POLYMERÁZA: CHARAKTERISTIKA, ŠTRUKTÚRA A FUNKCIE - BIOLÓGIE - 2026

Tieto polymerázy sú enzýmy, ktorých funkcia je v súvislosti s procesmi replikáciu a transkripciu nukleových kyselín. Existujú dva hlavné typy týchto enzýmov: DNA polymeráza a RNA polymeráza.

DNA polymeráza je zodpovedná za syntézu nového reťazca DNA počas procesu replikácie a pridávanie nových nukleotidov. Sú to veľké, komplexné enzýmy a ich štruktúra sa líši v závislosti od toho, či sa nachádzajú v eukaryotickom alebo prokaryotickom organizme.

Taq polymeráza: enzým používaný v PCR.
Zdroj: Lijealso

Podobne RNA polymeráza pôsobí počas transkripcie DNA a syntetizuje molekulu RNA. Rovnako ako DNA polymeráza sa nachádza v eukaryotoch aj prokaryotoch a jej štruktúra a zložitosť sa líši v závislosti od skupiny.

Z evolučného hľadiska je pravdepodobné si myslieť, že prvé enzýmy musia mať polymerázovú aktivitu, pretože jednou z vnútorných požiadaviek na rozvoj života je replikačná kapacita genómu.

Centrálna dogma molekulárnej biológie

Takzvaná „dogma“ molekulárnej biológie opisuje tvorbu proteínov z génov šifrovaných v DNA v troch krokoch: replikácia, transkripcia a translácia.

Tento proces sa začína replikáciou molekuly DNA, pričom dve kópie sa generujú čiastočne konzervatívnym spôsobom. Správa z DNA sa potom transkribuje do molekuly RNA, ktorá sa nazýva messenger RNA. Nakoniec je messenger translatovaný do proteínov pomocou ribozomálneho aparátu.

V tomto článku budeme skúmať dva rozhodujúce enzýmy zapojené do prvých dvoch uvedených procesov.

Stojí za zmienku, že existujú výnimky z centrálnej dogmy. Mnoho génov sa neprekladá na proteíny av niektorých prípadoch tok informácií pochádza z RNA do DNA (ako v retrovírusoch).

DNA polymeráza

Vlastnosti

DNA polymeráza je enzým zodpovedný za presnú replikáciu genómu. Práca enzýmu musí byť dostatočne účinná na zabezpečenie udržiavania genetických informácií a ich prenosu do ďalších generácií.

Ak vezmeme do úvahy veľkosť genómu, je to docela náročná úloha. Napríklad, ak si sami stanovíme úlohu prepisu 100-stranového dokumentu v našom počítači, určite by sme mali jednu chybu (alebo viac, v závislosti od našej koncentrácie) pre každú stránku.

Polymeráza môže pridávať viac ako 700 nukleotidov každú sekundu a je chybné iba každých ¹⁰⁹ alebo ¹⁰¹⁰ inkorporovaných nukleotidov, mimoriadne číslo.

Polymeráza musí mať mechanizmy, ktoré umožňujú presné kopírovanie informácií o genóme. Preto existujú rôzne polymerázy, ktoré majú schopnosť replikovať a opravovať DNA.

Charakteristiky a štruktúra

DNA polymeráza je enzým, ktorý pracuje v smere 5'-3 'a pracuje tak, že nukleotidy pridáva na terminálny koniec skupinou s voľnou hydroxylovou skupinou.

Jedným z bezprostredných dôsledkov tejto vlastnosti je to, že jeden z vlákien sa dá syntetizovať bez akýchkoľvek nepríjemností, ale čo vlákno, ktoré sa musí syntetizovať v smere 3'-5 '?

Tento reťazec je syntetizovaný v takzvanom fragmente Okazaki. Malé segmenty sú teda syntetizované v normálnom smere 5'-3 ', ktoré sú následne spojené enzýmom nazývaným ligáza.

