Типи ДНК-полімерази, функція і структура



The ДНК-полімераза є ферментом, який відповідає за каталізацію полімеризації нової ланцюга ДНК під час реплікації цієї молекули. Її основна функція полягає в тому, щоб зрівняти дезоксирибонуклеотидні трифосфати з тією з шаблону ланцюга. Вона також бере участь у репарації ДНК.

Цей фермент дозволяє коректно поєднувати основи ДНК ланцюга цвілі і нову, слідуючи схемі A, яка поєднується з T, і G з C.

Процес реплікації ДНК повинен бути ефективним і повинен виконуватися швидко, тому ДНК-полімераза діє шляхом додавання близько 700 нуклеотидів в секунду і лише робить помилку кожні 109 або 1010 вбудовані нуклеотиди.

Існують різні типи ДНК-полімерази. Вони відрізняються як у еукаріотів, так і у прокаріотів, і кожен має певну роль у реплікації та репарації ДНК..

Можливо, що один з перших ферментів, що з'являються в еволюції, є полімеразами, оскільки здатність реплікації геному точно є внутрішньою вимогою для розвитку організмів.

Відкриття цього ферменту приписують Артуру Корнбергу та його колегам. Цей дослідник ідентифікував ДНК-полімеразу I (Pol I) в 1956 р. Під час роботи Escherichia coli. Точно так само Уотсон і Крік запропонували, що цей фермент може виробляти вірні копії молекули ДНК.

Індекс

  • 1 Типи
    • 1.1 Прокаріот
    • 1.2 Еукаріот
    • 1.3 Арки
  • 2 Функції: реплікація та репарація ДНК
    • 2.1 Що таке реплікація ДНК?
    • 2.2 Реакція
    • 2.3 Властивості ДНК-полімераз
    • 2.4 Фрагменти Окадзакі
    • 2.5 Ремонт ДНК
  • 3 Структура
  • 4 Програми
    • 4.1 КНР
    • 4.2 Антибіотики та протипухлинні препарати
  • 5 Посилання

Типи

Прокаріотів

Прокаріотні організми (організми без справжнього ядра, розділені мембраною) володіють трьома основними ДНК-полімеразами, звичайно скороченими як pol I, II і III.

ДНК-полімераза I бере участь у реплікації і репарації ДНК і володіє екзонуклеазною активністю в обох напрямках. Вважається, що роль цього ферменту в реплікації є вторинною.

II бере участь у репарації ДНК, і його екзонуклеазна активність знаходиться в напрямку 3'-5 '. III бере участь у реплікації і ревізії ДНК і, як і попередній фермент, представляє екзонуклеазну активність в напрямку 3'-5 '.

Еукаріот

Еукаріоти (організми з істинним ядром, розділені мембраною) мають п'ять ДНК-полімераз, позначених літерами грецького алфавіту: α, β, γ, δ і ε.

Γ-полімераза знаходиться в мітохондріях і відповідає за реплікацію генетичного матеріалу в цій клітинній органелі. Навпаки, інші чотири знаходяться в ядрі клітин і беруть участь у реплікації ядерної ДНК.

Варіанти α, δ і ε є найбільш активними в процесі поділу клітин, що свідчить про те, що їхня основна функція пов'язана з виробництвом копій ДНК.

ДНК-полімераза β, з іншого боку, представляє піки активності в клітинах, які не діляться, причиною яких є припущення, що її основна функція пов'язана з відновленням ДНК.

Різні експерименти змогли перевірити гіпотезу, що вони пов'язують головним чином полімерази α, δ і ε з реплікацією ДНК. Типи γ, δ і ε проявляють 3'-5 'екзонуклеазную активність.

Арки

Новим методам секвенування вдалося виявити величезну різноманітність сімейств ДНК-полімераз. У археях, зокрема, ми виявили сімейство ферментів, що називаються сімейством D, які є унікальними для цієї групи організмів.

Функції: реплікація та репарація ДНК

Що таке реплікація ДНК?

ДНК є молекулою, яка несе всю генетичну інформацію організму. Він складається з цукру, азотистої основи (аденін, гуанін, цитозин і тимін) і фосфатної групи.

Під час процесів поділу клітин, які постійно відбуваються, ДНК повинна бути скопійована швидко і точно - зокрема, в S-фазі клітинного циклу. Цей процес, коли клітина копіює ДНК, відома як реплікація.

Структурно молекула ДНК утворена двома нитками, утворюючи спіраль. Під час процесу реплікації вони відокремлюються, і кожен з них виступає як характер для формування нової молекули. Таким чином, нові нитки переходять на дочірні клітини в процесі ділення клітин.

Оскільки кожна нитка загартована, то сказано, що реплікація ДНК є напівконсервативною - в кінці процесу нова молекула складається з нової нитки і старої нитки. Цей процес був описаний в 1958 році дослідниками Мезелсона і Шталь, використовуючи ізофотографії.

Реплікація ДНК вимагає серії ферментів, які каталізують процес. Серед цих білкових молекул виділяється ДНК-полімераза.

Реакція

Для синтезу ДНК необхідні необхідні субстрати для процесу: дезоксирибонуклеотидні трифосфати (dNTP)

Механізм реакції включає нуклеофільну атаку гідроксильної групи на 3 'кінці зростаючої ланцюга в альфа-фосфаті комплементарного dNTP, усуваючи пірофосфат. Цей етап є дуже важливим, оскільки енергія для полімеризації надходить від гідролізу dNTP і отриманого пірофосфату.

