DNA POLYMERÁZA: TYPY, FUNKCIA A ŠTRUKTÚRA - BIOLÓGIE - 2026

DNA polymeráza je enzým, ktorý je zodpovedný za katalyzovať polymerizáciu nového reťazca DNA počas replikácie tejto molekuly. Jeho hlavnou funkciou je spárovať trifosfát deoxyribonukleotidy s reťazcami templátového reťazca. Podieľa sa tiež na oprave DNA.

Tento enzým umožňuje správne párovanie medzi bázami DNA templátového reťazca a novým, podľa schémy párov A s T a G s C.

Štruktúra DNA polymerázy beta u ľudí.
Zdroj: Yikrazuul, z Wikimedia Commons

Proces replikácie DNA musí byť efektívny a musí byť uskutočňovaný rýchlo, takže DNA polymeráza funguje tak, že pridáva asi 700 nukleotidov za sekundu a robí len jednu chybu pri každých začlenených ¹⁰⁹ alebo ¹⁰¹⁰ nukleotidov.

Existujú rôzne typy DNA polymerázy. Tieto sa líšia tak v eukaryotoch, ako aj v prokaryotoch, a každá má špecifickú úlohu v replikácii a oprave DNA.

Je možné, že jedným z prvých enzýmov, ktoré sa objavili vo vývoji, boli polymerázy, pretože schopnosť presnej replikácie genómu je vnútornou požiadavkou na vývoj organizmov.

Za objav tohto enzýmu sa pripisuje Arthur Kornberg a jeho kolegovia. Tento výskumný pracovník identifikoval DNA polymerázu I (Pol I) v roku 1956 pri práci s Escherichia coli. Podobne to boli Watson a Crick, ktorí navrhli, aby tento enzým mohol vytvárať verné kópie molekuly DNA.

druhy

prokaryotes

Prokaryotické organizmy (organizmy bez skutočného jadra, ohraničené membránou) majú tri hlavné DNA polymerázy, bežne skrátene pol I, II a III.

DNA polymeráza I sa zúčastňuje replikácie a opravy DNA a má exonukleázovú aktivitu v oboch smeroch. Úloha tohto enzýmu v replikácii sa považuje za sekundárnu.

II sa zúčastňuje na oprave DNA a jeho exonukleázová aktivita je v zmysle 3'-5 '. III sa zúčastňuje replikácie a revízie DNA a podobne ako predchádzajúci enzým vykazuje exonukleázovú aktivitu v 3'-5 'zmysle.

eukaryota

Eukaryoty (organizmy so skutočným jadrom, ktoré sú ohraničené membránou) obsahujú päť DNA polymeráz, ktoré sú pomenované písmenami gréckej abecedy: a, β, γ, δ a ε.

Polymeráza y sa nachádza v mitochondriách a je zodpovedná za replikáciu genetického materiálu v tejto bunkovej organele. Na rozdiel od toho sa ďalšie štyri nachádzajú v jadre buniek a podieľajú sa na replikácii jadrovej DNA.

Varianty a, ô a ε sú najaktívnejšie v procese delenia buniek, čo naznačuje, že ich hlavná funkcia je spojená s produkciou kópií DNA.

DNA polymeráza ß vykazuje maximum aktivity v bunkách, ktoré sa nedelia, takže sa predpokladá, že jej hlavná funkcia je spojená s opravou DNA.

Rôzne experimenty dokázali overiť hypotézu, že väčšinou spájajú a, 5 a e polymerázy s replikáciou DNA. Typy y, 5 a e vykazujú 3'-5 'exonukleázovú aktivitu.

oblúky

Nové metódy sekvencovania dokázali identifikovať veľké množstvo rodín DNA polymeráz. V archaea bola identifikovaná špecifická skupina enzýmov, nazývaná D rodina, ktoré sú jedinečné pre túto skupinu organizmov.

Funkcie: Replikácia a oprava DNA

Čo je to replikácia DNA?

DNA je molekula, ktorá nesie všetky genetické informácie o organizme. Skladá sa z cukru, dusíkatej bázy (adenín, guanín, cytozín a tymín) a fosfátovej skupiny.

Počas procesov bunkového delenia, ktoré sa neustále vyskytujú, sa musí DNA rýchlo a presne kopírovať - ​​konkrétne vo fáze S bunkového cyklu. Tento proces, pri ktorom bunka kopíruje DNA, sa nazýva replikácia.

Štruktúrne je molekula DNA tvorená dvoma vláknami, ktoré tvoria špirálu. Počas replikačného procesu sa tieto oddelia a každá pôsobí ako templát na vytvorenie novej molekuly. Nové vlákna teda prechádzajú do dcérskych buniek v procese delenia buniek.

Pretože každé vlákno slúži ako templát, replikácia DNA sa považuje za polokonzervatívnu - na konci procesu sa nová molekula skladá z nového a starého vlákna. Tento proces opísali vedci Meselson a Stahl v roku 1958 pomocou izopotov.

Replikácia DNA vyžaduje rad enzýmov, ktoré katalyzujú tento proces. Z týchto proteínových molekúl vyniká DNA polymeráza.

reakcie

Aby došlo k syntéze DNA, sú potrebné substráty potrebné pre tento proces: deoxyribonukleotid trifosfát (dNTP)

Reakčný mechanizmus zahŕňa nukleofilný útok hydroxylovej skupiny na 3 'konci rastúceho vlákna na alfa fosfát komplementárnych dNTP, eliminujúci pyrofosfát. Tento krok je veľmi dôležitý, pretože energia pre polymerizáciu pochádza z hydrolýzy dNTP a výsledného pyrofosfátu.

