DNA-polymerasetypen, functie en structuur



de DNA-polymerase is een enzym dat verantwoordelijk is voor het katalyseren van de polymerisatie van de nieuwe DNA-streng tijdens de replicatie van dit molecuul. De belangrijkste functie is om deoxyribonucleotide-trifosfaten te laten overeenkomen met die van de templateketen. Het neemt ook deel aan DNA-reparatie.

Dit enzym zorgt voor de juiste match tussen de DNA-bases van de mal-keten en de nieuwe, volgens het schema van A it-paren met T, en G met C.

Het DNA-replicatieproces moet effectief zijn en moet snel worden uitgevoerd, dus het DNA-polymerase werkt door ongeveer 700 nucleotiden per seconde toe te voegen en maakt slechts om de 10 een fout9 of 1010 ingebedde nucleotiden.

Er zijn verschillende soorten DNA-polymerase. Deze variëren in zowel eukaryoten als prokaryoten, en elk heeft een specifieke rol in DNA-replicatie en -reparatie..

Het is mogelijk dat een van de eerste enzymen in de evolutie voorkomt in polymerasen, omdat het vermogen om het genoom accuraat te repliceren een intrinsieke vereiste is voor de ontwikkeling van organismen..

De ontdekking van dit enzym wordt toegeschreven aan Arthur Kornberg en zijn collega's. Deze onderzoeker identificeerde DNA-polymerase I (Pol I) in 1956, terwijl hij werkte Escherichia coli. Evenzo was het Watson en Crick die voorstelden dat dit enzym betrouwbare kopieën van het DNA-molecuul kon produceren.

index

  • 1 soorten
    • 1.1 Prokaryoten
    • 1.2 Eukaryoten
    • 1.3 Bogen
  • 2 Functies: DNA-replicatie en reparatie
    • 2.1 Wat is DNA-replicatie?
    • 2.2 Reactie
    • 2.3 Eigenschappen van DNA-polymerasen
    • 2.4 Fragmenten van Okazaki
    • 2.5 DNA-reparatie
  • 3 Structuur
  • 4 toepassingen
    • 4.1 PRC
    • 4.2 Antibiotica en antitumor medicijnen
  • 5 Referenties

type

prokaryoten

Prokaryotische organismen (organismen zonder een echte kern, afgebakend door een membraan) bezitten drie hoofd-DNA-polymerasen, gewoonlijk afgekort als Pol I, II en III.

DNA-polymerase I neemt deel aan de replicatie en reparatie van DNA en bezit exonuclease-activiteit in beide richtingen. Er wordt aangenomen dat de rol van dit enzym in replicatie secundair is.

De II neemt deel aan DNA-reparatie en zijn exonuclease-activiteit bevindt zich in de richting 3'-5 '. III participeert in de replicatie en proeflezen DNA en de bovengenoemde enzymen, die in de zin 3'-5 'exonuclease activiteit.

eukaryotische

De eukaryoten (organismen met een ware kern, afgebakend door een membraan) bezitten vijf DNA-polymerasen, aangeduid met letters van het Griekse alfabet: α, β, γ, δ en ε.

Het γ-polymerase bevindt zich in de mitochondria en is verantwoordelijk voor de replicatie van het genetische materiaal in deze cellulaire organel. Daarentegen zijn de andere vier gevonden in de kern van de cellen en zijn betrokken bij nucleaire DNA-replicatie.

De α-, δ- en ε-varianten zijn het meest actief in het proces van celdeling, wat suggereert dat hun belangrijkste functie geassocieerd is met de productie van DNA-kopieën.

Het DNA-polymerase β, aan de andere kant, vertoont pieken van activiteit in de cellen die niet delen, reden waarom wordt aangenomen dat de hoofdfunctie ervan is geassocieerd met de reparatie van het DNA.

