POLIMERAZA DNA: RODZAJE, FUNKCJE I BUDOWA - BIOLOGIA - 2025

Polimerazy DNA, jest enzymem, który odpowiedzialny jest za katalizowanie polimeryzację nowej nici DNA podczas replikacji tej cząsteczki. Jego główną funkcją jest sparowanie dezoksyrybonukleotydów trifosforanowych z tymi z łańcucha matrycowego. Bierze również udział w naprawie DNA.

Enzym ten pozwala na prawidłowe sparowanie zasad DNA łańcucha matrycowego i nowego, zgodnie ze schematem par A z T i G z C.

Struktura beta polimerazy DNA u ludzi.
Źródło: Yikrazuul, źródło Wikimedia Commons

Proces replikacji DNA musi być skuteczny i musi być przeprowadzony szybko, więc polimeraza DNA działa dodając około 700 nukleotydów na sekundę i popełnia tylko jeden błąd na każde 10 ⁹ lub 10 ¹⁰ wbudowanych nukleotydów.

Istnieją różne typy polimerazy DNA. Różnią się one zarówno u eukariontów, jak i prokariotów, a każdy z nich ma określoną rolę w replikacji i naprawie DNA.

Możliwe, że jednym z pierwszych enzymów, które pojawiły się w ewolucji, były polimerazy, ponieważ zdolność do precyzyjnej replikacji genomu jest nieodłącznym wymogiem rozwoju organizmów.

Odkrycie tego enzymu przypisuje się Arthurowi Kornbergowi i jego współpracownikom. Badacz ten zidentyfikował polimerazę DNA I (Pol I) w 1956 r. Podczas pracy z Escherichia coli. Podobnie, to Watson i Crick zaproponowali, że enzym ten może tworzyć wierne kopie cząsteczki DNA.

Rodzaje

Prokariota

Organizmy prokariotyczne (organizmy bez prawdziwego jądra, ograniczone błoną) posiadają trzy główne polimerazy DNA, powszechnie określane jako pol I, II i III.

Polimeraza DNA I uczestniczy w replikacji i naprawie DNA oraz wykazuje aktywność egzonukleazy w obu kierunkach. Uważa się, że rola tego enzymu w replikacji jest drugorzędna.

II uczestniczy w naprawie DNA, a jego aktywność egzonukleazy jest w sensie 3'-5 '. III uczestniczy w replikacji i rewizji DNA i podobnie jak poprzedni enzym wykazuje aktywność egzonukleazy w sensie 3'-5 '.

Eukarionty

Eukarionty (organizmy z prawdziwym jądrem otoczonym błoną) mają pięć polimeraz DNA, nazwanych literami alfabetu greckiego: α, β, γ, δ i ε.

Polimeraza γ znajduje się w mitochondriach i jest odpowiedzialna za replikację materiału genetycznego w tej organelli komórkowej. Natomiast pozostałe cztery znajdują się w jądrach komórek i biorą udział w replikacji jądrowego DNA.

Warianty α, δ i ε są najbardziej aktywne w procesie podziału komórek, co sugeruje, że ich główna funkcja związana jest z produkcją kopii DNA.

Z kolei polimeraza DNA β wykazuje szczyty aktywności w komórkach, które się nie dzielą, więc przyjmuje się, że jej główna funkcja jest związana z naprawą DNA.

Różne eksperymenty pozwoliły zweryfikować hipotezę, że najczęściej wiążą one polimerazy α, δ i ε z replikacją DNA. Typy γ, δ i ε wykazują aktywność egzonukleazy 3'-5 '.

Łuki

Nowe metody sekwencjonowania pozwoliły zidentyfikować ogromną różnorodność rodzin polimerazy DNA. W szczególności u archeonów zidentyfikowano rodzinę enzymów, zwaną rodziną D, która jest unikalna dla tej grupy organizmów.

Funkcje: replikacja i naprawa DNA

Co to jest replikacja DNA?

DNA to cząsteczka, która przenosi wszystkie informacje genetyczne organizmu. Składa się z cukru, zasady azotowej (adeniny, guaniny, cytozyny i tyminy) oraz grupy fosforanowej.

Podczas zachodzących nieustannie procesów podziału komórek DNA musi być kopiowane szybko i dokładnie - szczególnie w fazie S cyklu komórkowego. Ten proces, w którym komórka kopiuje DNA, jest znany jako replikacja.

Strukturalnie cząsteczka DNA składa się z dwóch nici tworzących helisę. Podczas procesu replikacji te oddzielają się i każdy działa jako szablon do tworzenia nowej cząsteczki. W ten sposób nowe nici przechodzą do komórek potomnych w procesie podziału komórek.

Ponieważ każda nić służy jako matryca, mówi się, że replikacja DNA jest półkonserwatywna - pod koniec procesu nowa cząsteczka składa się z nowej i starej nici. Proces ten został opisany w 1958 roku przez badaczy Meselsona i Stahla przy użyciu izopotów.

Replikacja DNA wymaga szeregu enzymów, które katalizują ten proces. Wśród tych cząsteczek białek wyróżnia się polimeraza DNA.

Reakcja

Aby doszło do syntezy DNA, potrzebne są substraty niezbędne do tego procesu: trifosforan dezoksyrybonukleotydu (dNTP)

Mechanizm reakcji obejmuje nukleofilowy atak grupy hydroksylowej na końcu 3 'rosnącej nici na alfa-fosforanie komplementarnych dNTPs, eliminując pirofosforan. Ten etap jest bardzo ważny, ponieważ energia polimeryzacji pochodzi z hydrolizy dNTP i powstałego pirofosforanu.

