DNA POLIMERAZA: VRSTE, FUNKCIJA I STRUKTURA - BIOLOGIJA - 2026

DNA polimeraza je enzim koji je odgovoran za katalizira polimerizaciju nove DNK replikacije za ove molekule. Njegova glavna funkcija je spajanje trifosfatnih deoksiribonukleotida s onima iz lanca predloška. Uključena je i u popravak DNK.

Ovaj enzim omogućuje pravilno spajanje DNK baza lanca predloška i novog, slijedeći shemu A para s T i G s C.

Struktura beta polimeraze beta kod ljudi.

Izvor: Yikrazuul, iz Wikimedia Commons

Postupak replikacije DNK mora biti učinkovit i mora se brzo provesti, tako da DNK polimeraza djeluje dodavanjem oko 700 nukleotida u sekundi i čini samo jednu grešku svakih 10 ⁹ ili 10 ¹⁰ nukleotida koji su ugrađeni.

Postoje različite vrste DNK polimeraze. Oni se razlikuju i u eukariota i u prokariote, a svaki ima specifičnu ulogu u replikaciji i popravljanju DNK.

Moguće je da su jedan od prvih enzima koji su se pojavili u evoluciji bile polimeraze, jer je sposobnost preciznog umnožavanja genoma svojstveni zahtjev za razvoj organizama.

Otkriće ovog enzima zaslužno je za Arthura Kornberga i njegove kolege. Ovaj je istraživač 1956. identificirao DNA polimerazu (Pol I), radeći s Escherichia coli. Slično tome, Watson i Crick su predložili da ovaj enzim može stvoriti vjerne kopije molekule DNK.

vrste

prokariota

Prokariotski organizmi (organizmi bez prave jezgre, omeđene membranom) posjeduju tri glavne DNK polimeraze, najčešće skraćeno kao pol I, II i III.

DNA polimeraza I sudjeluje u replikaciji i popravljanju DNA i ima eksonukleazno djelovanje u oba smjera. Uloga ovog enzima u replikaciji smatra se sekundarnom.

II sudjeluje u popravljanju DNK i njegova egzonuklezijska aktivnost je u 3'-5 'smislu. III sudjeluje u replikaciji i reviziji DNK, a kao i prethodni enzim, on ima eksonukleazno djelovanje u 3'-5 'smislu.

eukariota

Eukarioti (organizmi s pravom jezgrom, ograničeni membranom) imaju pet DNK polimeraza, nazvanih slovima grčke abecede: α, β, γ, δ i ε.

Polimeraza γ nalazi se u mitohondrijama i odgovorna je za replikaciju genetskog materijala u ovoj staničnoj organeli. Suprotno tome, ostale četiri nalaze se u jezgri stanica i uključene su u replikaciju nuklearne DNK.

Varijante α, δ i ε najaktivnije su u procesu stanične diobe, što sugerira da je njihova glavna funkcija povezana s proizvodnjom DNK kopija.

DNA polimeraza β, sa svoje strane, pokazuje maksimum aktivnosti u stanicama koje se ne dijele, pa se pretpostavlja da je njezina glavna funkcija povezana s popravkom DNK.

Različiti eksperimenti uspjeli su potvrditi hipotezu da oni uglavnom povezuju α, δ i ε polimeraze s replikacijom DNK. Tipovi γ, δ i ε pokazuju aktivnost 3'-5 'egzonuklaze.

lukovi

Novim postupcima sekvenciranja uspjeli su identificirati ogroman niz obitelji DNA polimeraza. U arheji je utvrđena obitelj enzima nazvana D obitelj koja je jedinstvena za ovu skupinu organizama.

Funkcije: umnožavanje i popravak DNK

Što je replikacija DNA?

DNK je molekula koja nosi sve genetske informacije organizma. Sastoji se od šećera, dušične baze (adenin, gvanin, citozin i timin) i fosfatne skupine.

Tijekom procesa stanične diobe, koji se neprestano događaju, DNK se mora kopirati brzo i točno - posebno u S fazi staničnog ciklusa. Taj postupak u kojem ćelija kopira DNK poznat je kao replikacija.

Strukturno, molekula DNK sastoji se od dvije niti, tvoreći uvojnicu. Tijekom procesa replikacije, oni se odvajaju i svaki djeluje kao predložak za stvaranje nove molekule. Tako novi lančići prelaze u stanice kćeri u procesu diobe stanica.

Budući da svaki pramen služi kao predložak, kaže se da je replikacija DNA polukonzervativna - na kraju postupka, nova molekula sastoji se od novog i starog lanca. Taj su postupak opisali 1958. godine istraživači Meselson i Stahl, koristeći izopote.

Replikacija DNK zahtijeva niz enzima koji kataliziraju proces. Među tim proteinkim molekulama ističe se DNK polimeraza.

reakcija

Za sintezu DNK potrebni su supstrati potrebni za postupak: deoksiribonukleotid trifosfat (dNTP)

Reakcijski mehanizam uključuje nukleofilni napad hidroksilne skupine na 3 'kraju rastuće niti na alfa fosfatu komplementarnih dNTP-a, eliminirajući pirofosfat. Ovaj je korak vrlo važan, jer energija za polimerizaciju dolazi iz hidrolize dNTP-a i rezultirajućeg pirofosfata.

