NUCLEASE: ZNAČILNOSTI, STRUKTURA, VRSTE IN FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2025

V nukleaze so encimi, ki so odgovorni za ponižujočih nukleinskih kislin. To storijo s hidrolizo fosfodiesterskih vezi, ki držijo nukleotide skupaj. Zaradi tega so v literaturi znani tudi kot fosfodiesteraze. Ti encimi se nahajajo v skoraj vseh bioloških osebah in igrajo temeljno vlogo pri podvajanju, popravljanju in drugih procesih DNK.

Na splošno jih lahko razvrstimo glede na vrsto nukleinskih kislin, ki jih cepijo: nukleaze, katerih substrat je RNA, imenujemo ribonukleze, tiste iz DNA pa so znane kot deoksiribonukleze. Obstaja nekaj nespecifičnih, ki lahko razgradijo tako DNK kot RNK.

Fosfodiesterska vez. Vir: Xvazquez

Druga široko uporabljena razvrstitev je odvisna od delovanja encima. Če svoje delo opravlja postopoma, začenši na koncih verige nukleinske kisline, jih imenujemo eksonukleaze. Če pa pride do preloma na notranji točki verige, jih imenujemo endonukleaze.

Trenutno se nekatere endonukleze široko uporabljajo v tehnologiji rekombinantne DNA v laboratorijih za molekularno biologijo. To so neprecenljiva orodja za eksperimentalno manipuliranje nukleinskih kislin.

značilnosti

Nukleaze so biološke molekule beljakovinske narave in z encimskim delovanjem. Sposobni so hidrolizirati vezi, ki se pridružijo nukleotidom v nukleinskih kislinah.

Delujejo s splošno kislinsko-bazno katalizo. To reakcijo lahko razdelimo na tri temeljne korake: nukleofilni napad, nastanek negativno nabitih vmesnih spojin in kot končni korak pretrganje vezi.

Obstaja vrsta encima, imenovana polimeraze, ki je odgovoren za katalizacijo sinteze tako DNK (v podvajanju) kot RNA (pri prepisovanju). Nekatere vrste polimeraz kažejo nukleazno aktivnost. Tako kot polimeraze imajo tudi drugi sorodni encimi to aktivnost.

Struktura

Nukleaze so izjemno heterogen nabor encimov, kjer je malo povezave med njihovo strukturo in mehanizmom delovanja. Z drugimi besedami, med strukturo teh encimov je drastična variacija, zato ne moremo omeniti nobene strukture, ki je skupna vsem njim.

Vrste

Obstaja več vrst jedrin in tudi različni sistemi za njihovo razvrščanje. V tem članku bomo razpravljali o dveh glavnih sistemih klasifikacije: glede na vrsto nukleinske kisline, ki jo razgradijo, in glede na način napada encimov.

Če bralca zanima, lahko poišče še tretjo obsežnejšo klasifikacijo, ki temelji na funkciji vsake nuclease (glej Yang, 2011).

Omeniti je treba, da v teh encimskih sistemih obstajajo tudi nukleaze, ki niso značilne za njihov substrat in lahko razgradijo obe vrsti nukleinskih kislin.

Glede na specifičnost uporabljene podlage

Obstajata dve vrsti nukleinskih kislin, ki sta organskim bitjem skoraj vseprisotna: deoksiribonukleinska kislina ali DNK in ribonukleinska kislina, RNA. Specifični encimi, ki razgradijo DNK, se imenujejo deoksiribonukleze, RNA pa ribonukleze.

Glede na obliko napada

Če je veriga nukleinske kisline napadel endolitično, torej v notranjih predelih verige, se encim imenuje endonukleaza. Alternativni napad se pojavi postopoma na enem koncu verige in encimi, ki ga izvajajo, so eksonukleaze. Delovanje vsakega encima ima različne posledice.

