DNA-polymerasetyper, funktion og struktur



den DNA-polymerase er et enzym der er ansvarlig for katalysering af polymeriseringen af ​​den nye DNA-streng under replikationen af ​​dette molekyle. Hovedfunktionen er at matche deoxyribonukleotidtrifosfater med dem i template-kæden. Det deltager også i DNA reparation.

Dette enzym muliggør den korrekte parring mellem baserne i DNA-template og den nye kæde ifølge ordningen et par med T og G med C.

Processen af ​​DNA-replikation skal være effektive og skal udføres hurtigt, således at DNA-polymerasen virker tilsætning ca. 700 nukleotider per sekund og kun laver en fejl 109 eller 1010 indlejrede nukleotider.

Der er forskellige typer af DNA-polymerase. Disse varierer i både eukaryoter og prokaryoter, og hver har en specifik rolle i DNA-replikation og reparation..

Det er muligt, at et af de første enzymer, der fremkommer under udvikling, har været polymeraser, da evnen til at replikere genomet nøjagtigt er et grundlæggende krav til udvikling af organismer.

Opdagelsen af ​​dette enzym er tilskrevet Arthur Kornberg og hans kolleger. Denne forsker identificerede DNA polymerase I (Pol I) i 1956, mens han arbejdede med Escherichia coli. Tilsvarende var det Watson og Crick, der foreslog, at dette enzym kunne producere trofaste kopier af DNA-molekylet.

indeks

  • 1 typer
    • 1.1 Prokaryoter
    • 1.2 Eukaryoter
    • 1.3 buer
  • 2 Funktioner: DNA-replikation og reparation
    • 2.1 Hvad er DNA-replikation?
    • 2.2 reaktion
    • 2.3 Egenskaber af DNA-polymeraser
    • 2.4 Fragmenter af Okazaki
    • 2,5 DNA reparation
  • 3 struktur
  • 4 applikationer
    • 4,1 pr
    • 4.2 Antibiotika og antitumorlægemidler
  • 5 referencer

typen

prokaryoter

Prokaryote organismer (organismer uden en reel kerne afgrænset af en membran) har top tre DNA-polymeraser, almindeligvis forkortet som pol I, II og III.

DNA-polymerase I deltager i replikationen og reparationen af ​​DNA og besidder exonucleaseaktivitet i begge retninger. Det vurderes, at dette enzyms rolle i replikation er sekundært.

II er involveret i DNA-reparation og exonukleaseaktivitet er i den forstand 3'-5'. III deltager i replikation og korrekturlæsning DNA og som ovennævnte enzym, exonukleaseaktivitet er til stede i den forstand 3'-5'.

eukaryote

Eukaryoter (organismer med en reel kerne afgrænset af en membran) har fem DNA-polymeraser, navngivet med græske bogstaver: α, p, γ, δ og ε.

Y-polymerasen er lokaliseret i mitokondrier og er ansvarlig for replikationen af ​​det genetiske materiale i denne cellulære organelle. I modsætning hertil findes de øvrige fire i kernens celler og er involveret i nukleær DNA-replikation.

Varianterne α, A og E er de mest aktive i processen med celledeling, hvilket antyder, at dets primære funktion er forbundet med produktionen af ​​DNA-kopier.

DNA-polymerasen P, derimod, præsenterer toppe af aktivitet i de celler, der ikke deler, hvorfor det antages, at dets hovedfunktion er forbundet med reparationen af ​​DNA'et.

Forskellige forsøg har godtgjort den hypotese, at det meste forbundet med polymeraserne α, A og ε med DNA-replikation. Typerne y, δ og ε udviser 3'-5 'exonukleaseaktivitet.

archaea

De nye metoder til sekventering har formået at identificere et stort antal familier af DNA-polymeraser. I arkæa har vi specifikt identificeret en familie af enzymer, kaldet D-familien, som er unikke for denne gruppe af organismer.

Funktioner: DNA replikation og reparation

Hvad er DNA replikation?

DNA er molekylet, som bærer alle genetiske oplysninger af en organisme. Den består af et sukker, en nitrogenbaseret base (adenin, guanin, cytosin og thymin) og en phosphatgruppe.

Under cellefordelingsprocesser, som konstant forekommer, skal DNA kopieres hurtigt og præcist - specifikt i S-fasen af ​​cellecyklussen. Denne proces, hvor cellen kopierer DNA, er kendt som replikation.

Strukturelt dannes DNA-molekylet af to tråde, der danner en helix. Under replikationsprocessen adskilles disse og hver især virker som et temperament for dannelsen af ​​et nyt molekyle. De nye strenge passerer således til datterceller i processen med celledeling.

Da hver streng er hærdet, siges det, at DNA-replikation er semikonservativ - i slutningen af ​​processen består det nye molekyle af en ny streng og en gammel streng. Denne proces blev beskrevet i 1958 af forskere Meselson og Stahl, hjælp isópotos.

DNA-replikation kræver en række enzymer, der katalyserer processen. Blandt disse proteinmolekyler skiller DNA-polymerasen sig ud.

reaktion

For forekommer DNA-syntese, kræves det af substraterne, der er nødvendige for processen: de deoxyribonukleotidtriphosphater (dNTP'er)

Mekanismen af ​​reaktionen involverer en nukleofilt angreb af hydroxylgruppen ved 3 'enden af ​​strengen i vækst i a-phosphat af dNTP komplementær fjernelse pyrophosphat. Dette trin er meget vigtigt, da energien til polymerisation kommer fra hydrolysen af ​​dNTP'er og den resulterende pyrophosphat.

