Τύποι, λειτουργία και δομή ϋΝΑ πολυμεράσης

Το DNA πολυμεράση είναι ένα ένζυμο που είναι υπεύθυνο για την κατάλυση του πολυμερισμού του νέου κλώνου του ϋΝΑ κατά τη διάρκεια της αντιγραφής αυτού του μορίου. Η κύρια λειτουργία του είναι να ταιριάζει με τα τριφωσφορικά δεοξυριβονουκλεοτίδια με αυτά της αλυσίδας προτύπων. Συμμετέχει επίσης στην επισκευή του DNA.

Αυτό το ένζυμο επιτρέπει τη σωστή αντιστοίχιση μεταξύ των βάσεων DNA της αλυσίδας καλουπιού και της νέας, ακολουθώντας το σχήμα του Α συνδυάζει με το Τ και το G με το C.

Η διαδικασία αντιγραφής του DNA πρέπει να είναι αποτελεσματική και πρέπει να διεξάγεται γρήγορα, έτσι ώστε η ϋΝΑ πολυμεράση δρα προσθέτοντας περίπου 700 νουκλεοτίδια ανά δευτερόλεπτο και προκαλεί σφάλματα κάθε 10⁹ ή 10¹⁰ ενσωματωμένα νουκλεοτίδια.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι ϋΝΑ πολυμεράσης. Αυτά ποικίλουν τόσο στους ευκαρυώτες όσο και στους προκαρυώτες, και ο καθένας έχει ειδικό ρόλο στην αναπαραγωγή και επισκευή του DNA..

Είναι πιθανό ότι ένα από τα πρώτα ένζυμα που εμφανίζονται στην εξέλιξη είναι πολυμεράσες, αφού η ικανότητα αναπαραγωγής του γονιδιώματος με ακρίβεια είναι εγγενής απαίτηση για την ανάπτυξη οργανισμών.

Η ανακάλυψη αυτού του ενζύμου αποδίδεται στον Άρθουρ Κορνμπεργκ και στους συναδέλφους του. Αυτός ο ερευνητής εντόπισε DNA πολυμεράση Ι (Pol I) το 1956, ενώ εργάστηκε με Escherichia coli. Ομοίως, ήταν ο Watson και ο Crick που πρότειναν ότι αυτό το ένζυμο θα μπορούσε να παράγει πιστά αντίγραφα του μορίου DNA.

Ευρετήριο

• 1 Τύποι
  • 1.1 Προκαρυώτες
  • 1.2 Ευκαρυώτες
  • 1.3 Αψίδες
• 2 Λειτουργίες: αναπαραγωγή και επισκευή DNA
  • 2.1 Τι είναι η αναπαραγωγή του DNA?
  • 2.2 Αντίδραση
  • 2.3 Ιδιότητες των DNA πολυμεράσεων
  • 2.4 Θραύσματα του Okazaki
  • 2.5 Επισκευή DNA
• 3 Δομή
• 4 Εφαρμογές
  • 4.1 ΛΔΚ
  • 4.2 Αντιβιοτικά και αντικαρκινικά φάρμακα
• 5 Αναφορές

Τύποι

Προκαρυώτες

Οι προκαρυωτικοί οργανισμοί (οργανισμοί χωρίς αληθινό πυρήνα, οριοθετημένοι από μεμβράνη) διαθέτουν τρεις κύριες DNA πολυμεράσες, συνήθως συντομευμένες ως pol I, II και III.

Η ϋΝΑ πολυμεράση Ι συμμετέχει στην αντιγραφή και επιδιόρθωση του ϋΝΑ και έχει δραστικότητα εξωνουκλεάσης και στις δύο κατευθύνσεις. Θεωρείται ότι ο ρόλος αυτού του ενζύμου στην αναπαραγωγή είναι δευτερογενής.

Το ΙΙ συμμετέχει στην επιδιόρθωση του DNA και η δραστηριότητα εξωνουκλεάσης του είναι στην κατεύθυνση 3'-5 '. Ο ΙΙΙ συμμετέχει στην αντιγραφή και την αναθεώρηση του DNA και, όπως και το προηγούμενο ένζυμο, παρουσιάζει δραστηριότητα εξωνουκλεάσης στην κατεύθυνση 3'-5 '.

