DNR POLIMERAZĖ: TIPAI, FUNKCIJA IR STRUKTŪRA - BIOLOGIJA

DNR polimerazė yra fermentas, kuris yra atsakingas už katalizuoti naujos DNR grandinės polimerizaciją replikacijos šio molekulės metu. Pagrindinė jo funkcija yra sujungti trifosfato dezoksiribonukleotidus su šablono grandinės elementais. Ji taip pat užsiima DNR taisymu.

Šis fermentas leidžia teisingai suporuoti tarp šablono grandinės DNR bazių ir naująją, pagal A porų su T ir G su C schemą.

DNR polimerazės beta struktūra žmonėms.
Šaltinis: Yikrazuul, iš „Wikimedia Commons“

DNR replikacijos procesas turi būti veiksmingas ir turi būti atliekamas greitai, todėl DNR polimerazė veikia pridedant apie 700 nukleotidų per sekundę ir daro tik vieną klaidą kas 10 ⁹ ar 10 ¹⁰ nukleotidų.

Yra įvairių rūšių DNR polimerazės. Jie skiriasi tiek eukariotuose, tiek prokariotuose, ir kiekvienas turi specifinį vaidmenį DNR replikacijoje ir atstatyme.

Gali būti, kad vienas iš pirmųjų fermentų, atsiradusių evoliucijoje, buvo polimerazės, nes gebėjimas tiksliai atkartoti genomą yra esminis organizmų vystymosi reikalavimas.

Šio fermento atradimas įskaitytas Artūrui Kornbergui ir jo kolegoms. Šis tyrėjas 1956 m. Nustatė DNR polimerazę (Pol I), dirbdamas su Escherichia coli. Panašiai Watsonas ir Crickas pasiūlė, kad šis fermentas galėtų išgauti patikimas DNR molekulės kopijas.

Tipai

Prokariotai

Prokariotiniai organizmai (organizmai, neturintys tikrojo branduolio, apriboti membrana) turi tris pagrindines DNR polimerazes, paprastai sutrumpintas kaip I, II ir III.

I DNR polimerazė dalyvauja DNR replikacijoje ir atstatyme bei turi eksonukleazės aktyvumą abiem kryptimis. Šio fermento vaidmuo replikacijose laikomas antriniu.

II dalyvauja DNR taisyme ir jo egzonukleazės aktyvumas yra 3'-5 'prasme. III dalyvauja DNR replikacijoje ir revizijoje ir, kaip ir ankstesnis fermentas, rodo eksonukleazinį aktyvumą 3'-5 'prasme.

Eukariotai

Eukariotai (organizmai, turintys tikrąjį branduolį, apriboti membrana) turi penkias DNR polimerazes, pavadintas graikų abėcėlės raidėmis: α, β, γ, δ ir ε.

Polimerazė γ yra mitochondrijose ir yra atsakinga už genetinės medžiagos replikaciją šios ląstelės organelėse. Priešingai, kiti keturi yra ląstelių branduolyje ir dalyvauja branduolio DNR replikacijoje.

Α, δ ir ε variantai yra patys aktyviausi ląstelių dalijimosi procese, kas rodo, kad pagrindinė jų funkcija yra susijusi su DNR kopijų gamyba.

Savo ruožtu DNR polimerazė β pasižymi aktyvumo smailėmis, kurios nesidalija, todėl manoma, kad pagrindinė jo funkcija yra susijusi su DNR atstatymu.

Įvairūs eksperimentai sugebėjo patvirtinti hipotezę, kad α, δ ir ε polimerazės dažniausiai susiejamos su DNR replikacija. Γ, δ ir ε tipai rodo 3'-5 'egzonukleazės aktyvumą.

Arkos

Naujais sekos nustatymo metodais pavyko nustatyti didžiulę DNR polimerazių šeimų įvairovę. Archajoje buvo nustatyta fermentų šeima, vadinama D šeima, būdingi tik šiai organizmų grupei.

