ДНК ПОЛИМЕРАЗА: ВРСТЕ, ФУНКЦИЈА И СТРУКТУРА - БИОЛОГИЈА - 2025

ДНК полимераза је ензим који је одговоран за катализују полимеризацију новог ДНК ланцу током репликације овог молекула. Његова главна функција је спајање трифосфатних деоксирибонуклеотида са онима из ланца шаблона. Такође је укључен у поправку ДНК.

Овај ензим омогућава тачно упаривање између ДНК база ланца шаблона и новог, пратећи шему А парова са Т и Г са Ц.

Структура бета полимеразе бета код људи.
Извор: Иикразуул, са Викимедиа Цоммонс

Процес репликације ДНК мора бити ефикасан и мора се брзо извести, тако да ДНК полимераза делује додавањем око 700 нуклеотида у секунди и чини само једну грешку сваких 10 ⁹ или 10 ¹⁰ нуклеотида који су уграђени.

Постоје различите врсте ДНК полимеразе. Оне се разликују и у еукариота и у прокариоте, а сваки има специфичну улогу у репликацији и поправљању ДНК.

Могуће је да су један од првих ензима који су се појавили у еволуцији биле полимеразе, јер је способност прецизног умножавања генома суштински услов за развој организама.

Откриће овог ензима заслужно је за Артхура Корнберга и његове колеге. Овај истраживач је 1956. идентификовао ДНК полимеразу (Пол И), радећи са Есцхерицхиа цоли. Слично томе, Ватсон и Црицк су предложили да овај ензим може произвести верне копије молекула ДНК.

Врсте

Прокариоти

Прокариотски организми (организми без правог језгра, омеђени мембраном) поседују три главне ДНК полимеразе, најчешће скраћене као пол И, ИИ и ИИИ.

ДНА полимераза И учествује у репликацији и поправци ДНК и има ексонуклеазно деловање у оба смера. Улога овог ензима у репликацији сматра се секундарном.

ИИ учествује у поправљању ДНК и његова ексонуклеазна активност је у 3'-5 'смислу. ИИИ учествује у репликацији и ревизији ДНК, као и претходни ензим, он има активност ексонуклеазе у 3'-5 'смислу.

Еукариоти

Еукариоти (организми са правим језгром, ограничени мембраном) имају пет ДНК полимераза, названих словима грчке абецеде: α, β, γ, δ и ε.

Полимераза γ налази се у митохондријама и одговорна је за репликацију генетског материјала у овој ћелијској органели. Насупрот томе, остале четири се налазе у језгру ћелија и укључене су у репликацију нуклеарне ДНК.

Варијанте α, δ и ε су најактивније у процесу дељења ћелија, што сугерише да је њихова главна функција повезана са производњом ДНК копија.

ДНК полимераза β, са своје стране, показује максимум активности у ћелијама које се не деле, па се претпоставља да је њена главна функција повезана са поправком ДНК.

Различити експерименти успели су да потврде хипотезу да они углавном вежу α, δ и ε полимеразе са репликацијом ДНК. Типови γ, δ и ε показују 3'-5 'активност ексонуклеазе.

Арцхес

Новим методама секвенцирања успело се да идентификује огроман низ породица ДНК полимераза. У археји је идентификована породица ензима звана Д породица која је јединствена за ову групу организама.

Функције: умножавање и поправљање ДНК

Шта је репликација ДНК?

ДНК је молекул који садржи све генетске информације организма. Састоји се од шећера, азотне базе (аденин, гванин, цитозин и тимин) и фосфатне групе.

Током процеса деобе ћелије, који се непрестано дешавају, ДНК се мора копирати брзо и тачно - посебно у С фази ћелијског циклуса. Овај процес у којем ћелија копира ДНК познат је и као репликација.

Структурно, молекул ДНК је сачињен од две нити, формирајући спиралну спиралну мрежу. Током процеса репликације, они се одвајају и сваки делује као образац за формирање новог молекула. Тако нови ланци прелазе у ћелијске ћерке у процесу деобе ћелија.

Пошто сваки ланац служи као образац, каже се да је репликација ДНК полуконзервативна - на крају процеса, нови молекул се састоји од новог и старог ланца. Овај процес су описали 1958. године истраживачи Меселсон и Стахл, користећи изопоте.

Репликација ДНК захтева низ ензима који катализирају процес. Међу тим протеинким молекулама истиче се ДНК полимераза.

Реакција

За синтезу ДНК потребни су супстрати потребни за поступак: деоксирибонуклеотид трифосфат (дНТП)

Механизам реакције укључује нуклеофилни напад хидроксилне групе на 3 'крају растуће нити на алфа фосфату комплементарних дНТП, елиминишући пирофосфат. Овај корак је веома важан, јер енергија за полимеризацију долази од хидролизе дНТП-а и резултирајућег пирофосфата.

Пол ИИИ или алфа веже се за прајмер (види својства полимераза) и почиње да додаје нуклеотиде. Епсилон продужава оловни ланац, а делта продужава заостали прамен.