Pol III або альфа приєднується до першого (див. Властивості полімераз) і починає додавати нуклеотиди. Епсилон витягує лідерний ланцюг, а дельта витягує затримку.

Властивості ДНК-полімераз

Всі відомі ДНК-полімерази мають дві істотні властивості, пов'язані з процесом реплікації.

По-перше, всі полімерази синтезують ланцюг ДНК у напрямку 5'-3 ', додаючи dNTP до гідроксильної групи зростаючого ланцюга..

По-друге, ДНК-полімерази не можуть починати синтезувати новий ланцюжок з нічого. Вони потребують додаткового елемента, відомого як праймер або праймер, який представляє собою молекулу, утворену кількома нуклеотидами, що дають вільну гідроксильну групу, де полімераза може закріплювати і починати свою активність.

Це одна з принципових відмінностей між ДНК і РНК-полімеразами, оскільки останній здатний ініціювати синтез ланцюга de novo.

Фрагменти Окадзакі

Перша властивість ДНК-полімераз, згаданих у попередньому розділі, є ускладненням для сеансу напівконсервативної реплікації. Оскільки дві ланцюги ДНК протікають антипараллельно, один з них синтезується переривчастим способом (який необхідно синтезувати в напрямку 3'-5 ')..

У уповільненій ланцюзі переривчастий синтез відбувається за допомогою нормальної активності полімерази, 5'-3 ', і отримані фрагменти - відомі в літературі як фрагменти Окадзакі - пов'язані іншим ферментом, лигазой.

Ремонт ДНК

ДНК постійно піддається впливу факторів, як ендогенних, так і екзогенних, які можуть пошкодити її. Ці пошкодження можуть блокувати реплікацію і накопичуватися, так що вони впливають на експресію генів, створюючи проблеми в різних клітинних процесах.

На додаток до своєї ролі в процесі реплікації ДНК, полімераза є також ключовим компонентом механізмів репарації ДНК. Вони також можуть діяти як датчики в клітинному циклі, які запобігають входженню в фазу поділу, якщо ДНК пошкоджена.

Структура

В даний час, завдяки дослідженням кристалографії, можна було з'ясувати структури різних полімераз. Виходячи з їх первинної послідовності, полімерази згруповані в сім'ї: A, B, C, X і Y.

Деякі аспекти є загальними для всіх полімераз, особливо тих, які пов'язані з каталітичними центрами ферменту.

До них відносяться два ключові активні ділянки, які мають іони металів, з двома залишками аспартату і змінним залишком - або аспартатом, або глутаматом, який координує метали. Існує ще одна серія заряджених залишків, які оточують каталітичний центр і зберігаються в різних полімеразах.

У прокаріотів ДНК-полімераза I являє собою 103 kd поліпептид, II - поліпептид 88 kd, а III - десять субодиниць.

У еукаріотів ферменти більші і складніші: α формується п'ятьма одиницями, β і γ субодиницею, δ двома субодиницями, а ε - 5..

Програми

КНР

Ланцюгова полімеразна реакція (КНР) є методом, використовуваним у всіх лабораторіях молекулярної біології, завдяки її корисності та простоті. Мета цього методу полягає в масовому ампліфікації представляє інтерес молекули ДНК.

Щоб досягти цього, біологи використовують ДНК-полімеразу, яка не пошкоджується теплом (для цього процесу необхідні високі температури) для ампліфікації молекули. Результатом цього процесу є велика кількість молекул ДНК, які можуть бути використані для різних цілей.

Одним з найбільш видатних клінічних утиліт техніки є її використання в медичній діагностиці. КНР можна використовувати для перевірки наявності патогенних бактерій і вірусів у пацієнтів.

Антибіотики і протипухлинні препарати

Значна кількість препаратів спрямована на укорочення механізмів реплікації ДНК в патогенному організмі, будь то вірус або бактерія.

У деяких з них мішенню є інгібування активності ДНК-полімерази. Наприклад, хіміотерапевтичний препарат цитарабін, також званий цитозин арабінозид, відключає ДНК-полімеразу.

Список літератури

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... & Walter, P. (2015). Основна біологія клітини. Гірлянди наука.
  2. Cann, I. K., & Ishino, Y. (1999). Архівна реплікація ДНК: виявлення частин для вирішення головоломки. Генетика, 152(4), 1249-67.
  3. Купер Г. М., Хаусман Р. Е. (2004). Клітина: Молекулярний підхід. Медична наклада.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Множинні функції ДНК-полімераз. Критичні огляди в науках рослин, 26(2), 105-122.
  5. Щербакова П. В., Бебенк К., Кункель Т. А. (2003). Функції еукаріотичних ДНК-полімераз. Наука SAGE KE, 2003(8), 3.
  6. Steitz, Т. A. (1999). ДНК-полімерази: структурна різноманітність і загальні механізми. Журнал біологічної хімії, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W.A., Pedersen, L.G., & Wilson, S.H. (2013). Структурне порівняння архітектури ДНК-полімерази передбачає нуклеотидний шлюз до активного сайту полімерази. Хімічні огляди, 114(5), 2759-74.