POLYMERASE: EGENSKAPER, STRUKTUR OG FUNKSJONER - BIOLOGI - 2026

De polymeraser er enzymer hvis funksjon er knyttet til prosesser for replikasjon og transkripsjon av nukleinsyrer. Det er to hovedtyper av disse enzymene: DNA-polymerase og RNA-polymerase.

DNA-polymerase er ansvarlig for å syntetisere den nye DNA-kjeden under replikasjonsprosessen, tilsette nye nukleotider. De er store, komplekse enzymer, og avviker i struktur avhengig av om de finnes i en eukaryotisk eller en prokaryotisk organisme.

Taq-polymerase: enzymet som brukes i PCR.
Kilde: Lijealso

Tilsvarende virker RNA-polymerase under DNA-transkripsjon og syntetiserer RNA-molekylet. I likhet med DNA-polymerase finnes den i både eukaryoter og prokaryoter, og dens struktur og kompleksitet varierer avhengig av gruppen.

Fra et evolusjonsperspektiv er det sannsynlig å tenke at de første enzymene må ha hatt polymeraseaktivitet, ettersom et av de iboende kravene for utvikling av livet er replikasjonskapasiteten til genomet.

Det sentrale dogmet i molekylærbiologi

Den såkalte "dogmen" fra molekylærbiologi beskriver dannelsen av proteiner fra gener som er kryptert i DNA i tre trinn: replikasjon, transkripsjon og translasjon.

Prosessen begynner med replikering av DNA-molekylet, der to kopier av det genereres på en semikonservativ måte. Meldingen fra DNAet blir deretter transkribert til et RNA-molekyl, kalt messenger RNA. Til slutt blir messenger oversatt til proteiner av ribosomale maskiner.

I denne artikkelen skal vi utforske to viktige enzymer involvert i de to første prosessene som er nevnt.

Det er verdt å merke seg at det er unntak fra den sentrale dogmen. Mange gener blir ikke oversatt til proteiner, og i noen tilfeller er informasjonsstrømmen fra RNA til DNA (som i retrovirus).

DNA-polymerase

Egenskaper

DNA-polymerase er enzymet som er ansvarlig for den eksakte replikasjonen av genomet. Arbeidet med enzymet må være effektivt nok til å sikre vedlikehold av genetisk informasjon og overføring til de neste generasjoner.

Hvis vi vurderer størrelsen på genomet, er det en ganske utfordrende oppgave. Hvis vi for eksempel setter oss som oppgave å transkribere et 100-siders dokument på datamaskinen vår, ville vi helt sikkert ha en feil (eller mer, avhengig av konsentrasjonen) for hver side.

Polymerasen kan tilsette mer enn 700 nukleotider hvert sekund, og det er bare galt hver 10 ⁹ eller 10 ¹⁰ inkorporerte nukleotider, et ekstraordinært antall.

Polymerasen må ha mekanismer som gjør at informasjonen til genomet kan kopieres nøyaktig. Derfor er det forskjellige polymeraser som har muligheten til å replikere og reparere DNA.

Kjennetegn og struktur

DNA-polymerase er et enzym som fungerer i 5'-3'-retningen, og fungerer ved å tilsette nukleotider til terminalenden med den frie -OH-gruppen.

En av de umiddelbare konsekvensene av denne egenskapen er at en av kjedene kan syntetiseres uten ulemper, men hva med tråden som må syntetiseres i 3'-5 'retning?

Denne kjeden er syntetisert i det som er kjent som Okazaki-fragmenter. Dermed syntetiseres små segmenter i normal retning, 5'-3 ', som deretter blir forbundet med et enzym kalt ligase.

Strukturelt sett har DNA-polymeraser felles to aktive steder som har metallioner. I dem finner vi aspartat og andre aminosyrerester som koordinerer metaller.

typer

Tradisjonelt er det i prokaryoter blitt identifisert tre typer polymeraser som er navngitt med romertall: I, II og III. I eukaryoter blir fem enzymer gjenkjent og er navngitt med bokstaver i det greske alfabetet, nemlig: α, β, γ, δ og ε.

De siste undersøkelsene har identifisert fem typer DNA i Escherichia coli, 8 i gjæren Saccharomyces cerevisiae og mer enn 15 hos mennesker. I plantelinjen har enzymet blitt undersøkt mindre. Imidlertid er rundt 12 enzymer beskrevet i modellorganismen Arabidopsis thaliana.

applikasjoner

En av de mest brukte teknikkene i molekylærbiologilaboratorier er PCR- eller polymerasekjedereaksjon. Denne prosedyren utnytter polymerisasjonskapasiteten til DNA-polymerase for å oppnå amplifisering, i flere størrelsesordener, et DNA-molekyl som vi ønsker å studere.

Med andre ord, på slutten av prosedyren vil vi ha tusenvis av kopier av vårt mål-DNA. Bruken av PCR er veldig variert. Det kan brukes til vitenskapelig forskning, til diagnose av noen sykdommer eller til og med i økologi.

RNA-polymerase

Egenskaper

RNA-polymerase er ansvarlig for å generere et RNA-molekyl som starter fra en DNA-mal. Det resulterende transkriptet er en kopi som kompletterer DNA-segmentet som ble brukt som mal.

Messenger RNA er ansvarlig for å frakte informasjon til ribosomet, for å generere et protein. De deltar også i syntesen av de andre typene RNA.

Dette kan ikke fungere alene, det trenger proteiner som kalles transkripsjonsfaktorer for å kunne utføre funksjonene sine på en vellykket måte.

Kjennetegn og struktur

RNA-polymeraser er store enzymkomplekser. De er mer sammensatte i eukaryotisk avstamning enn i den prokaryote.

I eukaryoter er det tre typer polymeraser: Pol I, II og III, som er det sentrale maskineriet for syntesen av henholdsvis ribosomal, messenger og transfer RNA. I kontrast, i prokaryoter, blir alle genene deres behandlet av en enkelt type polymerase.

Forskjeller mellom DNA og RNA-polymerase

Selv om begge enzymer bruker DNA-annealing, er de forskjellige på tre viktige måter. For det første krever DNA-polymerase en primer for å initiere replikasjon og koble sammen nukleotider. En grunning eller grunning er et molekyl som består av noen få nukleotider, hvis sekvenser er komplementære til et spesifikt sted i DNA.

Primeren gir en gratis –OH til polymerasen for å starte sin katalytiske prosess. I kontrast til dette kan RNA-polymeraser starte arbeidet uten behov for en grunning.

For det andre har DNA-polymerase flere bindingsregioner på DNA-molekylet. RNA-polymerase kan bare binde seg til promotersekvenser av gener.

Til slutt er DNA-polymerase et enzym som gjør jobben sin med høy tro. RNA polymerase er mottakelig for flere feil, innføre en feil nukleotid hver 10 ⁴ nukleotider.

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. Lewin, B. (1975). Genuttrykk. UMI Books on Demand.
6. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molekylær cellebiologi. Macmillan.
7. Pierce, BA (2009). Genetikk: En konseptuell tilnærming. Panamerican Medical Ed.
8. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Funksjoner av eukaryote DNA-polymeraser. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
9. Steitz, TA (1999). DNA-polymeraser: strukturelt mangfold og vanlige mekanismer. Journal of Biologisk kjemi, 274 (25), 17395-17398.
10. 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.