Ευκαρυωτικά

Οι ευκαρυώτες (οργανισμοί με αληθινό πυρήνα, οριοθετημένοι από μια μεμβράνη) διαθέτουν πέντε DNA πολυμεράσες, γραμμένες με γράμματα του ελληνικού αλφαβήτου: α, β, γ, δ και ε.

Η πολυμεράση γ εντοπίζεται στα μιτοχόνδρια και είναι υπεύθυνη για την αντιγραφή του γενετικού υλικού σε αυτό το κυτταρικό οργανίδιο. Αντίθετα, τα άλλα τέσσερα βρίσκονται στον πυρήνα των κυττάρων και εμπλέκονται στην αντιγραφή του πυρηνικού DNA.

Οι παραλλαγές α, δ και ε είναι οι πιο δραστικές στη διαδικασία της κυτταρικής διαίρεσης, υποδηλώνοντας ότι η κύρια λειτουργία τους συνδέεται με την παραγωγή αντιγράφων DNA.

Η ϋΝΑ πολυμεράση β, από την άλλη πλευρά, παρουσιάζει κορυφές δραστικότητας στα κύτταρα που δεν διαιρούνται, λόγος για τον οποίο θεωρείται ότι η κύρια λειτουργία της σχετίζεται με την επισκευή του DNA.

Διαφορετικά πειράματα ήταν σε θέση να επαληθεύσουν την υπόθεση ότι συνδέουν κυρίως πολυμεράσες α, δ και ε με αναδιπλασιασμό ϋΝΑ. Οι τύποι γ, δ και ε παρουσιάζουν δραστικότητα 3'-5 'εξωνουκλεάσης.

Αψίδες

Οι νέες μέθοδοι αλληλούχησης κατάφεραν να εντοπίσουν μια τεράστια ποικιλία οικογενειών DNA πολυμεράσης. Στην αρχαία, συγκεκριμένα, έχουμε εντοπίσει μια οικογένεια ενζύμων, που ονομάζεται οικογένεια D, τα οποία είναι μοναδικά σε αυτή την ομάδα οργανισμών.

Λειτουργίες: Αντιγραφή και επισκευή DNA

Τι είναι η αναπαραγωγή του DNA?

Το DNA είναι το μόριο που μεταφέρει όλες τις γενετικές πληροφορίες ενός οργανισμού. Αποτελείται από ένα σάκχαρο, μια αζωτούχο βάση (αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη και θυμίνη) και μια φωσφορική ομάδα.

Κατά τη διάρκεια των διαδικασιών διαίρεσης κυττάρων, οι οποίες εμφανίζονται συνεχώς, το DNA πρέπει να αντιγράφεται γρήγορα και με ακρίβεια - ειδικά στη φάση S του κυτταρικού κύκλου. Αυτή η διαδικασία όπου το κύτταρο αντιγράφει το DNA είναι γνωστό ως αναπαραγωγή.

Δομικά, το μόριο ϋΝΑ σχηματίζεται από δύο κλώνους, σχηματίζοντας έλικα. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αντιγραφής, αυτά διαχωρίζονται και το καθένα λειτουργεί ως ιδιοσυγκρασία για το σχηματισμό ενός νέου μορίου. Έτσι, τα νέα νήματα περνούν στα θυγατρικά κύτταρα στη διαδικασία της κυτταρικής διαίρεσης.

Δεδομένου ότι κάθε κλώνος μετριάζεται, λέγεται ότι η αντιγραφή του DNA είναι ημικυκνωτική - στο τέλος της διαδικασίας, το νέο μόριο αποτελείται από ένα νέο σκέλος και ένα παλιό σκέλος. Αυτή η διαδικασία περιγράφηκε το 1958 από τους ερευνητές Meselson και Stahl, χρησιμοποιώντας την isophotos.

Ο αναδιπλασιασμός του DNA απαιτεί μια σειρά ενζύμων που καταλύουν τη διαδικασία. Μεταξύ αυτών των μορίων πρωτεΐνης, η ϋΝΑ πολυμεράση ξεχωρίζει.

Αντίδραση

Για να συμβεί σύνθεση DNA, απαιτούνται τα απαραίτητα υποστρώματα για τη διαδικασία: τα τριφωσφορικά δεοξυριβονουκλεοτίδια (dNTP)

Ο μηχανισμός της αντίδρασης περιλαμβάνει μία πυρηνόφιλη επίθεση της υδροξυλομάδας στο 3 'άκρο του αναπτυσσόμενου κλώνου στο άλφα φωσφορικό του συμπληρωματικού dNTP, εξαλείφοντας ένα πυροφωσφορικό. Αυτό το στάδιο είναι πολύ σημαντικό, αφού η ενέργεια για τον πολυμερισμό προέρχεται από την υδρόλυση του dNTP και του προκύπτοντος πυροφωσφορικού.

