ПОЛИМЕРАЗА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На полимерази са ензими, чиято функция е свързана с процесите на репликация и транскрипция на нуклеинови киселини. Има два основни типа от тези ензими: ДНК полимераза и РНК полимераза.

ДНК полимеразата е отговорна за синтеза на новата ДНК верига по време на процеса на репликация, добавяйки нови нуклеотиди. Те са големи, сложни ензими и се различават по структура в зависимост от това дали се намират в еукариотичен или прокариотен организъм.

Taq полимераза: ензимът, използван в PCR.

Източник: Lijealso

По подобен начин РНК полимеразата действа по време на ДНК транскрипция, синтезирайки молекулата на РНК. Подобно на ДНК полимеразата, тя се намира както в еукариотите, така и в прокариотите и нейната структура и сложност варират в зависимост от групата.

От еволюционна гледна точка е вероятно да се мисли, че първите ензими трябва да са имали активност на полимераза, тъй като едно от присъщите изисквания за развитието на живота е способността за репликация на генома.

Централната догма на молекулярната биология

Така наречената "догма" на молекулярната биология описва образуването на протеини от гени, кодирани в ДНК в три етапа: репликация, транскрипция и транслация.

Процесът започва с репликацията на молекулата на ДНК, където две копия от нея се генерират по полуконсервативен начин. След това съобщението от ДНК се транскрибира в молекула на РНК, наречена пратеник РНК. И накрая, пратеникът се превежда в протеини от рибозомните машини.

В тази статия ще изследваме два основни ензима, участващи в първите два споменати процеса.

Заслужава да се отбележи, че има изключения от централната догма. Много гени не се превеждат в протеини, а в някои случаи потокът на информация е от РНК към ДНК (както в ретровирусите).

ДНК полимераза

Характеристика

ДНК полимеразата е ензимът, отговорен за точната репликация на генома. Работата на ензима трябва да бъде достатъчно ефективна, за да гарантира поддържането на генетичната информация и предаването й на следващите поколения.

Ако вземем предвид размера на генома, това е доста предизвикателна задача. Например, ако си поставим задача да препишем документ от 100 страници на компютъра си, със сигурност ще имаме по една грешка (или повече, в зависимост от концентрацията ни) за всяка страница.

Полимеразата може да добавя повече от 700 нуклеотиди всяка секунда и това прави грешки само на всеки вградени 10 ⁹ или 10 ¹⁰ нуклеотида, изключителен брой.

Полимеразата трябва да има механизми, които позволяват точно да се копира информацията за генома. Следователно има различни полимерази, които имат способността да репликират и възстановяват ДНК.

Характеристики и структура

ДНК полимеразата е ензим, който работи в посока 5'-3 'и работи чрез добавяне на нуклеотиди към крайния край с групата на свободен -OH.

Едно от непосредствените последици от тази характеристика е, че една от веригите може да бъде синтезирана без неудобство, но какво да кажем за жилото, което трябва да се синтезира в посока 3'-5 '?

Тази верига се синтезира в онези фрагменти от Оказаки. По този начин малки сегменти се синтезират в нормална посока 5'-3 ', които впоследствие се съединяват от ензим, наречен лигаза.

Структурно ДНК полимеразите имат общо две активни места, които притежават метални йони. В тях откриваме остатъци от аспартат и други аминокиселини, които координират металите.

Видове

Традиционно в прокариотите са идентифицирани три вида полимерази, които са кръстени с римски цифри: I, II и III. В еукариотите се разпознават пет ензима и се назовават с букви от гръцката азбука, а именно: α, β, γ, δ и ε.

Най-новите проучвания са установили пет вида ДНК в Escherichia coli, 8 в дрождите Saccharomyces cerevisiae и повече от 15 при хора. В растителната линия ензимът е по-малко проучен. В моделния организъм Arabidopsis thaliana са описани около 12 ензими.

Приложения

Една от най-използваните техники в лабораториите за молекулярна биология е PCR или полимеразна верижна реакция. Тази процедура се възползва от капацитета на полимеризация на ДНК полимераза, за да амплифицира с няколко порядъка ДНК молекула, която искаме да изследваме.

С други думи, в края на процедурата ще имаме хиляди копия на целевата ни ДНК. Използването на PCR е много разнообразно. Може да се прилага за научни изследвания, за диагностициране на някои заболявания или дори в екологията.

РНК полимераза

Характеристика

РНК полимеразата е отговорна за генерирането на РНК молекула, като се започне от ДНК шаблон. Полученият стенопис е копие, което допълва ДНК сегмента, използван като шаблон.

Messenger RNA е отговорен за пренасянето на информация към рибозомата, за генериране на протеин. Те също участват в синтеза на другите видове РНК.

Това не може да действа самостоятелно, нужни са му протеини, наречени транскрипционни фактори, за да могат успешно да изпълняват функциите си.

Характеристики и структура

РНК полимеразите са големи ензимни комплекси. Те са по-сложни в еукариотния род, отколкото в прокариотичните.

В еукариотите има три типа полимерази: Pol I, II и III, които са централната машина за синтеза на рибозома, месинджър и трансферна РНК, съответно. За разлика от тях, в прокариотите всичките им гени се обработват от един тип полимераза.

Разлики между ДНК и РНК полимераза

Въпреки че и двата ензима използват ДНК отгряване, те се различават по три ключови начина. Първо, ДНК полимеразата изисква праймер за иницииране на репликация и свързване на нуклеотиди. Праймер или праймер е молекула, съставена от няколко нуклеотида, чиито последователности са комплементарни към конкретен сайт в ДНК.

Грундът дава свободен -OH на полимеразата, за да започне каталитичния си процес. За разлика от тях, РНК полимеразите могат да започнат своята работа без нужда от грунд.

Второ, ДНК полимеразата има множество свързващи участъци на молекулата на ДНК. РНК полимеразата може да се свързва само с промоторни последователности на гени.

И накрая, ДНК полимеразата е ензим, който върши работата си с висока вярност. РНК полимеразата е податлива на повече грешки, въвеждайки грешен нуклеотид на всеки 10 ⁴ нуклеотиди.

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. Критични рецензии в науките за растенията, 26 (2), 105–122.
5. Lewin, B. (1975). Генната експресия. UMI Книги по поръчка.
6. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Молекулярно-клетъчна биология. Macmillan.
7. Пиърс, BA (2009). Генетика: концептуален подход. Panamerican Medical Ed.
8. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Функции на еукариотни ДНК полимерази. SAGE KE на Science, 2003 (8), 3.
9. Steitz, TA (1999). ДНК полимерази: структурно разнообразие и общи механизми. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
10. 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.