DNA-polymerasetyper, funksjon og struktur

4567
Abraham McLaughlin

De DNA-polymerase Det er et enzym som er ansvarlig for å katalysere polymeriseringen av den nye DNA-strengen under replikasjonen av dette molekylet. Hovedfunksjonen er å parre trifosfatdeoksyribonukleotidene med malene. Deltar også i DNA-reparasjon.

Dette enzymet tillater riktig sammenkobling mellom DNA-basene til malstrengen og den nye, etter skjemaet A, pares det med T og G med C.

Struktur av DNA-polymerase beta hos mennesker.
Kilde: Yikrazuul [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], fra Wikimedia Commons

DNA-replikasjonsprosessen må være effektiv og må utføres raskt, så DNA-polymerase fungerer ved å tilsette ca. 700 nukleotider per sekund og gjør bare en feil hver 10.9 eller 1010 innlemmet nukleotider.

Det finnes forskjellige typer DNA-polymerase. Disse varierer i både eukaryoter og prokaryoter, og hver har en spesifikk rolle i DNA-replikasjon og reparasjon..

Det er mulig at et av de første enzymene som dukket opp i evolusjon var polymeraser, siden evnen til å replikere genomet er et iboende krav til utvikling av organismer..

Oppdagelsen av dette enzymet er kreditert Arthur Kornberg og hans kolleger. Denne forskeren identifiserte DNA-polymerase I (Pol I) i 1956, mens han jobbet med Escherichia coli. Tilsvarende var det Watson og Crick som foreslo at dette enzymet kunne produsere trofaste kopier av DNA-molekylet..

Artikkelindeks

  • 1 Typer
    • 1.1 Prokaryoter
    • 1.2 Eukaryoter
    • 1.3 Buer
  • 2 funksjoner: DNA-replikering og reparasjon
    • 2.1 Hva er DNA-replikasjon?
    • 2.2 Reaksjon
    • 2.3 Egenskaper til DNA-polymeraser
    • 2.4 Fragmenter av Okazaki
    • 2.5 DNA-reparasjon
  • 3 Struktur
  • 4 Søknader
    • 4.1 PRC
    • 4.2 Antibiotika og antitumormedisiner
  • 5 Referanser

Typer

Prokaryoter

Prokaryote organismer (organismer uten en ekte kjerne, avgrenset av en membran) har tre hoved-DNA-polymeraser, ofte forkortet som pol I, II og III.

DNA-polymerase I deltar i DNA-replikasjon og reparasjon og har exonukleaseaktivitet i begge retninger. Rollen til dette enzymet i replikasjon betraktes som sekundær.

II deltar i DNA-reparasjon og dens eksonukleaseaktivitet er i 3'-5'-forstand. III deltar i DNA-replikering og revisjon, og som det forrige enzymet har det eksonukleaseaktivitet i 3'-5'-forstand.

Eukaryoter

Eukaryoter (organismer med en ekte kjerne, avgrenset av en membran) har fem DNA-polymeraser, navngitt med bokstaver i det greske alfabetet: α, β, γ, δ og ε.

Polymerase γ ligger i mitokondriene og er ansvarlig for replikering av genetisk materiale i denne celleorganellen. I kontrast er de andre fire funnet i cellekjernen og er involvert i kjernefysisk DNA-replikasjon..

Variantene α, δ og ε er de mest aktive i celledelingsprosessen, noe som tyder på at deres hovedfunksjon er assosiert med produksjon av DNA-kopier..

DNA-polymerase β viser på sin side toppene av aktivitet i celler som ikke deler seg, så det antas at hovedfunksjonen er forbundet med DNA-reparasjon..

Ulike eksperimenter har lykkes med å verifisere hypotesen om at de for det meste forbinder α, δ og ε polymeraser med DNA-replikasjon. Typene γ, δ og ε har 3'-5 'eksonukleaseaktivitet.

Buer

Nye sekvenseringsmetoder har lykkes med å identifisere et stort utvalg av DNA-polymerasefamilier. Spesielt i archaea er en familie av enzymer, kalt D-familien, identifisert som er unike for denne gruppen organismer..

Funksjoner: DNA-replikering og reparasjon

Hva er DNA-replikasjon?

DNA er molekylet som bærer all den genetiske informasjonen til en organisme. Den består av et sukker, en nitrogenholdig base (adenin, guanin, cytosin og tymin) og en fosfatgruppe.

Under prosessene med celledeling, som stadig skjer, må DNA kopieres raskt og nøyaktig - spesielt i S-fasen av cellesyklusen. Denne prosessen der cellen kopierer DNA er kjent som replikasjon.

Strukturelt består DNA-molekylet av to tråder som danner en helix. Under replikasjonsprosessen skiller disse seg og fungerer hver som en mal for dannelsen av et nytt molekyl. Dermed passerer de nye strengene til dattercellene i prosessen med celledeling..

Siden hver streng fungerer som en mal, sies det at DNA-replikering er semi-konservativ - på slutten av prosessen består det nye molekylet av en ny og en gammel streng. Denne prosessen ble beskrevet i 1958 av forskerne Meselson og Stahl, ved bruk av isopoter.

DNA-replikering krever en serie enzymer som katalyserer prosessen. Blant disse proteinmolekylene skiller DNA-polymerase seg ut.