Το pol III ή το άλφα συνδέει το πρώτο (βλέπε ιδιότητες των πολυμεράσεων) και αρχίζει να προσθέτει τα νουκλεοτίδια. Το epsilon επιμηκύνει την αλυσίδα οδηγού και το δέλτα επιμηκύνει τον καθυστερημένο κλώνο.

Ιδιότητες πολυμεράσης ϋΝΑ

Όλες οι γνωστές ϋΝΑ πολυμεράσες μοιράζονται δύο βασικές ιδιότητες που σχετίζονται με τη διαδικασία αντιγραφής.

Πρώτον, όλες οι πολυμεράσες συνθέτουν τον κλώνο DNA στην κατεύθυνση 5'-3 ', προσθέτοντας το dNTP στην ομάδα υδροξυλίου της αναπτυσσόμενης αλυσίδας.

Δεύτερον, οι ϋΝΑ πολυμεράσες δεν μπορούν να αρχίσουν να συνθέτουν μια νέα αλυσίδα από το τίποτα. Ανάγκη πρόσθετο στοιχείο γνωστό ως ένα πρώτο ή εκκινητής, ο οποίος είναι ένα μόριο που αποτελείται από μερικές νουκλεοτιδίων που παρέχει μια ελεύθερη ομάδα υδροξυλίου, η οποία μπορεί να αγκυρώνεται πολυμεράσης και την έναρξη της λειτουργίας.

Αυτή είναι μία από τις θεμελιώδεις διαφορές μεταξύ DNA και RNA πολυμεράσης, εφόσον η τελευταία είναι ικανή να αρχίσει τη σύνθεση μιας αλυσίδας de novo.

Θραύσματα του Οκακασάκι

Η πρώτη ιδιότητα των πολυμεράσεων ϋΝΑ που αναφέρονται στην προηγούμενη ενότητα είναι μία επιπλοκή για ημι-συντηρητική αντιγραφή. Καθώς οι δύο κλώνοι του DNA τρέχουν με αντιπαράλληλο τρόπο, ένας από αυτούς συντίθεται με ασυνεχή τρόπο (ο οποίος θα πρέπει να συντεθεί στην κατεύθυνση 3'-5 '),.

Στην λανθάνοντος κλώνου, η σύνθεση της παρτίδας λαμβάνει χώρα μέσω κανονικών δραστικότητα πολυμεράσης, 5'-3», και τα προκύπτοντα θραύσματα - γνωστές στην βιβλιογραφία, όπως θραύσματα Okazaki - ενώνονται με ένα άλλο ένζυμο, λιγάση.

Επισκευή DNA

Το DNA εκτίθεται συνεχώς σε παράγοντες, ενδογενείς και εξωγενείς, που μπορεί να το βλάψουν. Αυτές οι βλάβες μπορούν να μπλοκάρουν την αναπαραγωγή και να συσσωρεύονται, έτσι ώστε να επηρεάζουν την έκφραση των γονιδίων, δημιουργώντας προβλήματα στις ποικίλες κυτταρικές διεργασίες.

Εκτός από τον ρόλο του στη διαδικασία αντιγραφής του DNA, η πολυμεράση είναι επίσης ένα βασικό συστατικό των μηχανισμών επισκευής DNA. Μπορούν επίσης να δρουν ως αισθητήρες στον κυτταρικό κύκλο που εμποδίζουν την είσοδο στη φάση διαίρεσης, εάν το DNA έχει καταστραφεί.

Δομή

Σήμερα, χάρη στις μελέτες κρυσταλλογραφίας, κατέστη δυνατό να διασαφηνιστούν οι δομές διαφόρων πολυμεράσεων. Με βάση την πρωτογενή αλληλουχία τους, οι πολυμεράσες ομαδοποιούνται στις οικογένειες: Α, Β, C, Χ και Υ.

Ορισμένες απόψεις είναι κοινές σε όλες τις πολυμεράσες, ιδιαίτερα εκείνες που σχετίζονται με τα καταλυτικά κέντρα του ενζύμου.