Štruktúrne majú DNA polymerázy spoločné dve aktívne miesta, ktoré obsahujú kovové ióny. V nich nachádzame aspartát a ďalšie aminokyselinové zvyšky, ktoré koordinujú kovy.

druhy

Tradične boli v prokaryotoch identifikované tri typy polymeráz, ktoré sú pomenované rímskymi číslicami: I, II a III. V eukaryotoch je rozpoznaných päť enzýmov a sú pomenované písmenami gréckej abecedy, konkrétne: a, β, γ, δ a ε.

Najnovšie výskumy identifikovali päť typov DNA v Escherichia coli, 8 v kvasinkách Saccharomyces cerevisiae a viac ako 15 u ľudí. V rastlinnej línii bol enzým menej študovaný. V modelovom organizme Arabidopsis thaliana bolo však opísaných asi 12 enzýmov.

aplikácia

Jednou z najpoužívanejších techník v laboratóriách molekulárnej biológie je PCR alebo polymerázová reťazová reakcia. Tento postup využíva výhodu polymerizačnej kapacity DNA polymerázy na amplifikáciu molekuly DNA, ktorú chceme študovať, o niekoľko rádov.

Inými slovami, na konci postupu budeme mať tisíce kópií našej cieľovej DNA, použitie PCR je veľmi rozmanité. Môže sa uplatniť vo vedeckom výskume, pri diagnostike niektorých chorôb alebo dokonca v ekológii.

RNA polymeráza

Vlastnosti

RNA polymeráza je zodpovedná za generovanie molekuly RNA vychádzajúc z templátu DNA. Výsledný prepis je kópia, ktorá dopĺňa segment DNA, ktorý sa použil ako šablóna.

Messenger RNA je zodpovedná za prenos informácií do ribozómu, za generovanie proteínu. Zúčastňujú sa tiež na syntéze ďalších typov RNA.

To nemôže fungovať samo, potrebuje proteíny nazývané transkripčné faktory, aby mohli úspešne vykonávať svoje funkcie.

Charakteristiky a štruktúra

RNA polymerázy sú veľké enzýmové komplexy. V eukaryotickej línii sú komplexnejšie ako v prokaryotike.

V eukaryotoch existujú tri typy polymeráz: Pol I, II a III, ktoré sú ústredným mechanizmom syntézy ribozomálnej, messengerovej a prenosovej RNA. Naopak, v prokaryotoch sa všetky ich gény spracovávajú jediným typom polymerázy.

Rozdiely medzi DNA a RNA polymerázou

Aj keď oba enzýmy používajú žíhanie DNA, líšia sa tromi kľúčovými spôsobmi. Po prvé, DNA polymeráza vyžaduje primer na iniciáciu replikácie a pripojenie nukleotidov. Primér alebo primér je molekula vytvorená z niekoľkých nukleotidov, ktorých sekvencie sú komplementárne k špecifickému miestu v DNA.

Primer poskytuje polymerázu voľný -OH na zahájenie jej katalytického procesu. Naproti tomu RNA polymerázy môžu začať svoju činnosť bez potreby priméru.

Po druhé, DNA polymeráza má na molekule DNA viac väzbových oblastí. RNA polymeráza sa môže viazať iba na promótorové sekvencie génov.

A nakoniec, DNA polymeráza je enzým, ktorý svoju prácu vykonáva s vysokou vernosťou. RNA polymeráza je citlivý na viac chybami, zavedenie nesprávny nukleotid každých 10 ⁴ nukleotidov.

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 recenzie v rastlinných vedách, 26 (2), 105–122.
5. Lewin, B. (1975). Génová expresia. Knihy UMI na požiadanie.
6. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molekulárna bunková biológia. Macmillan.
7. Pierce, BA (2009). Genetika: koncepčný prístup. Panamerican Medical Ed.
8. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Funkcie eukaryotických DNA polymeráz. Science SAGE KE, 2003 (8), 3.
9. Steitz, TA (1999). DNA polymerázy: štrukturálna diverzita a spoločné mechanizmy. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
10. 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.