Pol III eller alfa forbinder den første (se polymeras egenskaber) og begynder at tilføje nucleotiderne. Epsilonen forlænger lederkæden, og deltaet forlænger den forsinkede streng.

Egenskaber af DNA-polymeraser

Alle kendte DNA-polymeraser deler to væsentlige egenskaber forbundet med replikationsprocessen.

Første, alle polymeraser syntetisere DNA-streng i 5'-3', tilføjer dNTP'er til hydroxylgruppen af ​​den voksende kæde.

For det andet kan DNA-polymeraser ikke begynde at syntetisere en ny kæde fra ingenting. Brug yderligere element kendt som en første eller primer, som er et molekyle bestående af nogle få nucleotider, der giver en fri hydroxylgruppe, som kan forankres polymerase og starte operation.

Dette er en af ​​de grundlæggende forskelle mellem DNA og RNA-polymeraser, da sidstnævnte er i stand til at initiere syntesen af ​​en kæde de novo.

Fragmenter af Okazaki

Den første egenskab af DNA-polymeraserne nævnt i det foregående afsnit er en komplikation for semikonservativ replikation. Da de to tråde af DNA løber på en antiparallel måde, syntetiseres en af ​​dem på en diskontinuerlig måde (som skulle syntetiseres i 3'-5'-retningen).

I den forsinkede streng forekommer diskontinuerlig syntese ved hjælp af polymeras normale aktivitet, 5'-3 ', og de resulterende fragmenter, der er kendt i litteraturen som Okazaki-fragmenter, er bundet af et andet enzym, ligase.

DNA reparation

DNA udsættes konstant for faktorer, både endogene og eksogene, der kan skade det. Disse skader kan blokere replikationen og akkumulere, så de påvirker generernes ekspression, genererer problemer i de forskellige cellulære processer.

Ud over sin rolle i DNA-replikationsprocessen er polymerase også en nøglebestanddel i DNA-reparationsmekanismer. De kan også fungere som sensorer i cellecyklussen, der forhindrer adgang til divisionsfasen, hvis DNA'et er beskadiget.

struktur

På nuværende tidspunkt er det på baggrund af undersøgelser af krystallografi blevet muligt at belyse strukturerne af forskellige polymeraser. Baseret på deres primære sekvens grupperes polymeraser i familier: A, B, C, X og Y.

Nogle aspekter er fælles for alle polymeraser, især de der er relateret til enzymets katalytiske centre.

Disse omfatter to vigtige aktive steder, der har metalioner, med to aspartatrester og en variabel rest - enten aspartat eller glutamat, som koordinerer metallerne. Der er en anden serie af ladede rester omgiver det katalytiske center og er bevaret i forskellige polymeraser.

I prokaryoter er DNA-polymerase I et 103 kd polypeptid, II er et 88 kd polypeptid, og III er sammensat af ti underenheder.

I eukaryoter enzymer er større og mere komplekse: den α består af fem enheder, β og γ af en underenhed, de to y.la A-e underenheder til 5.

applikationer

Kina

Polymerasekædereaktionen (PRC) er en metode, der anvendes i alle molekylærbiologiske laboratorier takket være dens anvendelighed og enkelhed. Formålet med denne metode er at massivt amplificere et DNA-molekyle af interesse.

For at opnå dette, biologer bruge en DNA-polymerase, der ikke beskadiges af varme (temperatur høj er afgørende for denne proces) for at amplificere molekylet. Resultatet af denne proces er et stort antal DNA-molekyler, som kan anvendes til forskellige formål.

En af de mest fremragende kliniske værktøjer i teknikken er dens anvendelse i medicinsk diagnose. Kina kan bruges til at kontrollere forekomsten af ​​patogene bakterier og vira hos patienter.

Antibiotika og antitumorlægemidler

Et betydeligt antal lægemidler har til formål at afkorte mekanismerne for DNA-replikation i den patogene organisme, det være sig en virus eller en bakterie.

I nogle af dette er målet inhibering af DNA-polymeraseaktivitet. For eksempel kemoterapi stof cytarabin, også kendt som cytosinarabinosid, deaktiverer DNA-polymerase.

referencer

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A. D., Lewis, J., Raff, M., ... & Walter, P. (2015). Væsentlig cellebiologi. Garland Science.
  2. Cann, I. K., & Ishino, Y. (1999). Archaeal DNA replikation: identificere stykkerne for at løse et puslespil. Genetik, 152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G. M., & Hausman, R. E. (2004). Cellen: Molekylær tilgang. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M. & Bebenek, K. (2007). Multiple funktioner af DNA-polymeraser. Kritiske anmeldelser i plantevidenskab, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P.V., Bebenek, K., & Kunkel, T. A. (2003). Funktioner af eukaryotiske DNA-polymeraser. Videnskabens SAGE KE, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T. A. (1999). DNA-polymeraser: strukturel mangfoldighed og fælles mekanismer. Journal of Biological Chemistry, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W. A., Pedersen, L.G., og Wilson, S.H. (2013). Strukturel sammenligning af DNA-polymerasarkitektur antyder en nukleotidgateway til det polymeraseaktive sted. Kemiske anmeldelser, 114(5), 2759-74.