ДНК-ПОЛІМЕРАЗА: ТИПИ, ФУНКЦІЯ ТА СТРУКТУРА - БІОЛОГІЯ - 2025

ДНК - полімераза є фермент , який відповідає за каталізувати полімеризацію нової нитки ДНК в процесі реплікації цієї молекули. Основна його функція полягає в поєднанні трифосфатних дезоксирибонуклеотидів з типовими ланцюгами. Він також бере участь у відновленні ДНК.

Цей фермент дозволяє правильно поєднувати між основами ДНК ланцюга шаблону та новим, дотримуючись схему A, пара з T, і G з C.

Структура бета-полімерази ДНК у людини.
Джерело: Yikrazuul, з Wikimedia Commons

Процес реплікації ДНК повинен бути ефективним і повинен бути здійснений швидко, тому ДНК-полімераза працює, додаючи близько 700 нуклеотидів в секунду і робить лише одну помилку кожні 10 ⁹ або 10 ¹⁰ нуклеотидів, включених.

Існують різні типи ДНК-полімерази. Вони відрізняються як у еукаріотів, так і у прокаріотів, і кожен має певну роль у реплікації та відновленні ДНК.

Цілком можливо, що одним із перших ферментів, що з'явилися в еволюції, були полімерази, оскільки здатність точно реплікувати геном є суттєвою потребою розвитку організмів.

Відкриття цього ферменту приписується Артуру Корнбергу та його колегам. Цей дослідник виявив ДНК-полімеразу I (Pol I) у 1956 році, працюючи з кишковою паличкою. Так само Ватсон і Крик запропонували, що цей фермент може створити вірні копії молекули ДНК.

Типи

Прокаріоти

Прокаріотичні організми (організми без справжнього ядра, обмежені мембраною) володіють трьома основними ДНК-полімеразами, які зазвичай скорочуються як pol I, II та III.

ДНК-полімераза бере участь у реплікації та відновленні ДНК та має екзонуклеазну активність в обох напрямках. Роль цього ферменту в реплікації вважається вторинною.

II бере участь у відновленні ДНК, і його екзонуклеазна активність є у 3'-5 'сенсі. III бере участь у реплікації та ревізії ДНК, і, як і попередній фермент, він проявляє активність екзонуклеаз у сенсі 3'-5 '.

Еукаріоти

Еукаріоти (організми з справжнім ядром, відмежованим мембраною) мають п'ять ДНК-полімераз, названих літерами грецького алфавіту: α, β, γ, δ та ε.

Полімераза γ знаходиться в мітохондріях і відповідає за реплікацію генетичного матеріалу в цій клітинній органелі. На відміну від цього, інші чотири знаходяться в ядрі клітин і беруть участь у реплікації ядерної ДНК.

Варіанти α, δ і ε є найбільш активними в процесі ділення клітин, припускаючи, що їх основна функція пов'язана з виробництвом копій ДНК.

ДНК-полімераза β, зі свого боку, проявляє піки активності в клітинах, які не діляться, тому передбачається, що її основна функція пов'язана з відновленням ДНК.

Різні експерименти змогли перевірити гіпотезу про те, що вони здебільшого пов'язують полімерази α, δ та ε з реплікацією ДНК. Типи γ, δ та ε демонструють 3'-5 'екзонуклеазну активність.

Арки

Нові методи секвенування дозволили виявити величезну кількість сімейств ДНК-полімераз. В археях, зокрема, було виявлено сімейство ферментів, зване сімейством D, які є унікальними для цієї групи організмів.

Функції: реплікація та відновлення ДНК

Що таке реплікація ДНК?

ДНК - це молекула, яка несе всю генетичну інформацію організму. Він складається з цукру, азотистої основи (аденіну, гуаніну, цитозину та тиміну) та фосфатної групи.

Під час процесів поділу клітин, які постійно відбуваються, ДНК необхідно копіювати швидко та точно - конкретно на S фазі клітинного циклу. Цей процес, коли клітина копіює ДНК, відомий як реплікація.

Структурно молекула ДНК складається з двох ниток, утворюючи спіраль. Під час процесу реплікації вони відокремлюються і кожен виступає в якості шаблону для утворення нової молекули. Таким чином, нові нитки переходять до дочірніх клітин у процесі ділення клітин.

Оскільки кожна ланцюг служить шаблоном, то, як кажуть, реплікація ДНК є напівконсервативною - наприкінці процесу нова молекула складається з нової та старої ланцюга. Цей процес був описаний у 1958 році дослідниками Месельсоном та Шелом, використовуючи ізопоти.

Для реплікації ДНК необхідний ряд ферментів, які каталізують процес. Серед цих білкових молекул виділяється ДНК-полімераза.

Реакція

Для синтезу ДНК необхідні субстрати, необхідні для процесу: дезоксирибонуклеотид трифосфат (dNTP)

Механізм реакції передбачає нуклеофільну атаку гідроксильної групи на 3 'кінці зростаючої ланцюга на альфа-фосфат комплементарних дНТП, усуваючи пірофосфат. Цей крок дуже важливий, оскільки енергія для полімеризації надходить від гідролізу дНТП та одержуваного пірофосфату.

