NUKLEÁZY: CHARAKTERISTIKA, ŠTRUKTÚRA, TYPY A FUNKCIE - BIOLÓGIE - 2026

Tieto nukleázy sú enzýmy, ktoré sú zodpovedné za ponižujúce nukleových kyselín. Robia to hydrolýzou fosfodiesterových väzieb, ktoré držia nukleotidy pohromade. Z tohto dôvodu sú v literatúre známe aj ako fosfodiesterázy. Tieto enzýmy sa nachádzajú takmer vo všetkých biologických entitách a hrajú základnú úlohu v replikácii, oprave a iných procesoch DNA.

Všeobecne ich môžeme klasifikovať v závislosti od typu nukleových kyselín, ktoré štiepia: nukleázy, ktorých substrátom je RNA, sa nazývajú ribonukleázy, a tie DNA sú známe ako deoxyribonukleázy. Sú niektoré nešpecifické látky schopné degradovať DNA aj RNA.

Fosfodiesterová väzba. Zdroj: Xvazquez

Ďalšia široko používaná klasifikácia závisí od pôsobenia enzýmu. Ak to robí progresívne, začínajúc na konci reťazca nukleovej kyseliny, nazývajú sa exonukleázy. Naopak, ak k prerušeniu dôjde vo vnútornom bode reťazca, nazývajú sa endonukleázy.

V súčasnosti sa určité endonukleázy bežne používajú v technológii rekombinantnej DNA v laboratóriách molekulárnej biológie. Toto sú neoceniteľné nástroje na experimentálnu manipuláciu s nukleovými kyselinami.

vlastnosti

Nukleázy sú biologické molekuly proteínovej povahy a majú enzymatickú aktivitu. Sú schopné hydrolyzovať väzby, ktoré spájajú nukleotidy v nukleových kyselinách.

Pôsobia prostredníctvom všeobecnej kyslej bázickej katalýzy. Táto reakcia sa dá rozdeliť do troch základných krokov: nukleofilný atak, vytvorenie negatívne nabitého medziproduktu a ako posledný krok prerušenie väzby.

Existuje typ enzýmu nazývaného polymerázy, ktorý je zodpovedný za katalyzovanie syntézy DNA (v replikácii) aj RNA (v transkripcii). Niektoré typy polymeráz vykazujú nukleázovú aktivitu. Podobne ako polymerázy vykazujú túto aktivitu aj ďalšie príbuzné enzýmy.

štruktúra

Nukleázy sú extrémne heterogénnym súborom enzýmov, kde existuje len malý vzťah medzi ich štruktúrou a mechanizmom účinku. Inými slovami, medzi štruktúrou týchto enzýmov je drastická variabilita, takže nemôžeme spomenúť žiadnu spoločnú štruktúru pre všetky z nich.

druhy

Existuje niekoľko typov nukleáz a tiež rôzne systémy ich klasifikácie. V tomto článku sa budeme zaoberať dvoma hlavnými klasifikačnými systémami: podľa typu nukleovej kyseliny sa degradujú a podľa toho, ako je enzým napadnutý.

Ak má čitateľ záujem, môže hľadať tretiu rozsiahlejšiu klasifikáciu založenú na funkcii každej nukleázy (pozri Yang, 2011).

Je potrebné uviesť, že v týchto enzymatických systémoch existujú aj nukleázy, ktoré nie sú špecifické pre ich substrát a môžu degradovať oba typy nukleových kyselín.

Podľa špecifickosti použitého substrátu

Existujú dva typy nukleových kyselín, ktoré sú pre organické bytosti prakticky všadeprítomné: kyselina deoxyribonukleová alebo DNA a kyselina ribonukleová, RNA. Špecifické enzýmy, ktoré degradujú DNA, sa nazývajú deoxyribonukleázy a RNA, ribonukleázy.

Podľa formy útoku

Ak je reťazec nukleovej kyseliny napadnutý endolyticky, to znamená, že vo vnútorných oblastiach reťazca sa enzým nazýva endonukleáza. Alternatívny atak sa objavuje postupne na jednom konci reťazca a enzýmami, ktoré ho vykonávajú, sú exonukleázy. Pôsobenie každého enzýmu má rôzne následky.