Pol III lub alfa wiąże się ze starterem (patrz właściwości polimeraz) i zaczyna dodawać nukleotydy. Epsilon wydłuża łańcuch prowadzący, a delta wydłuża pasmo opóźnione.

Właściwości polimeraz DNA

Wszystkie znane polimerazy DNA mają dwie podstawowe właściwości związane z procesem replikacji.

Po pierwsze, wszystkie polimerazy syntetyzują nić DNA w kierunku 5'-3 ', dodając dNTP do grupy hydroksylowej rosnącego łańcucha.

Po drugie, polimerazy DNA nie mogą rozpocząć syntezy nowej nici od zera. Potrzebują dodatkowego elementu zwanego starterem lub starterem, który jest cząsteczką złożoną z kilku nukleotydów, która zapewnia wolną grupę hydroksylową, w której polimeraza może zakotwiczyć i rozpocząć swoją aktywność.

Jest to jedna z fundamentalnych różnic między polimerazami DNA i RNA, ponieważ ta ostatnia jest zdolna do inicjowania syntezy łańcucha de novo.

Fragmenty Okazaki

Pierwsza właściwość polimeraz DNA, o której mowa w poprzedniej części, stanowi powikłanie replikacji półkonserwatywnej. Ponieważ dwie nici DNA biegną antyrównolegle, jedna z nich jest syntetyzowana w sposób nieciągły (ta, która musiałaby być syntetyzowana w sensie 3'-5 ').

W nici opóźnionej dochodzi do nieciągłej syntezy poprzez normalną aktywność polimerazy 5'-3 ', a powstałe fragmenty - znane w literaturze jako fragmenty Okazaki - są połączone innym enzymem, ligazą.

Naprawa DNA

DNA jest stale narażone na czynniki, zarówno endogenne, jak i egzogenne, które mogą je uszkodzić. Uszkodzenia te mogą blokować replikację i kumulować się, wpływając na ekspresję genów, powodując problemy w różnych procesach komórkowych.

Oprócz swojej roli w procesie replikacji DNA polimeraza jest również kluczowym składnikiem mechanizmów naprawy DNA. Mogą również działać jako czujniki w cyklu komórkowym, zapobiegając wejściu w fazę podziału w przypadku uszkodzenia DNA.

Struktura

Obecnie dzięki badaniom krystalograficznym wyjaśniono struktury różnych polimeraz. Na podstawie ich pierwotnej sekwencji polimerazy są pogrupowane w rodziny: A, B, C, X i Y.

Niektóre aspekty są wspólne dla wszystkich polimeraz, szczególnie tych związanych z centrami katalitycznymi enzymu.

Obejmują one dwa kluczowe miejsca aktywne, które zawierają jony metali, z dwiema resztami asparaginianu i jedną resztą zmienną - asparaginianem lub glutaminianem, który koordynuje metale. Istnieje inna seria naładowanych reszt, które otaczają centrum katalityczne i są konserwowane w różnych polimerazach.

U prokariotów polimeraza DNA I jest polipeptydem o masie 103 kD, II jest polipeptydem o masie 88 kD, a III składa się z dziesięciu podjednostek.

U eukariotów enzymy są większe i bardziej złożone: α składa się z pięciu jednostek, β i γ z jednej podjednostki, δ z dwóch podjednostek, a ε z 5.

Aplikacje

ChRL

Reakcja łańcuchowa polimerazy (PRC) jest metodą stosowaną we wszystkich laboratoriach biologii molekularnej, dzięki swojej użyteczności i prostocie. Celem tej metody jest masowa amplifikacja cząsteczki DNA będącej przedmiotem zainteresowania.

Aby to osiągnąć, biolodzy używają polimerazy DNA, która nie jest uszkadzana przez ciepło (do tego procesu niezbędne są wysokie temperatury) do amplifikacji cząsteczki. Wynikiem tego procesu jest duża liczba cząsteczek DNA, które można wykorzystać do różnych celów.

Jedną z najwybitniejszych klinicznych zastosowań tej techniki jest jej zastosowanie w diagnostyce medycznej. PRC może być stosowany do sprawdzania pacjentów pod kątem chorobotwórczych bakterii i wirusów.

Antybiotyki i leki przeciwnowotworowe

Znaczna liczba leków ma na celu skrócenie mechanizmów replikacji DNA w organizmie patogennym, czy to wirusa, czy bakterii.

W niektórych przypadkach celem jest zahamowanie aktywności polimerazy DNA. Na przykład, lek chemioterapeutyczny cytarabina, zwany także arabinozydem cytozyny, wyłącza polimerazę DNA.

Bibliografia

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Niezbędna biologia komórki. Garland Science.
2. Cann, IK i Ishino, Y. (1999). Replikacja Archaeal DNA: identyfikacja elementów w celu rozwiązania zagadki. Genetyka, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM i Hausman, RE (2004). Komórka: podejście molekularne. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M. i Bebenek, K. (2007). Wiele funkcji polimeraz DNA. Critical reviews in plant science, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K. i Kunkel, TA (2003). Funkcje eukariotycznych polimeraz DNA. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). Polimerazy DNA: różnorodność strukturalna i wspólne mechanizmy. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG i Wilson, SH (2013). Porównanie strukturalne architektury polimerazy DNA sugeruje bramę nukleotydową do aktywnego miejsca polimerazy. Chemical Reviews, 114 (5), 2759–74.