Funkcijos: DNR replikacija ir taisymas

Kas yra DNR replikacija?

DNR yra molekulė, nešanti visą genetinę informaciją apie organizmą. Jį sudaro cukrus, azotinė bazė (adeninas, guaninas, citozinas ir timinas) ir fosfatų grupė.

Ląstelių dalijimosi procesų, kurie vyksta nuolat, metu, DNR turi būti nukopijuota greitai ir tiksliai - būtent ląstelės ciklo S fazėje. Šis procesas, kai ląstelė kopijuoja DNR, yra žinomas kaip replikacija.

Struktūriškai DNR molekulė sudaryta iš dviejų sruogų, sudarančių spiralę. Replikacijos proceso metu šios atskiros ir kiekviena veikia kaip šablonas formuojant naują molekulę. Taigi naujos skaidulos pereina į dukterines ląsteles ląstelių dalijimosi procese.

Kadangi kiekviena grandinė tarnauja kaip šablonas, sakoma, kad DNR replikacija yra pusiau konservatyvi - proceso pabaigoje naują molekulę sudaro nauja ir sena grandinė. Šis procesas buvo aprašytas 1958 m. Tyrėjų Meselsono ir Stahlo, naudojant izopotus.

DNR replikacijai reikia fermentų, katalizuojančių procesą. Tarp šių baltymų molekulių išsiskiria DNR polimerazė.

Reakcija

Kad vyktų DNR sintezė, reikalingi šiam procesui reikalingi substratai: dezoksiribonukleotido trifosfatas (dNTP)

Reakcijos mechanizmas apima nukleofilinę hidroksilo grupės ataką augančios sruogos 3 'gale ant komplementarių dNTP alfa fosfato, pašalinant pirofosfatą. Šis žingsnis yra labai svarbus, nes polimerizacijos energija gaunama iš dNTP ir gauto pirofosfato hidrolizės.

Pol III arba alfa jungiasi prie grunto (žr. Polimerazių savybes) ir pradeda pridėti nukleotidų. Epsilonas pailgina švino grandinę, o delta pailgina sulėtintą sruogą.

DNR polimerazių savybės

Visos žinomos DNR polimerazės turi dvi esmines savybes, susijusias su replikacijos procesu.

Pirmiausia visos polimerazės sintezuoja DNR grandinę 5'-3 'kryptimi, pridedant dNTPs į augančios grandinės hidroksilo grupę.

Antra, DNR polimerazės negali pradėti sintetinti naujos grandinės nuo nulio. Jiems reikalingas papildomas elementas, žinomas kaip gruntas arba gruntas, kuris yra iš kelių nukleotidų sudaryta molekulė, suteikianti laisvą hidroksilo grupę, kur polimerazė gali įsitvirtinti ir pradėti savo veiklą.

Tai yra vienas iš pagrindinių skirtumų tarp DNR ir RNR polimerazių, nes pastaroji gali inicijuoti de novo grandinės sintezę.

Okazaki fragmentai

Pirmoji DNR polimerazių savybė, paminėta ankstesniame skyriuje, yra pusiau konservatyvaus replikacijos komplikacija. Kadangi abi DNR grandinės veikia paraleliai, viena iš jų yra sintetinta nepertraukiamai (ta, kurią reikėtų sintetinti 3'-5 'prasme).

Vėluojančioje grandinėje nepertraukiama sintezė įvyksta per normalų polimerazės 5'-3 'aktyvumą, o gauti fragmentai - literatūroje žinomi kaip Okazaki fragmentai - yra sujungti kitu fermentu - ligaze.

DNR taisymas

DNR yra nuolat veikiama tiek endogeninių, tiek egzogeninių veiksnių, kurie gali ją pažeisti. Šie pažeidimai gali užkirsti kelią replikacijai ir kauptis, paveikdami genų raišką, sukeldami problemas įvairiuose ląsteliniuose procesuose.