Αυτά περιλαμβάνουν δύο βασικές ενεργές θέσεις που έχουν μεταλλικά ιόντα, με δύο υπολείμματα ασπαρτικού οξέος και ένα μεταβλητό υπόλειμμα - ασπαρτικό ή γλουταμινικό, το οποίο συντονίζει τα μέταλλα. Υπάρχει μια άλλη σειρά φορτισμένων καταλοίπων που περιβάλλουν το καταλυτικό κέντρο και διατηρούνται στις διάφορες πολυμεράσες.

Στα προκαρυωτικά, η ϋΝΑ πολυμεράση Ι είναι ένα πολυπεπτίδιο 103kd, το II είναι ένα πολυπεπτίδιο 88 kd και το III αποτελείται από δέκα υπομονάδες.

Στους ευκαρυώτες, τα ένζυμα είναι μεγαλύτερα και πιο πολύπλοκα: η α αποτελείται από πέντε μονάδες, το β και γ από μία υπομονάδα, τα δύο y.la δ ε υπομονάδες για 5.

Εφαρμογές

ΛΔΚ

Η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PRC) είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται σε όλα τα εργαστήρια μοριακής βιολογίας, χάρη στη χρησιμότητα και την απλότητα της. Ο στόχος αυτής της μεθόδου είναι να ενισχύσει μαζικά ένα μόριο ϋΝΑ ενδιαφέροντος.

Για να επιτευχθεί αυτό, οι βιολόγοι χρησιμοποιούν μια ϋΝΑ πολυμεράση που δεν είναι κατεστραμμένη από τη θερμότητα (υψηλές θερμοκρασίες είναι απαραίτητες για αυτή τη διαδικασία) για την ενίσχυση του μορίου. Το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι ένας μεγάλος αριθμός μορίων DNA που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διαφορετικούς σκοπούς.

Μία από τις πιο σημαντικές κλινικές εφαρμογές της τεχνικής είναι η χρήση της στην ιατρική διάγνωση. Η ΛΔΚ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελέγξει την παρουσία παθογόνων βακτηρίων και ιών σε ασθενείς.

Αντιβιοτικά και αντικαρκινικά φάρμακα

Ένας σημαντικός αριθμός φαρμάκων αποσκοπεί στην περικοπή των μηχανισμών αντιγραφής του DNA στον παθογόνο οργανισμό, είτε πρόκειται για ιό είτε για ένα βακτήριο.

Σε ορισμένα από αυτά, ο στόχος είναι η αναστολή της δραστηριότητας ϋΝΑ πολυμεράσης. Για παράδειγμα, το χημειοθεραπευτικό φάρμακο κυταραβίνη, που ονομάζεται επίσης αραβινοσίδη κυτοσίνης, απενεργοποιεί την ϋΝΑ πολυμεράση.

Αναφορές

1. Alberts, Β., Bray, D., Hopkin, Κ., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, Μ., & Walter, Ρ. (2015). Βασική βιολογία των κυττάρων. Garland Science.
2. Cann, Ι.Κ., & Ishino, Υ. (1999). Αρχική αναπαραγωγή DNA: ταυτοποίηση των τεμαχίων για την επίλυση ενός παζλ. Γενετική, 152(4), 1249-67.
3. Cooper, G. Μ., & Hausman, R. Ε. (2004). Το κελί: Μοριακή προσέγγιση. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, Μ., & Bebenek, Κ. (2007). Πολλαπλές λειτουργίες πολυμεράσης ϋΝΑ. Κρίσιμες ανασκοπήσεις στις φυτικές επιστήμες, 26(2), 105-122.
5. Shcherbakova, Ρ. Ν., Bebenek, Κ., & Kunkel, Τ. Α. (2003). Λειτουργίες ευκαρυωτικών ϋΝΑ πολυμεράσεων. SAGE KE της επιστήμης, 2003(8), 3.
6. Steitz, Τ. Α. (1999). DNA πολυμεράσες: δομική ποικιλομορφία και κοινοί μηχανισμοί. Journal of Biological Chemistry, 274(25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, W. Α., Pedersen, L. G., & Wilson, S. Η. (2013). Η δομική σύγκριση της αρχιτεκτονικής ϋΝΑ πολυμεράσης υποδηλώνει μια πύλη νουκλεοτιδίων προς την δραστική θέση της πολυμεράσης. Χημικές αναθεωρήσεις, 114(5), 2759-74.