DNA-POLYMERAS: TYPER, FUNKTION OCH STRUKTUR - BIOLOGI - 2025

Den DNA-polymeras är ett enzym som är ansvarigt för katalysering av polymerisationen av den nya DNA-strängen under replikation av denna molekyl. Dess huvudfunktion är att para trifosfatdeoxiribonukleotider med de i mallkedjan. Det är också involverat i DNA-reparation.

Detta enzym tillåter rätt parning mellan DNA-baserna i mallkedjan och den nya, enligt schemat för A-par med T, och G med C.

Struktur av DNA-polymeras beta hos människor.
Källa: Yikrazuul, från Wikimedia Commons

Processen för DNA-replikering måste vara effektiv och måste genomföras snabbt, så DNA-polymeras fungerar genom att tillsätta cirka 700 nukleotider per sekund och bara gör ett misstag varje 10 ⁹ eller 10 ¹⁰ nukleotider som införlivas.

Det finns olika typer av DNA-polymeras. Dessa varierar både i eukaryoter och prokaryoter, och var och en har en specifik roll i DNA-replikering och reparation.

Det är möjligt att ett av de första enzymerna som framträdde i evolutionen var polymeraser, eftersom förmågan att exakt replikera genomet är ett iboende krav för utveckling av organismer.

Upptäckten av detta enzym krediteras Arthur Kornberg och hans kollegor. Denna forskare identifierade DNA-polymeras I (Pol I) 1956, medan han arbetade med Escherichia coli. På liknande sätt var det Watson och Crick som föreslog att detta enzym kunde producera trogen kopior av DNA-molekylen.

typer

prokaryoter

Prokaryotiska organismer (organismer utan en verklig kärna, avgränsade av ett membran) har tre huvudsakliga DNA-polymeraser, vanligtvis förkortade pol I, II och III.

DNA-polymeras I deltar i DNA-replikering och -reparation och har exonukleasaktivitet i båda riktningarna. Detta enzyms roll i replikation anses vara sekundär.

II deltar i DNA-reparation och dess exonukleasaktivitet är i 3'-5'-meningen. III deltar i replikering och revision av DNA, och som det tidigare enzymet uppvisar det exonukleasaktivitet i 3'-5'-meningen.

eukaryoter

Eukaryoter (organismer med en sann kärna, avgränsade av ett membran) har fem DNA-polymeraser, benämnda med bokstäver i det grekiska alfabetet: α, β, γ, δ och ε.

Polymeras y är beläget i mitokondrierna och ansvarar för replikationen av genetiskt material i denna cellorganell. Däremot hittas de andra fyra i cellkärnan och är involverade i kärn-DNA-replikation.

Variationerna a, δ och ε är de mest aktiva i celldelningsprocessen, vilket antyder att deras huvudfunktion är associerad med produktion av DNA-kopior.

DNA-polymeras p uppvisar på sin sida toppar av aktivitet i celler som inte delar sig, så det antas att dess huvudfunktion är associerad med DNA-reparation.

Olika experiment har kunnat verifiera hypotesen att de mestadels associerar a-, 5- och e-polymeraser med DNA-replikering. Typerna y, 5 och e visar exonukleasaktivitet 3'-5 '.

bågar

Nya sekvenseringsmetoder har lyckats identifiera en enorm mängd DNA-polymerasfamiljer. I archaea har specifikt en familj av enzymer, kallad D-familjen, identifierats som är unika för denna grupp av organismer.

Funktioner: DNA-replikering och reparation

Vad är DNA-replikering?

DNA är molekylen som bär all genetisk information om en organisme. Det består av ett socker, en kvävehaltig bas (adenin, guanin, cytosin och tymin) och en fosfatgrupp.

Under processerna för celldelning, som konstant förekommer, måste DNA kopieras snabbt och exakt - specifikt i cellcykelens S-fas. Denna process där cellen kopierar DNA kallas replikering.

Strukturellt består DNA-molekylen av två strängar och bildar en spiral. Under replikationsprocessen separerar dessa och var och en som en mall för bildandet av en ny molekyl. Således passerar de nya strängarna till dottercellerna i processen med celldelning.

Eftersom varje sträng fungerar som en mall, sägs DNA-replikering vara semikonservativ - i slutet av processen består den nya molekylen av en ny och en gammal tråd. Denna process beskrivs 1958 av forskarna Meselson och Stahl med användning av isopoter.

DNA-replikation kräver en serie enzymer som katalyserar processen. Bland dessa proteinmolekyler sticker DNA-polymeras ut.

Reaktion

För att DNA-syntes ska ske krävs de substrat som är nödvändiga för processen: deoxiribonukleotidtrifosfat (dNTP)

Reaktionsmekanismen innefattar en nukleofil attack av hydroxylgruppen vid 3'-änden av den växande strängen på alfosfatet hos de komplementära dNTP: erna, vilket eliminerar ett pyrofosfat. Detta steg är mycket viktigt eftersom energin för polymerisation kommer från hydrolysen av dNTP: erna och det resulterande pyrofosfatet.