Be savo vaidmens DNR replikacijos procese, polimerazė taip pat yra pagrindinis DNR atstatymo mechanizmų komponentas. Jie taip pat gali veikti kaip jutikliai ląstelių cikle, neleidžiantys patekti į dalijimosi fazę, jei pažeista DNR.

Struktūra

Šiuo metu kristalografijos tyrimų dėka išaiškintos įvairių polimerazių struktūros. Pagal jų pirminę seką polimerazės yra suskirstytos į grupes: A, B, C, X ir Y.

Kai kurie aspektai būdingi visoms polimerazėms, ypač susijusios su fermento kataliziniais centrais.

Tai apima dvi pagrindines aktyviąsias vietas, turinčias metalų jonus, turinčias dvi aspartato liekanas ir vieną kintamą liekaną - arba aspartatą, arba glutamatą, kuris koordinuoja metalus. Yra dar viena įkrovų liekanų serija, kuri supa katalizinį centrą ir yra konservuota skirtingose polimerazėse.

Prokariotuose DNR polimerazė I yra 103 kd polipeptidas, II yra 88 kd polipeptidas, o III susideda iš dešimties subvienetų.

Eukariotuose fermentai yra didesni ir sudėtingesni: α sudaro penki vienetai, β ir γ yra vienas subvienetas, δ yra du subvienetai ir ε yra 5.

Programos

KLR

Polimerazės grandininė reakcija (PRC) yra metodas, naudojamas visose molekulinės biologijos laboratorijose, dėl savo naudingumo ir paprastumo. Šio metodo tikslas yra masiškai amplifikuoti dominančią DNR molekulę.

Šiam tikslui pasiekti biologai naudoja DNR polimerazę, nepažeistą šilumos (aukšta temperatūra yra būtina šiam procesui), kad sustiprintų molekulę. Šio proceso rezultatas yra daugybė DNR molekulių, kurios gali būti naudojamos įvairiems tikslams.

Vienas iš ryškiausių šios klinikinės naudos elementų yra jo naudojimas medicininėje diagnozėje. KLR gali būti naudojamas pacientams tikrinti dėl patogeninių bakterijų ir virusų.

Antibiotikai ir priešnavikiniai vaistai

Daugybė vaistų siekia sutrumpinti DNR replikacijos mechanizmus patogeniniame organizme, nesvarbu, ar tai virusas, ar bakterija.

Tam tikru atveju taikinys yra DNR polimerazės aktyvumo slopinimas. Pavyzdžiui, chemoterapinis vaistas citarabinas, dar vadinamas citozino arabinosidu, išjungia DNR polimerazę.

Nuorodos

Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… ir Walter, P. (2015). Esminė ląstelių biologija. Girlianda mokslas.
Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Archealinės DNR replikacija: vienetų identifikavimas, norint išspręsti galvosūkį. Genetika, 152 (4), 1249–67.
Cooperis, GM ir Hausmanas, RE (2004). Ląstelė: molekulinis požiūris. Medicinska naklada.
M. Garcia-Diaz ir Bebenek, K. (2007). Daugybė DNR polimerazių funkcijų. Kritinės apžvalgos augalų moksle, 26 (2), 105–122.
Shcherbakova, PV, Bebenek, K., ir Kunkel, TA (2003). Eukariotų DNR polimerazių funkcijos. Mokslo SAGE KE, 2003 (8), 3.
Steitz, TA (1999). DNR polimerazės: struktūrinė įvairovė ir bendrieji mechanizmai. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395–17398.
Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG ir Wilson, SH (2013). Struktūrinis DNR polimerazės architektūros palyginimas rodo nukleotidinius vartus į aktyvią polimerazės vietą. Cheminių medžiagų apžvalgos, 114 (5), 2759–74.

DNR POLIMERAZĖ: TIPAI, FUNKCIJA IR STRUKTŪRA - BIOLOGIJA - 2025