Pretože exonukleázy separujú nukleotidy krok za krokom, účinky na substrát nie sú príliš drastické. Naopak, účinok endonukleáz je výraznejší, pretože môžu štiepiť reťazec v rôznych bodoch. Ten môže zmeniť dokonca aj viskozitu roztoku DNA.

Exonukleázy boli kľúčovými prvkami pri objasňovaní povahy väzby, ktorá držala nukleotidy pohromade.

Špecifita miesta štiepenia endonukleázou sa líši. Existujú niektoré typy (ako napríklad enzým deoxyribonukleáza I), ktoré sa môžu štiepiť na nešpecifických miestach a generujú relatívne náhodné rezy vzhľadom na sekvenciu.

Naopak, máme veľmi špecifické endonukleázy, ktoré sa štiepia iba v určitých sekvenciách. Neskôr vysvetlíme, ako molekulárni biológovia využívajú túto vlastnosť.

Existujú niektoré nukleázy, ktoré môžu pôsobiť ako endo aj exonukleázy. Príkladom toho je takzvaná mikrokonická nukleáza.

Vlastnosti

Nukleázy katalyzujú celý rad reakcií nevyhnutných pre život. Nukleázová aktivita je podstatným prvkom replikácie DNA, pretože pomáha odstraňovať primér alebo primér a zúčastňuje sa na korekcii chýb.

Týmto spôsobom sú pomocou nukleáz sprostredkované dva relevantné procesy, ako je rekombinácia a oprava DNA.

Prispieva tiež k vytváraniu štrukturálnych zmien v DNA, ako je napríklad topoizomerizácia a miestne špecifická rekombinácia. Aby sa mohli uskutočniť všetky tieto procesy, je potrebné dočasné prerušenie fosfodiesterovej väzby pomocou nukleáz.

V RNA sa nukleázy podieľajú aj na základných procesoch. Napríklad pri dozrievaní posla a pri spracovaní interferujúcich RNA. Rovnakým spôsobom sa podieľajú na procesoch programovanej bunkovej smrti alebo apoptózy.

V jednobunkových organizmoch predstavujú nukleázy obranný systém, ktorý im umožňuje tráviť cudziu DNA, ktorá vstupuje do bunky.

Použitie: reštrikčné enzýmy

Molekulárni biológovia využívajú špecifickosť určitých nukleáz nazývaných špecifické reštrikčné nukleázy. Biológovia si všimli, že baktérie sú schopné stráviť cudziu DNA, ktorá bola zavedená technikami v laboratóriu.

Vedci sa hlbšie venovali tomuto fenoménu a objavili reštrikčné nukleázy - enzýmy, ktoré štiepia DNA v určitých nukleotidových sekvenciách. Sú akýmsi „molekulárnymi nožnicami“ a my ich nájdeme na predaj.

DNA baktérie je „imunitná“ voči tomuto mechanizmu, pretože je chránená chemickými modifikáciami v sekvenciách, ktoré podporujú degradáciu. Každý druh a kmeň baktérií má svoje špecifické nukleázy.

Tieto molekuly sú veľmi užitočné, pretože zaisťujú, že rez bude vždy uskutočňovaný na rovnakom mieste (dĺžka 4 až 8 nukleotidov). Používajú sa v technológii rekombinantnej DNA.

Alternatívne, v niektorých rutinných postupoch (ako je PCR), prítomnosť nukleáz nepriaznivo ovplyvňuje proces, pretože trávia materiál, ktorý je potrebné analyzovať. Z tohto dôvodu je v niektorých prípadoch potrebné použiť inhibítory týchto enzýmov.

Referencie

1. Brown, T. (2011). Úvod do genetiky: Molekulárny prístup. Garland Science.
2. Davidson, J. a Adams, RLP (1980). Biochémia Davidsonových nukleových kyselín. Obrátil som sa.
3. Nishino, T., & Morikawa, K. (2002). Štruktúra a funkcia nukleáz pri oprave DNA: tvar, priľnavosť a čepeľ nožníc DNA. Oncogene, 21 (58), 9022.
4. Stoddard, BL (2005). Štruktúra a funkcia cieľovej endonukleázy. Štvrťročné recenzie na Biophysics, 38 (1), 49-95.
5. Yang, W. (2011). Nukleázy: diverzita štruktúry, funkcie a mechanizmu. Štvrťročné recenzie na Biophysics, 44 (1), 1-93.