ДНК ПОЛИМЕРАЗА: ВИДОВЕ, ФУНКЦИЯ И СТРУКТУРА - БИОЛОГИЯ - 2025

В полимеразата ДНК е ензим, който е отговорен за катализиране на полимеризацията на нова ДНК нишка по време на репликацията на тази молекула. Основната му функция е да сдвоява трифосфатните дезоксирибонуклеотиди с тези на шаблонната верига. Той също участва в ремонта на ДНК.

Този ензим позволява правилното сдвояване между ДНК базите на веригата на шаблона и новата, следвайки схемата на A, чифтосвана с T, и G със C.

Структура на бета на ДНК полимераза при хора.

Източник: Yikrazuul, от Wikimedia Commons

Процесът на репликация на ДНК трябва да бъде ефективен и трябва да се извърши бързо, така че ДНК полимеразата работи, като добавя около 700 нуклеотиди в секунда и прави само една грешка на всеки 10 ⁹ или 10 ¹⁰ нуклеотида, включени.

Има различни видове ДНК полимераза. Те варират както в еукариотите, така и в прокариотите и всеки от тях има специфична роля в репликацията и възстановяването на ДНК.

Възможно е един от първите ензими, появили се в еволюцията, да са били полимерази, тъй като способността за точно възпроизвеждане на генома е присъщо изискване за развитието на организмите.

Откриването на този ензим е кредитирано на Артър Корнберг и неговите колеги. Този изследовател идентифицира ДНК полимераза I (Pol I) през 1956 г., докато работи с Escherichia coli. По същия начин Уотсън и Крик предложиха този ензим да произведе верни копия на молекулата на ДНК.

Видове

Прокариоти

Прокариотичните организми (организми без истинско ядро, ограничени от мембрана) притежават три основни ДНК полимерази, обикновено съкратени като pol I, II и III.

ДНК полимераза I участва в репликацията и възстановяването на ДНК и има екзонуклеазна активност в двете посоки. Ролята на този ензим в репликацията се счита за второстепенна.

II участва в поправянето на ДНК и неговата екзонуклеазна активност е в 3'-5 'смисъл. III участва в репликацията и ревизията на ДНК и подобно на предишния ензим, той проявява екзонуклеазна активност в 3'-5 'смисъл.

евкариотни клетки

Еукариотите (организми с истинско ядро, ограничено от мембрана) имат пет ДНК полимерази, наречени с букви от гръцката азбука: α, β, γ, δ и ε.

Полимеразата γ се намира в митохондриите и е отговорна за репликацията на генетичен материал в тази клетъчна органела. За разлика от тях, останалите четири се намират в ядрото на клетките и участват в репликацията на ядрената ДНК.

Вариантите α, δ и ε са най-активни в процеса на клетъчно делене, което предполага, че основната им функция е свързана с производството на копия на ДНК.

ДНК полимеразата β, от своя страна, показва пикове на активност в клетки, които не се делят, така че се приема, че основната й функция е свързана с възстановяването на ДНК.

Различни експерименти бяха в състояние да потвърдят хипотезата, че те свързват най-вече α, δ и ε полимерази с репликация на ДНК. Видовете γ, δ и ε показват 3'-5 'екзонуклеазна активност.

Arches

Новите методи за секвениране успяха да идентифицират огромно разнообразие от семейства на ДНК полимераза. По-специално в археите е идентифицирано семейство от ензими, наречено семейство D, които са уникални за тази група организми.

Функции: репликация и възстановяване на ДНК

Какво е репликация на ДНК?

ДНК е молекулата, която носи цялата генетична информация на организма. Състои се от захар, азотна основа (аденин, гуанин, цитозин и тимин) и фосфатна група.

По време на процесите на клетъчно делене, които постоянно протичат, ДНК трябва да се копира бързо и точно - по-специално във S фазата на клетъчния цикъл. Този процес, при който клетката копира ДНК, е известен като репликация.

В структурно отношение молекулата на ДНК е изградена от две нишки, образуващи спирала. По време на процеса на репликация, те се отделят и всяко действа като образец за образуването на нова молекула. Така новите нишки преминават към дъщерните клетки в процеса на клетъчно делене.

Тъй като всеки направление служи като шаблон, се казва, че репликацията на ДНК е полуконсервативна - в края на процеса новата молекула се състои от нова и стара верига. Този процес е описан през 1958 г. от изследователи Меселсън и Стал, използвайки изопоти.

Репликацията на ДНК изисква серия от ензими, които катализират процеса. Сред тези протеинови молекули се откроява ДНК полимеразата.