Pol III або альфа зв'язується з праймером (див. Властивості полімераз) і починає додавати нуклеотиди. Епсилон подовжує свинцевий ланцюг, а дельта подовжує відсталу нитку.

Властивості полімераз ДНК

Всі відомі ДНК-полімерази мають дві істотні властивості, пов'язані з процесом реплікації.

По-перше, всі полімерази синтезують ланцюг ДНК у напрямку 5'-3 ', додаючи dNTP до гідроксильної групи зростаючого ланцюга.

По-друге, ДНК-полімерази не можуть почати синтезувати нову нитку з нуля. Їм потрібен додатковий елемент, відомий як праймер або праймер, який представляє собою молекулу, що складається з декількох нуклеотидів, що забезпечує вільну гідроксильну групу, де полімераза може закріплюватися і починати свою активність.

Це одна з принципових відмінностей між полімеразами ДНК та РНК, оскільки остання здатна ініціювати синтез ланцюга de novo.

Фрагменти Оказакі

Перша властивість ДНК-полімераз, згадана в попередньому розділі, являє собою ускладнення для напівконсервативної реплікації. Оскільки обидва ланцюги ДНК працюють протипаралельно, одна з них синтезується безперервно (та, яку потрібно синтезувати в сенсі 3'-5 ').

У затримці ланцюга переривчастий синтез відбувається завдяки нормальній активності полімерази 5'-3 ', і отримані фрагменти - відомі в літературі як фрагменти Оказакі - пов'язані іншим ферментом, лігазою.

Відновлення ДНК

ДНК постійно піддається впливу факторів, як ендогенних, так і екзогенних, які можуть пошкодити її. Ці пошкодження можуть блокувати реплікацію та накопичення, впливаючи на експресію генів, викликаючи проблеми в різних клітинних процесах.

Окрім своєї ролі в процесі реплікації ДНК, полімераза також є ключовим компонентом механізмів відновлення ДНК. Вони також можуть діяти як датчики в клітинному циклі, що запобігають вступу у фазу поділу, якщо ДНК пошкоджена.

Будова

В даний час, завдяки дослідженням кристалографії, з'ясовано структури різних полімераз. На основі їх первинної послідовності полімерази групуються у сімейства: A, B, C, X та Y.

Деякі аспекти є загальними для всіх полімераз, особливо ті, що стосуються каталітичних центрів ферменту.

До них відносяться два ключових активних ділянки, які мають іони металів, з двома залишками аспартату та одним змінним залишком - або аспартатом, або глутаматом, який координує метали. Є ще ряд заряджених залишків, які оточують каталітичний центр і зберігаються в різних полімеразах.

У прокаріотів ДНК-полімераза I - 103-кд поліпептид, II - 88-кд поліпептид, а III складається з десяти субодиниць.

У еукаріотів ферменти є більшими і складнішими: α складається з п'яти одиниць, β і γ однієї субодиниці, δ з двох субодиниць і ε з 5.

Програми

КНР

Полімеразна ланцюгова реакція (КНР) - це метод, який застосовується у всіх лабораторіях молекулярної біології, завдяки своїй корисності та простоті. Мета цього методу - масово ампліфікувати цікавить молекулу ДНК.

Для цього біологи використовують ампліфікацію молекули ДНК-полімеразою, яка не пошкоджується теплом (високі температури необхідні для цього процесу). Результатом цього процесу є велика кількість молекул ДНК, які можна використовувати для різних цілей.

Однією з найвидатніших клінічних корисних методів є її використання в медичній діагностиці. КНР можна використовувати для перевірки пацієнтів на наявність патогенних бактерій та вірусів.

Антибіотики та протипухлинні препарати

Значна кількість лікарських засобів має на меті урізати механізми реплікації ДНК у патогенному організмі, будь то вірус чи бактерія.

У деяких з них мета - пригнічення активності ДНК-полімерази. Наприклад, хіміотерапевтичний препарат цитарабін, який також називають цитозин арабінозидом, відключає ДНК-полімеразу.

Список літератури

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Основна клітинна біологія. Гарленд Наука.
2. Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Археальна реплікація ДНК: виявлення фрагментів для вирішення головоломки. Генетика, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). Клітина: Молекулярний підхід. Медицинська наклада.
4. Гарсія-Діаз, М., Бебенек, К. (2007). Кілька функцій ДНК-полімераз. Критичні огляди з рослинних наук, 26 (2), 105-122.
5. Щербакова, П. В., Бебенек, К., Кункел, Т. А. (2003). Функції еукаріотичної ДНК-полімерази. Science SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Штайц, штат Техас (1999). ДНК-полімерази: структурна різноманітність та загальні механізми. Журнал біологічної хімії, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013). Структурне порівняння архітектури ДНК-полімерази передбачає нуклеотидний шлях до активного сайту полімерази. Хімічні огляди, 114 (5), 2759-74.