DNA-POLYMERASE: TYPER, FUNKSJON OG STRUKTUR - BIOLOGI - 2026

Den DNA-polymerase er et enzym som er ansvarlig for katalysering av polymeriseringen av den nye DNA-tråden i løpet av replikasjonen av dette molekylet. Dets viktigste funksjon er å parre trifosfatdeoksyribonukleotidene med malene i malkjeden. Det er også involvert i DNA-reparasjon.

Dette enzymet tillater riktig sammenkobling mellom DNA-basene i malkjeden og den nye, etter skjemaet for A-par med T, og G med C.

Struktur av DNA-polymerase beta hos mennesker.
Kilde: Yikrazuul, fra Wikimedia Commons

DNA-replikasjonsprosessen må være effektiv og må utføres raskt, slik at DNA-polymerase virker ved å tilsette omtrent 700 nukleotider per sekund og bare gjør en feil hver 10 ⁹ eller 10 ¹⁰ nukleotider innlemmet.

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

Det er mulig at en av de første enzymene som dukket opp i evolusjonen var polymeraser, siden evnen til å gjenskape genomet nøyaktig er et iboende krav for utvikling av organismer.

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

typer

prokaryoter

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

DNA-polymerase I deltar i DNA-replikasjon og -reparasjon og har eksonukleaseaktivitet i begge retninger. Dette enzymets rolle i replikering anses å være sekundær.

II deltar i DNA-reparasjon og eksonukleaseaktiviteten er i 3'-5 'forstand. III deltar i replikering og revisjon av DNA, og i likhet med forrige enzym viser det eksonukleaseaktivitet i 3'-5 'forstand.

eukaryoter

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

Polymerase γ er lokalisert i mitokondriene og er ansvarlig for replikasjonen av genetisk materiale i denne celleorganellen. Derimot finnes de fire andre i kjernen til celler og er involvert i DNA-replikasjon.

Α-, δ- og ε-variantene er de mest aktive i celledelingsprosessen, noe som tyder på at deres viktigste funksjon er assosiert med produksjonen av DNA-kopier.

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

Ulike eksperimenter har vært i stand til å bekrefte hypotesen om at de mest assosierer α-, δ- og ε-polymeraser med DNA-replikasjon. Typene γ, δ og ε viser 3'-5 'eksonukleaseaktivitet.

Arches

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

Funksjoner: DNA-replikasjon og reparasjon

Hva er DNA-replikasjon?

DNA er molekylet som bærer all genetisk informasjon om en organisme. Det består av et sukker, en nitrogenholdig base (adenin, guanin, cytosin og tymin) og en fosfatgruppe.

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

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

Siden hver streng fungerer som en mal, sies DNA-replikasjon å være semikonservativ - på slutten av prosessen består det nye molekylet av en ny og en gammel streng. Denne prosessen ble beskrevet i 1958 av forskere Meselson og Stahl ved bruk av isopoter.

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

Reaksjon

For at DNA-syntese skal skje, er de nødvendige underlag for prosessen nødvendig: deoksyribonukleotidtrifosfat (dNTP)

Reaksjonsmekanismen involverer et nukleofilt angrep fra hydroksylgruppen i 3 'enden av den voksende tråden på alfosfatet av de komplementære dNTP-ene, og eliminerer et pyrofosfat. Dette trinnet er veldig viktig, siden energien for polymerisasjon kommer fra hydrolyse av dNTP-ene og det resulterende pyrofosfat.

Pol III eller alfa binder seg til primeren (se egenskaper til polymeraser) og begynner å tilsette nukleotider. Epsilonen forlenger blykjeden, og deltaet forlenger den retarderte tråden.

Egenskaper til DNA-polymeraser

Alle kjente DNA-polymeraser deler to essensielle egenskaper assosiert med 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 ikke DNA-polymeraser begynne å syntetisere en ny streng fra bunnen av. De trenger et tilleggselement kjent som en grunning eller grunning, som er et molekyl som består av noen få nukleotider som gir en fri hydroksylgruppe, der polymerasen kan forankre og begynne sin aktivitet.

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

Fragmenter av Okazaki

Den første egenskapen til DNA-polymeraser nevnt i forrige seksjon representerer en komplikasjon for semikonservativ replikasjon. Når de to DNA-strengene kjører antiparallelt, syntetiseres en av dem diskontinuerlig (den som måtte syntetiseres i 3'-5 'forstand).

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

DNA-reparasjon

DNA blir kontinuerlig utsatt for faktorer, både endogene og eksogene, som kan skade det. Disse skadene kan blokkere replikasjon og akkumulere, påvirke ekspresjonen av gener, forårsake problemer i de forskjellige cellulære prosessene.

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

Struktur

For tiden, takket være krystallografistudier, har strukturene til forskjellige polymeraser blitt belyst. Basert på deres primære sekvens grupperes polymeraser 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 er bevart i de forskjellige polymeraser.

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 sammensatte: a 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 brukbarhet 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.

En av de mest fremragende kliniske verktøyene for teknikken er bruken i medisinsk diagnose. PRC kan brukes til å sjekke pasienter for patogene bakterier og virus.

Antibiotika og antitumormedisiner

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

I noe av dette er målet hemming av DNA-polymeraseaktivitet. Det kjemoterapeutiske medikamentet cytarabin, også kalt cytosin arabinosid, deaktiverer for eksempel DNA-polymerase.

referanser

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2015). Essensiell cellebiologi. Garland Science.
2. Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Archaeal DNA-replikasjon: identifisere brikkene for å løse et puslespill. Genetikk, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). Cellen: Molekylær tilnærming. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Flere funksjoner av DNA-polymeraser. Kritiske anmeldelser i plantevitenskap, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Funksjoner av eukaryote DNA-polymeraser. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA-polymeraser: strukturelt mangfold og vanlige mekanismer. Journal of Biologisk kjemi, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013). Strukturell sammenligning av DNA-polymerasearkitektur antyder en nukleotidport til det aktive polymerase. Chemical Reviews, 114 (5), 2759-74.