- Vrste
- Prokarioti
- Evkarioti
- Loki
- Funkcije: podvajanje in popravljanje DNK
- Kaj je podvajanje DNK?
- Reakcija
- Lastnosti polimeraz DNA
- Odlomki Okazakija
- Popravilo DNK
- Struktura
- Prijave
- LRK
- Antibiotiki in protitumorska zdravila
- Reference
Polimerazo DNA je encim, ki je odgovoren za katalizo polimerizacijo nove verige DNA med replikacijo te molekule. Njegova glavna funkcija je spajanje trifosfatnih deoksiribonukleotidov s tistimi iz šablonske verige. Sodeluje tudi pri popravljanju DNK.
Ta encim omogoča pravilno seznanjanje med osnovami DNK verige predloge in novo, po shemi A parov s T in G s C.
Struktura DNA polimeraze beta pri ljudeh.
Vir: Yikrazuul, iz Wikimedia Commons
Proces podvajanja DNK mora biti učinkovit in ga je treba izvesti hitro, zato DNK polimeraza deluje tako, da doda približno 700 nukleotidov na sekundo in naredi samo eno napako na vsakih 10 9 ali 10 10 vključenih nukleotidov.
Obstajajo različne vrste DNK polimeraze. Ti se razlikujejo tako pri evkariotih kot prokariotih in vsak ima posebno vlogo pri podvajanju in popravljanju DNK.
Možno je, da je bil eden prvih encimov, ki se je pojavil v evoluciji, polimeraze, saj je sposobnost natančnega razmnoževanja genoma bistvena zahteva za razvoj organizmov.
Odkritje tega encima je zaslužno za Arthurja Kornberga in njegove sodelavce. Ta raziskovalec je leta 1956 identificiral DNA polimerazo I (Pol I), medtem ko je sodeloval z bakterijo Escherichia coli. Podobno sta Watson in Crick predlagala, da lahko ta encim ustvari zveste kopije molekule DNK.
Vrste
Prokarioti
Prokariontski organizmi (organizmi brez pravega jedra, omejene z membrano) imajo tri glavne DNK polimeraze, običajno skrajšano kot pol I, II in III.
DNA polimeraza I sodeluje pri razmnoževanju in popravljanju DNK in ima eksonukleazno delovanje v obe smeri. Vloga tega encima pri razmnoževanju se šteje za stransko.
II sodeluje pri popravljanju DNK in njegova eksonukleazna aktivnost je v 3'-5 'smislu. III sodeluje pri razmnoževanju in reviziji DNK, tako kot prejšnji encim, ima eksonukleazno aktivnost v smislu 3'-5 '.
Evkarioti
Evkarioti (organizmi s pravim jedrom, ločenim z membrano) imajo pet DNK polimeraz, ki so jih poimenovali s črkami grške abecede: α, β, γ, δ in ε.
Polimeraza γ se nahaja v mitohondrijih in je odgovorna za razmnoževanje genskega materiala v tej celični organeli. Nasprotno pa se druge štiri nahajajo v jedru celic in sodelujejo pri podvajanju jedrske DNK.
Različice α, δ in ε so najbolj aktivne v procesu delitve celic, kar kaže na to, da je njihova glavna funkcija povezana s proizvodnjo kopij DNK.
DNK polimeraza β ima svoje vrhunce aktivnosti v celicah, ki se ne delijo, zato se domneva, da je njena glavna funkcija povezana s popravljanjem DNK.
Z različnimi poskusi je bilo mogoče preveriti hipotezo, da večinoma povezujejo α, δ in ε polimeraze z replikacijo DNK. Tipi γ, δ in ε kažejo 3'-5 'eksonukleazno aktivnost.
Loki
Z novimi metodami sekvenciranja je uspelo določiti ogromno različnih družin DNK polimeraze. V arhejah je bila določena družina encimov, imenovana družina D, ki so značilni za to skupino organizmov.
Funkcije: podvajanje in popravljanje DNK
Kaj je podvajanje DNK?
DNK je molekula, ki nosi vse genetske informacije organizma. Sestavljajo ga sladkor, dušikova baza (adenin, gvanin, citozin in timin) in fosfatna skupina.
Med postopki delitve celic, ki se nenehno pojavljajo, je treba hitro in natančno kopirati DNK - zlasti v S fazi celičnega cikla. Ta postopek, pri katerem celica kopira DNK, je znan kot podvajanje.
Strukturno je molekula DNK sestavljena iz dveh niti, ki tvorita vijačnico. Med procesom replikacije se ločijo in vsaka deluje kot predloga za tvorbo nove molekule. Tako novi prameni prehajajo v hčerinske celice v procesu delitve celic.
Ker vsaka nit deluje kot predloga, naj bi se razmnoževanje DNK napol konzervativno - na koncu postopka nova molekula sestavlja nov in star pramen. Ta postopek sta leta 1958 opisala raziskovalca Meselson in Stahl z uporabo izopotov.
Za podvajanje DNK je potreben niz encimov, ki katalizirajo postopek. Med temi molekuli proteinov izstopa DNK polimeraza.
Reakcija
Za sintezo DNK so potrebni substrati, potrebni za postopek: deoksiribonukleotid trifosfat (dNTP)
Reakcijski mehanizem vključuje nukleofilni napad hidroksilne skupine na 3 'koncu naraščajočega niza na alfa fosfat komplementarnih dNTP, pri čemer izloči pirofosfat. Ta korak je zelo pomemben, saj energija za polimerizacijo izhaja iz hidrolize dNTP-jev in posledičnega pirofosfata.
