НУКЛЕАЗИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ТИПИ ТА ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025

У нуклеази представляють собою ферменти, які відповідальні за деградацію нуклеїнових кислот. Вони роблять це гідролізом фосфодіефірних зв'язків, які утримують нуклеотиди разом. З цієї причини вони також відомі в літературі як фосфодіестерази. Ці ферменти є майже у всіх біологічних утвореннях і відіграють фундаментальну роль у реплікації, репарації ДНК та інших процесах.

Загалом ми можемо класифікувати їх залежно від типу нуклеїнових кислот, які вони розщеплюють: нуклеази, субстратом яких є РНК, називаються рибонуклеазами, а ті, що знаходяться в ДНК, відомі як дезоксирибонуклеази. Є деякі неспецифічні, здатні руйнувати як ДНК, так і РНК.

Фосфодіефірний зв’язок. Джерело: Xvazquez

Ще одна широко застосовувана класифікація залежить від дії ферменту. Якщо вона виконує свою роботу поступово, починаючи з кінців ланцюга нуклеїнових кислот, вони називаються екзонуклеазами. На противагу цьому, якщо розрив відбувається у внутрішній точці ланцюга, вони називаються ендонуклеазами.

В даний час певні ендонуклеази широко використовуються в технології рекомбінантних ДНК в лабораторіях молекулярної біології. Це безцінні інструменти для експериментального маніпулювання нуклеїновими кислотами.

характеристики

Нуклеази - це біологічні молекули білкової природи і мають ферментативну активність. Вони здатні гідролізувати зв’язки, які приєднуються до нуклеотидів у нуклеїнових кислотах.

Вони діють шляхом загального кислотно-лужного каталізу. Цю реакцію можна розділити на три основні етапи: нуклеофільна атака, утворення негативно зарядженого проміжного продукту і, як завершальний крок, розрив зв’язку.

Існує тип ферменту під назвою полімерази, який відповідає за каталізацію синтезу як ДНК (у реплікації), так і РНК (при транскрипції). Деякі типи полімераз виявляють нуклеазну активність. Як і полімерази, інші споріднені ферменти також проявляють цю активність.

Будова

Нуклеази - це надзвичайно неоднорідний набір ферментів, де між їх будовою та механізмом дії мало взаємозв'язку. Іншими словами, існує різка різниця між структурою цих ферментів, тому ми не можемо згадати будь-яку структуру, спільну для всіх них.

Типи

Існує кілька типів нуклеаз, а також різні системи їх класифікації. У цій статті ми розглянемо дві основні класифікаційні системи: за типом нуклеїнової кислоти вони деградують та відповідно до того, як фермент атакується.

Якщо читача зацікавлено, вони можуть шукати третю більш обширну класифікацію на основі функції кожної нуклеази (див. Yang, 2011).

Необхідно зазначити, що нуклеази існують і в цих ферментативних системах, які не є специфічними для їх субстрату і можуть деградувати обидва типи нуклеїнових кислот.

За специфікою використовуваної підкладки

Існує два типи нуклеїнових кислот, які практично є всюдисущими для органічних істот: дезоксирибонуклеїнова кислота, або ДНК, і рибонуклеїнова кислота, РНК. Специфічні ферменти, які деградують ДНК, називаються дезоксирибонуклеазами, а РНК - рибонуклеазами.

За формою нападу

Якщо ланцюг нуклеїнових кислот атакується ендолітично, тобто у внутрішніх областях ланцюга, фермент називається ендонуклеазою. Альтернативна атака відбувається поступово на одному кінці ланцюга, і ферменти, які здійснюють її, є екзонуклеазами. Дія кожного ферменту призводить до різних наслідків.

Оскільки екзонуклеази виділяють окремі нуклеотиди поетапно, вплив на субстрат не дуже різкий. Навпаки, дія ендонуклеаз більш виражена, оскільки вони можуть розщеплювати ланцюг у різних точках. Останні можуть змінювати навіть в'язкість розчину ДНК.

Екзонуклеази були ключовими елементами в з'ясуванні природи зв’язку, який утримував нуклеотиди разом.

Специфіка сайту розщеплення ендонуклеази різна. Існують деякі типи (наприклад, фермент дезоксирибонуклеаза I), які можуть різати на неспецифічних ділянках, генеруючи відносно випадкові розрізи щодо послідовності.

На відміну від цього, у нас є дуже специфічні ендонуклеази, які ріжуться лише у певних послідовностях. Пізніше ми пояснимо, як молекулярні біологи скористаються цією властивістю.

Є деякі нуклеази, які можуть діяти як ендо, так і екзонуклеази. Прикладом цього є так звана мікроконічна нуклеаза.

Особливості

Нуклеази каталізують низку важливих для життя реакцій. Ядерна активність є важливим елементом реплікації ДНК, оскільки вони допомагають усунути праймер або праймер і беруть участь у виправленні помилок.

Таким чином, два процеси, настільки важливі, як рекомбінація та відновлення ДНК, опосередковуються нуклеазами.

Це також сприяє генеруванню структурних змін у ДНК, таких як топоізомеризація та рекомбінація, специфічна для сайту. Для того, щоб усі ці процеси проходили, необхідний тимчасовий розрив фосфодіефірної зв'язку, який здійснюється нуклеазами.

У РНК нуклеази також беруть участь у фундаментальних процесах. Наприклад, при дозріванні месенджера та при обробці інтерферуючих РНК. Таким же чином вони беруть участь у процесах запрограмованої загибелі клітин або апоптозу.

У одноклітинних організмах нуклеази являють собою захисну систему, яка дозволяє їм перетравлювати чужорідну ДНК, яка потрапляє в клітину.

Застосування: рестрикційні ферменти

Молекулярні біологи користуються специфікою певних нуклеаз, які називаються специфічними нуклеазами рестрикції. Біологи помітили, що бактерії здатні перетравлювати сторонні ДНК, які були введені за допомогою методики в лабораторії.

Заглиблюючись у цей феномен, вчені виявили рестрикційні нуклеази - ферменти, що розрізають ДНК у певних нуклеотидних послідовностях. Вони є своєрідними "молекулярними ножицями", і ми знаходимо їх у продажу.

ДНК бактерій "імунізована" до цього механізму, оскільки захищена хімічними модифікаціями в послідовностях, що сприяють деградації. Кожен вид і штам бактерій має свої специфічні нуклеази.

Ці молекули дуже корисні, оскільки гарантують, що зріз завжди буде проводитися в одному і тому ж місці (довжиною від 4 до 8 нуклеотидів). Вони застосовуються в технології рекомбінантних ДНК.

Крім того, в деяких рутинних процедурах (таких як ПЛР) наявність нуклеаз негативно впливає на процес, оскільки вони перетравлюють матеріал, який потрібно проаналізувати. З цієї причини в деяких випадках необхідно застосовувати інгібітори цих ферментів.

Список літератури

1. Браун, Т. (2011). Вступ до генетики: молекулярний підхід. Гарленд Наука.
2. Davidson, J., & Adams, RLP (1980). Біохімія нуклеїнових кислот Девідсона. Я перевернувся.
3. Нішино, Т., Морікава, К. (2002). Структура та функції нуклеаз при репарації ДНК: форма, зчеплення та лезо ножиць ДНК. Онкоген, 21 (58), 9022.
4. Стоддард, Б.Л. (2005). Структура та функція гомінгового ендонуклеази. Щоквартальні огляди біофізики, 38 (1), 49-95.
5. Ян, В. (2011). Нуклеази: різноманітність структури, функції та механізму. Щоквартальні огляди біофізики, 44 (1), 1-93.