно е един от първите ензими да се появят в еволюцията са били полимерази, тъй като способността за точно възпроизвеждане на генома е присъщо изискване за развитието на организмите.

Откриването на този ензим се дължи на Артър Корнберг и неговите колеги. Този изследовател идентифицира ДНК полимераза I (Pol I) през 1956 г., докато работи с Escherichia coli. По същия начин Уотсън и Крик предложиха този ензим да произведе верни копия на ДНК молекулата.

тип

прокариоти

Прокариотните организми (организми без истинско ядро, ограничени от мембрана) притежават три основни ДНК полимерази, обикновено съкратени като pol I, II и III.

ДНК полимераза I участва в репликацията и възстановяването на ДНК и притежава екзонуклеазна активност в двете посоки. Счита се, че ролята на този ензим в репликацията е вторична.

II участва в ремонта на ДНК и неговата екзонуклеазна активност е в 3'-5'sense. III участва в репликацията и ревизията на ДНК и подобно на предишния ензим, представя екзонуклеазната активност в 3'-5-тена.

еукариотната

Еукариотите (организми с истинско ядро, ограничени от мембрана) притежават пет ДНК полимерази, деноминирани с букви от гръцката азбука: α, β, γ, δ и ε.

У-полимеразата се намира в митохондриите и е отговорна за репликацията на генетичния материал в тази клетъчна органела. Обратно, останалите четири се намират в ядрото на клетките и участват в репликацията на ядрената ДНК.

Вариантите α, δ и ε са най-активни в процеса на клетъчно делене, което предполага, че тяхната основна функция е свързана с производството на ДНК копия.

От друга страна, ДНК-полимеразата β представя пикове на активност в клетки, които не се делят, така че се приема, че основната му функция е свързана с възстановяване на ДНК.

Различни експерименти са в състояние да потвърдят хипотезата, че те асоциират предимно полимерази α, δ и ε с ДНК репликация. Типовете γ, δ и ε имат 3'-5'екзонуклеазна активност.

архибактерии

Новите методи за секвениране са успели да идентифицират голямо разнообразие от семейства на ДНК полимерази. В археите, по-специално, ние сме идентифицирали семейство ензими, наречено семейство D, които са уникални за тази група организми.

Функции: репликация и възстановяване на ДНК

Какво представлява репликацията на ДНК?

ДНК е молекулата, която носи цялата генетична информация на организма. Състои се от захар, азотна основа (аденин, гуанин, цитозин и тимин) и фосфатна група.

По време на процесите на клетъчно деление, които непрекъснато се случват, ДНК трябва да бъде копирана бързо и точно - по-специално в S фазата на клетъчния цикъл. Този процес, при който клетката копира ДНК, е известен като репликация.

Структурно ДНК молекулата се формира от две нишки, образувайки спирала. По време на процеса на репликация те се разделят и всеки действа като нрав за образуването на нова молекула. По този начин новите нишки преминават към дъщерни клетки в процеса на клетъчно делене.

Тъй като всяка верига е смекчена, се казва, че ДНК репликацията е полуконсервативна - в края на процеса новата молекула се състои от нова нишка и стара верига. Този процес е описан през 1958 г. от изследователите Мезелсон и Стал, използвайки изотопи.

Репликацията на ДНК изисква серия от ензими, които катализират процеса. Сред тези протеинови молекули се откроява ДНК полимераза.

реакция

За да се осъществи синтеза на ДНК, са необходими необходимите субстрати за процеса: дезоксирибонуклеотид трифосфатите (dNTP)

Механизмът на реакцията включва нуклеофилна атака на хидроксилната група в 3'-края на растящата верига в алфа фосфата на комплементарния dNTP, елиминирайки пирофосфат. Този етап е много важен, тъй като енергията за полимеризацията идва от хидролизата на dNTPs и полученият пирофосфат.

Pol III или алфа се свързва с първия (виж свойствата на полимеразите) и започва да добавя нуклеотидите. Епсилонът удължава водещата верига и делтата удължава забавената верига.

Свойства на ДНК полимерази

Всички известни ДНК полимерази имат две съществени свойства, свързани с процеса на репликация.

Първо, всички полимерази синтезират ДНК веригата в 5'-3-посоката, прибавяйки dNTPs към хидроксилната група на растящата верига.

Второ, ДНК полимеразите не могат да започнат да синтезират нова верига от нищо. Те се нуждаят от допълнителен елемент, известен като праймер или праймер, който е молекула, образувана от няколко нуклеотида, която дава свободна хидроксилна група, където полимеразата може да закотви и започне своята активност.

Това е една от основните разлики между ДНК и РНК полимерази, тъй като последната е способна да инициира синтеза на de novo верига .

Фрагменти от Оказаки

Първото свойство на ДНК-полимеразите, споменато в предишния раздел, е усложнение за полуконсервативната репликация. Тъй като двете вериги на ДНК протичат по антипаралелен начин, един от тях се синтезира по прекъснат начин (който трябва да бъде синтезиран в 3'-5-тена).

В забавената верига, прекъснатият синтез се осъществява чрез нормалната активност на полимеразата, 5'-3 ', и получените фрагменти - известни в литературата като Okazaki фрагменти - са свързани с друг ензим, лигаза.

Ремонт на ДНК

ДНК е постоянно изложена на фактори, както ендогенни, така и екзогенни, които могат да я увредят. Тези увреждания могат да блокират репликацията и да се натрупат, така че да повлияят на експресията на гените, създавайки проблеми в различните клетъчни процеси.

В допълнение към ролята си в процеса на репликация на ДНК, полимеразата е също ключов компонент на механизмите за възстановяване на ДНК. Те могат също така да действат като сензори в клетъчния цикъл, които предотвратяват навлизането в фазата на разделяне, ако ДНК е повредена.

структура

Понастоящем благодарение на изследванията на кристалографията е възможно да се изяснят структурите на различни полимерази. Въз основа на тяхната първична последователност, полимеразите са групирани в семейства: А, В, С, X и Y.

Някои аспекти са общи за всички полимерази, особено тези, свързани с каталитичните центрове на ензима.

Те включват два ключови активни центъра, които имат метални йони, с два аспартатни остатъка и променлив остатък - или аспартат, или глутамат, който координира металите. Има друга поредица от заредени остатъци, които заобикалят каталитичния център и са запазени в различните полимерази.

В прокариотите, ДНК полимераза I е 103 kd полипептид, II е 88 kd полипептид и III има десет субединици.

При еукариотите ензимите са по-големи и по-сложни: α се формира от пет единици, β и γ от субединица, δ от две субединици и ε с 5.

приложения

PRC

Полимеразната верижна реакция (КНР) е метод, използван във всички лаборатории за молекулярна биология, благодарение на неговата полезност и простота. Целта на този метод е масово да се амплифицира интересуващата ни молекула на ДНК.

За да се постигне това, биолозите използват ДНК полимераза, която не е повредена от топлина (високи температури са необходими за този процес), за да се усили молекулата. Резултатът от този процес е голям брой ДНК молекули, които могат да бъдат използвани за различни цели.

Една от най-забележителните клинични приложения на техниката е използването й в медицинската диагноза. КНР може да се използва за проверка на наличието на патогенни бактерии и вируси при пациенти.

Антибиотици и антитуморни лекарства

Значителен брой лекарства са насочени към съкращаване на механизмите на ДНК репликация в патогенния организъм, било то вирус или бактерия.

В някои от тях целта е инхибирането на активността на ДНК полимеразата. Например, химиотерапевтичното лекарство цитарабин, също наречено цитозин арабинозид, забранява ДНК полимеразата.