Pol III ali alfa se veže na temeljni premaz (glej lastnosti polimeraz) in začne dodajati nukleotide. Epsilon podaljša svinčeno verigo, delta pa podaljša zadržani pramen.
Lastnosti polimeraz DNA
Vse znane DNK polimeraze imajo dve bistveni lastnosti, povezani s procesom replikacije.
Najprej vse polimeraze sintetizirajo verigo DNK v smeri 5'-3 'in tako dNTP dodajo hidroksilni skupini rastoče verige.
Drugič, DNK polimeraze ne morejo začeti sintetizirati novega pramena. Potrebujejo dodaten element, znan kot temeljni premaz ali osnovni premaz, to je molekula, sestavljena iz nekaj nukleotidov, ki zagotavlja prosto hidroksilno skupino, kjer se polimeraza lahko zasidra in začne svojo aktivnost.
To je ena temeljnih razlik med polimerazo DNA in RNA, saj lahko slednja sproži sintezo de novo verige.
Odlomki Okazakija
Prva lastnost DNA polimeraz, omenjena v prejšnjem razdelku, predstavlja zaplet pri polkonzervativni replikaciji. Medtem ko oba pramena DNK delujeta protiparalno, se eden od njih sintetizira nenadno (tisti, ki bi ga bilo treba sintetizirati v smislu 3'-5 ').
V zapoznelem nizu pride do prekinjene sinteze z normalno aktivnostjo polimeraze, 5'-3 ', in nastali fragmenti - v literaturi znani kot Okazaki fragmenti - so povezani z drugim encimom, ligazo.
Popravilo DNK
DNK je nenehno izpostavljen dejavnikom, endogenim in eksogenim, ki jih lahko poškodujejo. Te poškodbe lahko blokirajo podvajanje in kopičenje, kar vpliva na izražanje genov in povzroča težave pri različnih celičnih procesih.
Polimeraza je poleg svoje vloge v procesu podvajanja DNK tudi ključni sestavni del mehanizmov popravljanja DNK. V celičnem ciklu lahko delujejo tudi kot senzorji, ki preprečujejo vstop v fazo delitve, če je poškodovana DNK.
Struktura
Trenutno so zahvaljujoč kristalografskim raziskavam razjasnjene strukture različnih polimeraz. Polimeraze so glede na primarno zaporedje razvrščene v družine: A, B, C, X in Y.
Nekateri vidiki so skupni vsem polimerazam, zlasti tistim, ki so povezani s katalitičnimi centri encima.
Sem spadata dve ključni aktivni mesti, ki imata kovinske ione, z dvema ostankom aspartata in enim spremenljivim ostankom - aspartatom ali glutamatom, ki koordinira kovine. Obstaja še ena serija nabitih ostankov, ki obdajajo katalitično središče in so ohranjeni v različnih polimerazah.
V prokariotih je DNK polimeraza 103 kd polipeptid, II je 88 kd polipeptid in III je sestavljen iz desetih podenot.
V evkariontih so encimi večji in kompleksnejši: α je sestavljen iz petih enot, β in γ ene podenote, δ dveh podenot in ε od 5.
Prijave
LRK
Verižna reakcija polimeraze (PRC) je metoda, ki se uporablja v vseh laboratorijih molekularne biologije, zahvaljujoč svoji uporabnosti in preprostosti. Cilj te metode je množično razširiti molekulo DNK, ki nas zanima.
Da bi to dosegli, biologi za pomnoževanje molekule uporabljajo DNK polimerazo, ki je ne poškoduje toplota (visoke temperature so nujno potrebne za ta postopek). Rezultat tega procesa je veliko število molekul DNK, ki jih lahko uporabimo za različne namene.
Ena izmed najbolj izstopajočih kliničnih uporab tehnike je njena uporaba pri medicinski diagnostiki. PRC se lahko uporablja za preverjanje bolnikov na patogene bakterije in viruse.
Antibiotiki in protitumorska zdravila
Veliko število zdravil želi okrniti mehanizme razmnoževanja DNK v patogenem organizmu, pa naj gre za virus ali bakterijo.
V nekaj od tega je cilj inhibicija aktivnosti DNA polimeraze. Na primer, kemoterapevtsko zdravilo citarabin, imenovano tudi citozin arabinozid, onemogoči DNA polimerazo.
Reference
- Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Bistvena celična biologija. Garland Science.
- Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Razmnoževanje arhejske DNK: prepoznavanje kosov za reševanje uganke. Genetika, 152 (4), 1249–67.
- Cooper, GM in Hausman, RE (2004). Celica: Molekularni pristop. Medicinska naklada.
- Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Več funkcij DNA polimeraz. Kritični pregledi v rastlinskih znanostih, 26 (2), 105–122.
- Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Funkcije evkariontske DNA polimeraze. Science SAGE KE, 2003 (8), 3.
- Steitz, TA (1999). DNK polimeraze: strukturna raznolikost in skupni mehanizmi. Časopis za biološko kemijo, 274 (25), 17395-17398.
- Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013). Strukturna primerjava arhitekture DNA polimeraze kaže na nukleotidni prehod na aktivno mesto polimeraze. Kemični pregledi, 114 (5), 2759–74.