Pol III ili alfa veže se za primer (vidi svojstva polimeraza) i počinje dodavati nukleotide. Epsilon produžava olovni lanac, a delta produžuje retardirani pramen.

Svojstva DNA polimeraze

Sve poznate DNK polimeraze imaju dva bitna svojstva povezana s procesom replikacije.

Prvo, sve polimeraze sintetiziraju DNA lanac u 5'-3 'smjeru, dodajući dNTPs hidroksilnoj skupini rastućeg lanca.

Drugo, DNK polimeraze ne mogu početi sintetizirati novi niz od nule. Potreban im je dodatni element poznat kao temeljni premaz ili prajmer, to je molekula sastavljena od nekoliko nukleotida koji pružaju slobodnu hidroksilnu skupinu, pri čemu se polimeraza može usidriti i započeti svoju aktivnost.

Ovo je jedna od osnovnih razlika između DNA i RNA polimeraza, jer je potonja sposobna pokrenuti sintezu de novo lanca.

Ulomci Okazakija

Prvo svojstvo DNA polimeraza spomenuto u prethodnom odjeljku predstavlja komplikaciju za polukonzervativnu replikaciju. Dok se dva lanca DNA pokreću antiparalno, jedan od njih sintetizira se diskontinuirano (onaj koji bi trebao biti sintetiziran u smislu 3'-5 ').

U odloženom lancu, prekinuta sinteza nastaje normalnom aktivnošću polimeraze, 5'-3 ', a rezultirajući fragmenti - poznati u literaturi kao Okazaki fragmenti - povezani su drugim enzimom, ligazom.

Popravak DNK

DNK je stalno izložena čimbenicima, endogenim i egzogenim, koji mogu oštetiti. Ova oštećenja mogu blokirati replikaciju i akumuliranje, utječući na ekspresiju gena, uzrokujući probleme u različitim staničnim procesima.

Pored svoje uloge u procesu replikacije DNK, polimeraza je također ključna komponenta mehanizama popravke DNK. Oni također mogu djelovati kao senzori u staničnom ciklusu koji sprječavaju ulazak u fazu diobe ako je oštećena DNK.

Struktura

Trenutno su zahvaljujući kristalografskim studijama pojašnjene strukture različitih polimeraza. Na osnovu njihovog primarnog slijeda, polimeraze su grupirane u obitelji: A, B, C, X i Y.

Neki su aspekti zajednički za sve polimeraze, posebno one povezane s katalitičkim centrima enzima.

Tu su uključena dva ključna aktivna mjesta koja imaju ione metala, s dva ostatka aspartata i jednim varijabilnim ostatkom - aspartatom ili glutamatom, koji koordinira metale. Postoji još niz nabijenih ostataka koji okružuju katalitički centar i koji se čuvaju u različitim polimerazama.

U prokariotima, DNA polimeraza I je 103 kd polipeptid, II je 88 kd polipeptid, a III se sastoji od deset podjedinica.

U eukariotama enzimi su veći i složeniji: α se sastoji od pet jedinica, β i γ jedne podjedinice, δ dvije podjedinice i ε od ​​5.

Prijave

PRC

Lančana reakcija polimeraze (PRC) metoda je koja se koristi u svim laboratorijima molekularne biologije, zahvaljujući njezinoj korisnosti i jednostavnosti. Cilj ove metode je masovno pojačavanje molekula DNA koja nas zanima.

Da bi to postigli, biolozi koriste DNK polimerazu koja nije oštećena toplinom (visoke temperature su neophodne za ovaj postupak) kako bi pojačale molekulu. Rezultat ovog procesa je veliki broj molekula DNA koji se mogu koristiti u različite svrhe.

Jedna od najistaknutijih kliničkih korisnosti ove tehnike je njezina upotreba u medicinskoj dijagnozi. PRC se može koristiti za provjeru pacijenata na patogene bakterije i viruse.

Antibiotici i antitumorski lijekovi

Značajan broj lijekova ima za cilj skraćenje mehanizama replikacije DNK u patogenom organizmu, bilo da se radi o virusu ili bakteriji.

U nekome od njih, meta je inhibicija aktivnosti DNA polimeraze. Na primjer, kemoterapijski lijek citarabin, koji se naziva i citozin arabinozid, onemogućuje DNA polimerazu.

Reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Bitna stanična biologija. Garland Science.
2. Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Reprodukcija arhejske DNK: prepoznavanje dijelova za rješavanje zagonetke. Genetika, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM i Hausman, RE (2004). Stanica: Molekularni pristup. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Višestruke funkcije DNA polimeraze. Kritički osvrti na biljne znanosti, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., i Kunkel, TA (2003). Funkcije eukariotske DNA polimeraze. SAGE KE znanosti, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA polimeraze: strukturna raznolikost i zajednički mehanizmi. Časopis za biološku kemiju, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013). Strukturna usporedba arhitekture DNA polimeraze sugerira nukleotidni ulaz u aktivno mjesto polimeraze. Kemijski pregledi, 114 (5), 2759-74.