Ker eksonukleaze ločujejo nukleotide korak za korakom, učinki na substrat niso zelo drastični. Nasprotno, delovanje endonuklez je izrazitejše, saj lahko cepijo verigo na različnih točkah. Slednje lahko spremeni celo viskoznost raztopine DNK.

Eksonokuleze so bile ključni elementi pri razjasnjevanju narave vezi, ki je vsebovala nukleotide.

Specifičnost mesta cepitve endonukleaze je različna. Obstajajo nekatere vrste (npr. Encim deoksiribonukleaza I), ki se lahko režejo na nespecifičnih mestih in ustvarijo relativno naključne reze glede na zaporedje.

V nasprotju s tem imamo zelo specifične endonukleze, ki se režejo le v določenih zaporedjih. Kasneje bomo razložili, kako molekularni biologi izkoristijo to lastnost.

Obstaja nekaj nukleozidov, ki lahko delujejo kot endo in eksonukleaze. Primer tega je tako imenovana mikrokonična nukleaza.

Lastnosti

Nukleaze katalizirajo vrsto reakcij, ki so nujne za življenje. Nuklearna aktivnost je bistven element podvajanja DNK, saj pomagajo odstraniti osnovni premaz ali temeljni premaz in sodelujejo pri popravljanju napak.

Na ta način dva nujna procesa posredujeta dva pomembna procesa, kot sta rekombinacija in popravljanje DNK.

Prispeva tudi k ustvarjanju strukturnih sprememb v DNK, kot sta topoizomerizacija in rekombinacija, specifična za mesto. Za vse te procese je potreben začasen prekinitev fosfodiesterske vezi, ki ga izvajajo nukleaze.

V RNA tudi nuklusi sodelujejo v temeljnih procesih. Na primer pri zorenju sel in pri obdelavi motečih RNK. Na enak način sodelujejo v procesih programirane celične smrti ali apoptoze.

V enoceličnih organizmih nuklei predstavljajo obrambni sistem, ki jim omogoča prebavo tuje DNK, ki vstopi v celico.

Uporaba: restrikcijski encimi

Molekularni biologi izkoristijo specifičnost nekaterih nukleaz, imenovanih specifične restrikcijske nukleoze. Biologi so opazili, da bakterije lahko prebavijo tujo DNK, ki je bila vnesena s pomočjo tehnik v laboratoriju.

Kopajoči globlje v ta pojav, so znanstveniki odkrili restrikcijske nukleoze - encime, ki režejo DNK pri določenih nukleotidnih zaporedjih. So neke vrste "molekularne škarje" in najdemo jih, da so naprodaj.

DNK bakterij je "imun" na ta mehanizem, saj je zaščiten s kemičnimi modifikacijami v zaporedjih, ki spodbujajo razgradnjo. Vsaka vrsta in sev bakterij ima svoje posebne nuklese.

Te molekule so zelo koristne, saj zagotavljajo, da bo rez vedno narejen na istem mestu (dolžine 4 do 8 nukleotidov). Uporabljajo se v rekombinantni tehnologiji DNK.

Druga možnost je, da v nekaterih rutinskih postopkih (kot je PCR) prisotnost nukleaz negativno vpliva na postopek, saj prebavijo material, ki ga je treba analizirati. Zaradi tega je v nekaterih primerih treba uporabiti zaviralce teh encimov.

Reference

1. Brown, T. (2011). Uvod v genetiko: molekularni pristop. Garland Science.
2. Davidson, J., & Adams, RLP (1980). Biokemija nukleinskih kislin Davidsona. Sem obrnil.
3. Nishino, T., & Morikawa, K. (2002). Struktura in funkcija nukleusov pri popravilu DNK: oblika, oprijem in rezilo škarj DNK. Onkogen, 21 (58), 9022.
4. Stoddard, BL (2005). Struktura in funkcija domačega endonukleaze. Četrtletni pregledi Biophysics, 38 (1), 49–95.
5. Yang, W. (2011). Nucleases: raznolikost strukture, funkcije in mehanizma. Četrtletni pregledi biofizike, 44 (1), 1–93.