Reaksjon

For at DNA-syntese skal skje, kreves de nødvendige substratene for prosessen: deoksyribonukleotidtrifosfat (dNTP)

Reaksjonsmekanismen involverer et nukleofilt angrep av hydroksylgruppen i 3'-enden av den voksende strengen på alfa-fosfat av komplementære dNTPer, og eliminerer et pyrofosfat. Dette trinnet er veldig viktig, siden energien for polymerisering kommer fra hydrolyse av dNTP og det resulterende pyrofosfat..

Pol III eller alfa binder seg til primeren (se egenskaper av polymeraser) og begynner å tilsette nukleotider. Epsilon forlenger blykjeden, og delta forlenger den forsinkede tråden.

Egenskaper av DNA-polymeraser

Alle kjente DNA-polymeraser har to essensielle egenskaper knyttet til replikasjonsprosessen.

Først syntetiserer alle polymeraser DNA-strengen i 5'-3'-retningen, og tilfører dNTP-ene til hydroksylgruppen i den voksende kjeden..

For det andre kan DNA-polymeraser ikke begynne å syntetisere en ny streng ut av tynn luft. De trenger et ekstra element kjent som en primer eller primer, som er et molekyl som består av noen få nukleotider som gir en fri hydroksylgruppe, hvor polymerasen kan forankre seg selv og begynne sin aktivitet..

Dette er en av de grunnleggende forskjellene mellom DNA- og RNA-polymeraser, siden sistnevnte er i stand til å initiere syntesen av en kjede de novo.

Fragmenter av Okazaki

Den første egenskapen til DNA-polymeraser nevnt i forrige avsnitt representerer en komplikasjon for semi-konservativ replikering. Ettersom de to DNA-strengene kjører antiparallell, syntetiseres en av dem diskontinuerlig (den som må syntetiseres i 3'-5'-retning).

I den forsinkede strengen oppstår diskontinuerlig syntese gjennom den normale aktiviteten til polymerasen, 5'-3 ', og de resulterende fragmentene - kjent i litteraturen som Okazaki-fragmenter - er bundet av et annet enzym, ligase.

DNA-reparasjon

DNA blir stadig eksponert for faktorer, både endogene og eksogene, som kan skade det. Disse skadene kan blokkere replikering og akkumuleres, noe som påvirker uttrykket av gener, og genererer problemer i de forskjellige cellulære prosessene.

I tillegg til sin rolle i DNA-replikasjonsprosessen, er polymerase også en nøkkelkomponent i DNA-reparasjonsmekanismer. De kan også fungere som sensorer i cellesyklusen som forhindrer inntreden i delingsfasen hvis DNA blir skadet..

Struktur

For øyeblikket, takket være krystallografiske studier, har strukturene til forskjellige polymeraser blitt belyst. Basert på deres primære sekvens, er polymeraser gruppert i familier: A, B, C, X og Y.

Noen aspekter er felles for alle polymeraser, spesielt de som er relatert til enzymets katalytiske sentre.

Disse inkluderer to viktige aktive steder som har metallioner, med to aspartatrester og en variabel rest - enten aspartat eller glutamat, som koordinerer metallene. Det er en annen serie ladede rester som omgir det katalytiske sentrum og konserveres i de forskjellige polymerasene.

I prokaryoter er DNA-polymerase I et 103 kd polypeptid, II er et 88 kd polypeptid, og III består av ti underenheter..

I eukaryoter er enzymene større og mer komplekse: α består av fem enheter, β og γ av en underenhet, δ av to underenheter og ε av 5..

applikasjoner

PRC

Polymerasekjedereaksjonen (PRC) er en metode som brukes i alle molekylærbiologilaboratorier, takket være dens nytte og enkelhet. Målet med denne metoden er å massivt forsterke et DNA-molekyl av interesse.

For å oppnå dette bruker biologer en DNA-polymerase som ikke er skadet av varme (høye temperaturer er avgjørende for denne prosessen) for å forsterke molekylet. Resultatet av denne prosessen er et stort antall DNA-molekyler som kan brukes til forskjellige formål..

Et av de mest fremragende kliniske verktøyene til teknikken er bruken av den medisinske diagnoser. PRC kan brukes til å kontrollere pasienter for patogene bakterier og virus..

Antibiotika og antitumor medisiner

Et betydelig antall medikamenter er rettet mot å avkutte mekanismene for DNA-replikasjon i den patogene organismen, det være seg et virus eller en bakterie..

I noe av dette er målet inhibering av DNA-polymeraseaktivitet. For eksempel deaktiverer det kjemoterapeutiske medikamentet cytarabin, også kalt cytosin arabinosid, DNA-polymerase.

Referanser

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A. D., Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Essensiell cellebiologi. Garland vitenskap.
  2. Cann, I. K., og Ishino, Y. (1999). Archaeal DNA-replikering: identifisere brikkene for å løse et puslespill. Genetikk152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G. M. og Hausman, R. E. (2004). Cellen: Molekylær tilnærming. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Flere funksjoner av DNA-polymeraser. Kritiske anmeldelser i plantevitenskap26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., & Kunkel, T. A. (2003). Funksjoner av eukaryote DNA-polymeraser. Vitenskapens SAGE KE2003(8), 3.
  6. Steitz, T. A. (1999). DNA-polymeraser: strukturelt mangfold og vanlige mekanismer. Tidsskrift for biologisk kjemi274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W. A., Pedersen, L. G., & Wilson, S. H. (2013). Strukturell sammenligning av DNA-polymerasearkitektur antyder en nukleotidport til det aktive polymerase-stedet. Kjemiske vurderinger114(5), 2759-74.

Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.