Verschillende experimenten zijn in staat geweest om de hypothese te bevestigen dat ze voornamelijk polymerasen a, 8 en e associëren met DNA-replicatie. Typen γ, δ en ε vertonen 3'-5'-exonuclease-activiteit.

archaea

De nieuwe sequentiewerkwijzen zijn erin geslaagd om een ​​grote verscheidenheid aan families DNA-polymerasen te identificeren. In archaea hebben we specifiek een familie van enzymen geïdentificeerd, de D-familie, die uniek zijn voor deze groep organismen..

Functies: replicatie en reparatie van DNA

Wat is DNA-replicatie?

DNA is het molecuul dat alle genetische informatie van een organisme bevat. Het bestaat uit een suiker, een stikstofhoudende base (adenine, guanine, cytosine en thymine) en een fosfaatgroep.

Tijdens celdelingsprocessen, die constant voorkomen, moet DNA snel en nauwkeurig worden gekopieerd - met name in de S-fase van de celcyclus. Dit proces waarbij de cel het DNA kopieert, staat bekend als replicatie.

Structureel wordt het DNA-molecuul gevormd door twee strengen, die een helix vormen. Tijdens het replicatieproces worden deze gescheiden en elk werkt als een temperament voor de vorming van een nieuw molecuul. De nieuwe strengen worden dus doorgegeven aan dochtercellen in het celdelingsproces.

Omdat elke streng wordt getemperd, wordt er gezegd dat DNA-replicatie semiconservatief is - aan het einde van het proces bestaat de nieuwe molecule uit een nieuwe streng en een oude streng. Dit proces werd in 1958 beschreven door de onderzoekers Meselson en Stahl, met behulp van isofoto's.

DNA-replicatie vereist een reeks enzymen die het proces katalyseren. Onder deze eiwitmoleculen valt DNA-polymerase op.

reactie

Om DNA-synthese te laten plaatsvinden, zijn de noodzakelijke substraten voor het proces vereist: de deoxyribonucleotide-trifosfaten (dNTP)

Het mechanisme van de reactie omvat een nucleofiele aanval van de hydroxylgroep aan het 3'-uiteinde van de groeiende streng in het alfafosfaat van de complementaire dNTP, waardoor een pyrofosfaat wordt geëlimineerd. Deze stap is erg belangrijk, omdat de energie voor de polymerisatie afkomstig is van de hydrolyse van de dNTP en het resulterende pyrofosfaat.

De pol III of de alfa verbindt de eerste (zie eigenschappen van de polymerasen) en begint de nucleotiden toe te voegen. De epsilon verlengt de leidersketen en de delta verlengt de vertraagde streng.

Eigenschappen van DNA-polymerasen

Alle bekende DNA-polymerasen delen twee essentiële eigenschappen geassocieerd met het replicatieproces.

Ten eerste synthetiseren alle polymerasen de DNA-streng in de 5'-3'-richting, waarbij het dNTP aan de hydroxylgroep van de groeiende keten wordt toegevoegd..

Ten tweede kunnen DNA-polymerasen geen nieuwe keten uit het niets beginnen te synthetiseren. Ze hebben een extra element nodig dat bekend staat als primer of primer, een molecuul dat wordt gevormd door een paar nucleotiden en dat een vrije hydroxylgroep geeft, waar het polymerase kan verankeren en zijn activiteit kan starten.

Dit is een van de fundamentele verschillen tussen DNA- en RNA-polymerasen, omdat laatstgenoemde in staat is om de synthese van een keten te initiëren de novo.

Fragmenten van Okazaki

De eerste eigenschap van de DNA-polymerasen genoemd in de vorige sectie is een complicatie voor semiconservatieve replicatie. Omdat de twee strengen DNA op een antiparallelle manier lopen, wordt één ervan op een discontinue manier gesynthetiseerd (die in de 3'-5'-richting zou moeten worden gesynthetiseerd).

In de vertraagde streng vindt discontinue synthese plaats door middel van de normale activiteit van het polymerase, 5'-3 ', en de resulterende fragmenten - in de literatuur bekend als Okazaki-fragmenten - worden gebonden door een ander enzym, ligase.