реакция

За да се случи синтеза на ДНК, са необходими субстрати, необходими за процеса: дезоксирибонуклеотид трифосфат (dNTP)

Реакционният механизъм включва нуклеофилна атака от хидроксилната група в 3 'края на нарастващата верига върху алфа фосфата на комплементарните dNTPs, елиминирайки пирофосфат. Тази стъпка е много важна, тъй като енергията за полимеризация идва от хидролизата на dNTP и получения пирофосфат.

Pol III или алфа се свързва с праймера (виж свойствата на полимеразите) и започва да добавя нуклеотиди. Епсилонът удължава оловната верига, а делта издължава изостаналата нишка.

Свойства на ДНК полимерази

Всички известни ДНК полимерази имат две основни свойства, свързани с процеса на репликация.

Първо, всички полимерази синтезират ДНК веригата в посока 5'-3 ', добавяйки dNTPs към хидроксилната група на растящата верига.

Второ, ДНК полимеразите не могат да започнат да синтезират нова нишка от нулата. Те се нуждаят от допълнителен елемент, известен като праймер или праймер, който представлява молекула, съставена от няколко нуклеотида, които осигуряват свободна хидроксилна група, където полимеразата може да се закотви и да започне своята активност.

Това е една от основните разлики между ДНК и РНК полимерази, тъй като последната е способна да инициира синтеза на нова верига.

Фрагменти от Оказаки

Първото свойство на ДНК полимерази, споменато в предишния раздел, представлява усложнение за полуконсервативната репликация. Докато двете нишки на ДНК протичат паралелно, едната от тях се синтезира прекъснато (тази, която би трябвало да бъде синтезирана в 3'-5 'смисъл).

В забавената верига прекъснатият синтез се осъществява чрез нормалната активност на полимеразата, 5'-3 ', и получените фрагменти - известни в литературата като Okazaki фрагменти - са свързани с друг ензим, лигаза.

ДНК поправка

ДНК е постоянно изложена на фактори, както ендогенни, така и екзогенни, които могат да го повредят. Тези увреждания могат да блокират репликацията и да се натрупват, засягайки експресията на гените, причинявайки проблеми в различните клетъчни процеси.

Освен ролята си в процеса на репликация на ДНК, полимеразата е и ключов компонент на механизмите за възстановяване на ДНК. Те също могат да действат като сензори в клетъчния цикъл, които предотвратяват навлизането във фазата на делене, ако ДНК е повредена.

структура

Понастоящем, благодарение на изследванията за кристалография, се изясняват структурите на различни полимерази. Въз основа на основната си последователност полимеразите се групират в семейства: A, B, C, X и Y.

Някои аспекти са общи за всички полимерази, по-специално тези, свързани с каталитичните центрове на ензима.

Те включват две ключови активни места, които притежават метални йони, с два остатъка от аспартат и един променлив остатък - аспартат или глутамат, който координира металите. Съществуват още една серия от заредени остатъци, които обграждат каталитичния център и се съхраняват в различните полимерази.

В прокариотите ДНК полимеразата I е 103 kd полипептид, II е 88 kd полипептид и III се състои от десет субединици.

При еукариотите ензимите са по-големи и по-сложни: α се състои от пет единици, β и γ от една субединица, δ от две субединици и ε от 5.

Приложения

PRC

Полимеразната верижна реакция (КНР) е метод, използван във всички лаборатории за молекулярна биология, благодарение на своята полезност и простота. Целта на този метод е масово да амплифицира ДНК молекула, която представлява интерес.

За да постигнат това, биолозите използват ДНК полимераза, която не се уврежда от топлина (високите температури са от съществено значение за този процес), за да амплифицират молекулата. Резултатът от този процес е голям брой молекули на ДНК, които могат да бъдат използвани за различни цели.

Едно от най-забележителните клинични приложения на техниката е нейното използване в медицинската диагностика. PRC може да се използва за проверка на пациенти за патогенни бактерии и вируси.

Антибиотици и противотуморни лекарства

Значителен брой лекарства имат за цел да усъвършенстват механизмите на репликация на ДНК в патогенния организъм, било то вирус или бактерия.

В част от това целта е инхибиране на активността на ДНК полимераза. Например химиотерапевтичното лекарство цитарабин, наричано още цитозин арабинозид, деактивира ДНК полимеразата.

Препратки

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Съществена клетъчна биология. Garland Science.
2. Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Археална репликация на ДНК: идентифициране на парчетата за решаване на пъзел. Генетика, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). Клетката: Молекулен подход. Медицинска наклада.
4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Множество функции на ДНК полимерази. Критически рецензии в науките за растенията, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Функции на еукариотни ДНК полимерази. SAGE KE на Science, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). ДНК полимерази: структурно разнообразие и общи механизми. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013). Структурното сравнение на архитектурата на ДНК полимераза предполага нуклеотиден шлюз към активното място на полимеразата. Химически рецензии, 114 (5), 2759-74.