Pol III alebo alfa sa viaže na primér (pozri vlastnosti polymeráz) a začína pridávať nukleotidy. Epsilon predlžuje olovený reťazec a delta predlžuje retardovaný prameň.

Vlastnosti DNA polymeráz

Všetky známe DNA polymerázy majú dve základné vlastnosti spojené s procesom replikácie.

Najprv všetky polymerázy syntetizujú vlákno DNA v smere 5'-3 'a pridajú dNTP k hydroxylovej skupine rastúceho reťazca.

Po druhé, DNA polymerázy nemôžu začať syntetizovať nový reťazec od nuly. Potrebujú ďalší prvok známy ako primér alebo primer, čo je molekula vytvorená z niekoľkých nukleotidov, ktorá poskytuje voľnú hydroxylovú skupinu, kde polymeráza môže ukotviť a začať svoju aktivitu.

Toto je jeden zo základných rozdielov medzi DNA a RNA polymerázami, pretože tieto sú schopné iniciovať syntézu de novo reťazca.

Fragmenty Okazaki

Prvá vlastnosť DNA polymeráz uvedená v predchádzajúcej časti predstavuje komplikáciu pre semi-konzervatívnu replikáciu. Pretože dva reťazce DNA prebiehajú antiparalelne, jeden z nich sa syntetizuje diskontinuálne (ten, ktorý by sa musel syntetizovať v 3'-5 'zmysle).

V oneskorenom reťazci nastáva diskontinuálna syntéza prostredníctvom normálnej aktivity polymerázy 5'-3 'a výsledné fragmenty - známe v literatúre ako Okazaki fragmenty - sú spojené iným enzýmom, ligázou.

Oprava DNA

DNA je neustále vystavená faktorom, endogénnym aj exogénnym, ktoré ju môžu poškodiť. Tieto poškodenia môžu blokovať replikáciu a hromadiť sa, ovplyvňovať expresiu génov, čo spôsobuje problémy v rôznych bunkových procesoch.

Okrem svojej úlohy v procese replikácie DNA je polymeráza tiež kľúčovou súčasťou mechanizmov opravy DNA. Môžu tiež pôsobiť ako senzory v bunkovom cykle, ktoré bránia vstupu do fázy delenia, ak je poškodená DNA.

štruktúra

V súčasnosti sa vďaka kryštalografickým štúdiám objasnili štruktúry rôznych polymeráz. Na základe svojej primárnej sekvencie sú polymerázy zoskupené do skupín: A, B, C, X a Y.

Niektoré aspekty sú spoločné pre všetky polymerázy, najmä tie, ktoré sa týkajú katalytických centier enzýmu.

Tieto zahŕňajú dve kľúčové aktívne miesta, ktoré obsahujú kovové ióny, s dvoma aspartátovými zvyškami a jedným variabilným zvyškom - buď aspartátom alebo glutamátom, ktoré koordinujú kovy. Katalytické centrum obklopuje ďalšie série nabitých zvyškov a sú konzervované v rôznych polymerázach.

V prokaryotoch je DNA polymeráza I polypeptid s molekulovou hmotnosťou 103 000, II je polypeptid s molekulovou hmotnosťou 88 000 a III pozostáva z desiatich podjednotiek.

V eukaryotoch sú enzýmy väčšie a komplexnejšie: a je tvorené piatimi jednotkami, p a y jednej podjednotky, 5 z dvoch podjednotiek a e z 5.

aplikácia

PRC

Polymerázová reťazová reakcia (PRC) je metóda používaná vo všetkých laboratóriách molekulárnej biológie, a to vďaka jej užitočnosti a jednoduchosti. Cieľom tejto metódy je masívne amplifikovať požadovanú molekulu DNA.

Na dosiahnutie tohto cieľa používajú biológovia na amplifikáciu molekuly DNA polymerázu, ktorá nie je poškodená teplom (pre tento proces sú nevyhnutné vysoké teploty). Výsledkom tohto procesu je veľké množstvo molekúl DNA, ktoré sa môžu použiť na rôzne účely.

Jedným z najvýznamnejších klinických nástrojov tejto techniky je jej použitie pri lekárskej diagnostike. PRC sa môže použiť na kontrolu pacientov na prítomnosť patogénnych baktérií a vírusov.

Antibiotiká a protinádorové lieky

Cieľom značného počtu liekov je skrátiť mechanizmy replikácie DNA v patogénnom organizme, či už ide o vírus alebo baktériu.

V niektorých z nich je cieľom inhibícia aktivity DNA polymerázy. Napríklad chemoterapeutické liečivo cytarabín, tiež nazývané cytozín arabinozid, deaktivuje DNA polymerázu.

Referencie

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2015). Základná bunková biológia. Garland Science.
2. Cann, IK a Ishino, Y. (1999). Archaálna replikácia DNA: identifikácia kúskov na vyriešenie hádanky. Genetics, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM a Hausman, RE (2004). Bunka: Molekulárny prístup. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Viacnásobné funkcie DNA polymeráz. Kritické prehľady v prírodných vedách, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Funkcie eukaryotických DNA polymeráz. Science SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA polymerázy: štrukturálna diverzita a spoločné mechanizmy. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG a Wilson, SH (2013). Štrukturálne porovnanie architektúry DNA polymerázy naznačuje nukleotidovú bránu do aktívneho miesta polymerázy. Chemical Reviews, 114 (5), 2759-74.