DNA-reparatie

DNA wordt voortdurend blootgesteld aan factoren, zowel endogeen als exogeen, die het kunnen beschadigen. Deze beschadigingen kunnen de replicatie blokkeren en zich ophopen, zodat ze de expressie van de genen beïnvloeden en problemen genereren in de diverse cellulaire processen.

Naast zijn rol in het DNA-replicatieproces, is polymerase ook een sleutelcomponent van DNA-reparatiemechanismen. Ze kunnen ook dienen als sensoren in de celcyclus die de toegang tot de divisiefase beletten als het DNA beschadigd is.

structuur

Op dit moment is het dankzij studies van kristallografie mogelijk geweest om de structuren van verschillende polymerasen op te helderen. Op basis van hun primaire sequentie worden polymerasen gegroepeerd in families: A, B, C, X en Y.

Sommige aspecten zijn gemeenschappelijk voor alle polymerasen, in het bijzonder die met betrekking tot de katalytische centra van het enzym.

Deze omvatten twee belangrijke actieve sites met metaalionen, met twee aspartaatresiduen en een variabel residu - aspartaat of glutamaat, dat de metalen coördineert. Er is een andere reeks geladen resten die het katalytische centrum omringen en geconserveerd zijn in de verschillende polymerasen.

In prokaryoten is DNA-polymerase I een polypeptide van 103 kd, II is een polypeptide van 88 kd en III is samengesteld uit tien subeenheden.

In eukaryoten zijn de enzymen groter en complexer: α wordt gevormd door vijf eenheden, β en γ door een subeenheid, δ door twee subeenheden en ε door 5..

toepassingen

PRC

De polymerase kettingreactie (PCR) is een methode die in alle moleculair-biologische laboratoria, dankzij zijn eenvoud en bruikbaarheid. Het doel van deze methode is om een ​​interessant DNA-molecuul massaal te amplificeren.

Om dit te bereiken, gebruiken biologen een DNA-polymerase dat niet wordt beschadigd door hitte (hoge temperaturen zijn onmisbaar voor dit proces) om het molecuul te amplificeren. Het resultaat van dit proces is een hoog aantal DNA-moleculen die voor verschillende doeleinden kunnen worden gebruikt.

Een van de meest opvallende klinische hulpmiddelen van de techniek is het gebruik ervan bij medische diagnoses. De PRC kan worden gebruikt om de aanwezigheid van pathogene bacteriën en virussen bij patiënten te controleren.

Antibiotica en antitumor medicijnen

Een aanzienlijk aantal geneesmiddelen is gericht op het afknotten van de mechanismen van DNA-replicatie in het pathogene organisme, of het nu een virus of een bacterie is.

In een deel hiervan is het doelwit de remming van DNA-polymerase-activiteit. Bijvoorbeeld, het chemotherapeutische middel cytarabine, ook bekend als cytosine arabinoside, schakelt DNA polymerase.

referenties

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K. Johnson, A. D., Lewis, J., Raff, M., ... & Walter, P. (2015). Essentiële celbiologie. Garland Science.
  2. Cann, I.K., en Ishino, Y. (1999). Archaeal DNA-replicatie: het identificeren van de stukjes om een ​​puzzel op te lossen. genetica, 152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G. M., & Hausman, R. E. (2004). De cel: moleculaire benadering. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Meerdere functies van DNA-polymerasen. Kritieke beoordelingen in plantenwetenschappen, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., & Kunkel, T. A. (2003). Functies van eukaryote DNA-polymerasen. Science SAGE KE, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T. A. (1999). DNA-polymerasen: structurele diversiteit en gemeenschappelijke mechanismen. Journal of Biological Chemistry, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W.A., Pedersen, L.G., & Wilson, S.H. (2013). Structurele vergelijking van DNA-polymerase-architectuur suggereert een nucleotide-gateway naar de polymerase-actieve plaats. Chemische beoordelingen, 114(5), 2759-74.