Pol III eller alfa binder till primern (se egenskaper hos polymeraser) och börjar tillsätta nukleotider. Epsilonen förlänger blykedjan och delta förlänger den retarderade strängen.

Egenskaper hos DNA-polymeraser

Alla kända DNA-polymeraser delar två väsentliga egenskaper associerade med replikationsprocessen.

Först syntetiserar alla polymeraser DNA-strängen i 5'-3 '-riktningen och sätter dNTP till hydroxylgruppen i den växande kedjan.

För det andra kan DNA-polymeraser inte börja syntetisera en ny tråd från början. De behöver ett ytterligare element känt som en primer eller en primer, som är en molekyl som består av några få nukleotider som tillhandahåller en fri hydroxylgrupp, där polymeraset kan förankra och börja sin aktivitet.

Detta är en av de grundläggande skillnaderna mellan DNA och RNA-polymeraser, eftersom det senare kan initiera syntesen av en de novo-kedja.

Fragment av Okazaki

Den första egenskapen hos DNA-polymeraser som nämns i föregående sektion representerar en komplikation för semikonservativ replikation. Eftersom de två DNA-strängarna kör antiparallellt, syntetiseras en av dem diskontinuerligt (den som skulle behöva syntetiseras i 3'-5'-meningen).

I den försenade strängen sker diskontinuerlig syntes genom den normala aktiviteten hos polymeraset, 5'-3 ', och de resulterande fragmenten - kända i litteraturen som Okazaki-fragment - är kopplade av ett annat enzym, ligas.

DNA-reparation

DNA exponeras ständigt för faktorer, både endogena och exogena, som kan skada det. Dessa skador kan blockera replikering och ackumuleras, vilket påverkar uttrycket av gener och orsakar problem i de olika cellulära processerna.

Förutom sin roll i DNA-replikeringsprocessen är polymeras också en viktig komponent i DNA-reparationsmekanismer. De kan också fungera som sensorer i cellcykeln som förhindrar inträde i delningsfasen om DNA skadas.

Strukturera

Tack vare kristallografistudier har strukturerna för olika polymeraser för närvarande belysts. Baserat på deras primära sekvens grupperas polymeraser i familjer: A, B, C, X och Y.

Vissa aspekter är gemensamma för alla polymeraser, särskilt de som är relaterade till enzymets katalytiska centra.

Dessa inkluderar två viktiga aktiva ställen som har metalljoner, med två aspartatrester och en variabel rest - antingen aspartat eller glutamat, som koordinerar metallerna. Det finns en annan serie laddade rester som omger det katalytiska centrumet och bevaras i de olika polymeraserna.

I prokaryoter är DNA-polymeras I en 103 kd polypeptid, II är en 88 kd polypeptid och III består av tio subenheter.

I eukaryoter är enzymerna större och mer komplexa: a består av fem enheter, β och γ från en underenhet, δ av två underenheter och ε av 5.

tillämpningar

PRC

Polymeraskedjereaktionen (PRC) är en metod som används i alla molekylärbiologiska laboratorier, tack vare dess användbarhet och enkelhet. Målet med denna metod är att massivt amplifiera en DNA-molekyl av intresse.

För att uppnå detta använder biologer ett DNA-polymeras som inte skadas av värme (höga temperaturer är viktiga för denna process) för att förstärka molekylen. Resultatet av denna process är ett stort antal DNA-molekyler som kan användas för olika ändamål.

En av de mest framstående kliniska verktygen för tekniken är dess användning i medicinsk diagnos. PRC kan användas för att kontrollera patienter för patogena bakterier och virus.

Antibiotika och antitumörläkemedel

Ett betydande antal läkemedel syftar till att avkorta mekanismerna för DNA-replikation i den patogena organismen, vare sig det är ett virus eller en bakterie.

I en del av detta är målet hämning av DNA-polymerasaktivitet. Exempelvis inaktiverar det kemoterapeutiska läkemedlet cytarabin, även kallad cytosin arabinosid, DNA-polymeras.

referenser

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2015). Väsentlig cellbiologi. Garland Science.
2. Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Archaeal DNA-replikering: identifiera bitarna för att lösa ett pussel. Genetik, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). Cellen: Molekylär inställning. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Flera funktioner av DNA-polymeraser. Kritiska recensioner inom växtvetenskap, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Funktioner för eukaryota DNA-polymeraser. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA-polymeraser: strukturell mångfald och vanliga mekanismer. Journal of Biologisk kemi, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013). Strukturell jämförelse av DNA-polymerasarkitektur antyder en nukleotidport till det polymerasaktiva stället. Chemical Reviews, 114 (5), 2759-74.