Својства ДНК полимераза

Све познате ДНК полимеразе деле два суштинска својства повезана са процесом репликације.

Прво, све полимеразе синтетизују ланац ДНК у правцу 5'-3 ', додајући дНТПс хидроксилној групи растућег ланца.

Друго, ДНК полимеразе не могу почети синтетизовати нови прамен испочетка. Потребан им је додатни елемент познат као прајмер или прајмер, који је молекул састављен од неколико нуклеотида који обезбеђују слободну хидроксилну групу, при чему се полимераза може усидрити и започети своју активност.

Ово је једна од основних разлика између ДНК и РНК полимераза, јер је ова способна да покрене синтезу де ново ланца.

Фрагменти Оказакија

Прво својство ДНК полимераза поменуто у претходном одељку представља компликацију за полуконзервативну репликацију. Док се два ланца ДНК покрећу антипарално, један од њих се синтетише прекидно (онај који треба да се синтетише у смислу 3'-5 ').

У одложеном ланцу, прекинута синтеза настаје нормалном активношћу полимеразе, 5'-3 ', а резултирајући фрагменти - познати у литератури као Оказаки фрагменти - повезани су другим ензимом, лигазом.

Поправак ДНК

ДНК је стално изложена факторима, и ендогеним и егзогеним, који могу да га оштете. Ова оштећења могу блокирати репликацију и акумулирање, утичући на експресију гена, узрокујући проблеме у различитим ћелијским процесима.

Поред своје улоге у процесу репликације ДНК, полимераза је такође кључна компонента механизама поправке ДНК. Такође могу деловати као сензори у ћелијском циклусу који спречавају улазак у фазу деобе ако је ДНК оштећена.

Структура

Тренутно, захваљујући кристалографским студијама, појашњене су структуре различитих полимераза. На основу њихове примарне секвенце, полимеразе су груписане у породице: А, Б, Ц, Кс и И.

Неки аспекти су заједнички за све полимеразе, посебно оне који се односе на каталитичке центре ензима.

Укључују два кључна активна места која поседују јоне метала, са два остатка аспартата и једним променљивим остатком - аспартатом или глутаматом, који координира метале. Постоји још низ набијених остатака који окружују каталитички центар и који се чувају у различитим полимеразама.

У прокариотима, ДНК полимераза И је 103 кд полипептид, ИИ је 88 кд полипептид, а ИИИ се састоји од десет подјединица.

У еукариотама су ензими већи и сложенији: α се састоји од пет јединица, β и γ једне подјединице, δ две подјединице и ε од 5.

Апликације

ПРЦ

Ланчана реакција полимеразе (ПРЦ) метода је која се користи у свим лабораторијама молекуларне биологије, захваљујући својој корисности и једноставности. Циљ ове методе је масовно појачавање молекула ДНК који је од интереса.

Да би то постигли, биолози користе ДНК полимеразу која није оштећена врућином (високе температуре су неопходне за овај процес) да би повећале молекулу. Резултат овог процеса је велики број молекула ДНК који се могу користити у различите сврхе.

Једна од најистакнутијих клиничких употреба ове технике је њена употреба у медицинској дијагностици. ПРЦ се може користити за провјеру пацијената на патогене бактерије и вирусе.

Антибиотици и антитуморски лекови

Значајан број лекова има за циљ да скрати механизме репликације ДНК у патогеном организму, било да се ради о вирусу или бактерији.

У неким од ових циљева је инхибиција активности ДНК полимеразе. На пример, хемотерапеутски лек цитарабин, који се такође назива цитозин арабинозид, онеспособљава ДНК полимеразу.

Референце

1. Албертс, Б., Браи, Д., Хопкин, К., Јохнсон, АД, Левис, Ј., Рафф, М.,… и Валтер, П. (2015). Битна ћелијска биологија. Гарланд Сциенце.
2. Цанн, ИК, & Исхино, И. (1999). Репликација архејске ДНК: идентификација делова за решавање слагалице. Генетика, 152 (4), 1249-67.
3. Цоопер, ГМ и Хаусман, РЕ (2004). Ћелија: Молекуларни приступ. Медицинска наклада.
4. Гарциа-Диаз, М. и Бебенек, К. (2007). Вишеструке функције ДНК полимеразе. Критички осврти на биљне науке, 26 (2), 105-122.
5. Схцхербакова, ПВ, Бебенек, К., Кункел, ТА (2003). Функције еукариотске ДНК полимеразе. Сциенце САГЕ КЕ, 2003 (8), 3.
6. Стеитз, ТА (1999). ДНК полимеразе: структурална разноликост и заједнички механизми. Часопис за биолошку хемију, 274 (25), 17395-17398.
7. Ву, С., Беард, ВА, Педерсен, ЛГ, & Вилсон, СХ (2013). Структурно упоређивање архитектуре ДНА полимеразе сугерира нуклеотидни излаз ка активном месту полимеразе. Хемијски прегледи, 114 (5), 2759-74.