ANG DNA POLYMERASE: MGA URI, PAG-ANDAR AT ISTRAKTURA - BIOLOGY - 2025

Ang DNA polymerase ay isang enzyme na responsable para sa pag-catryd ng polymerization ng bagong strand ng DNA sa panahon ng pagtitiklop ng molekula na ito. Ang pangunahing pagpapaandar nito ay upang ipares ang triphosphate deoxyribonucleotides kasama ang mga template ng chain. Kasangkot din ito sa pag-aayos ng DNA.

Pinapayagan ng enzyme na ito ang tamang pagpapares sa pagitan ng mga base ng DNA ng chain chain at ang bago, kasunod ng scheme ng A pares na may T, at G kasama ang C.

Istraktura ng DNA polymerase beta sa mga tao.
Pinagmulan: Yikrazuul, mula sa Wikimedia Commons

Ang proseso ng pagtitiklop ng DNA ay dapat maging epektibo at dapat na maisagawa nang mabilis, kaya gumagana ang polymerase ng DNA sa pamamagitan ng pagdaragdag ng halos 700 na mga nucleotides bawat segundo at nakagawa lamang ng isang pagkakamali tuwing 10 ⁹ o 10 ^{10 na mga} nucleotides na isinama.

Mayroong iba't ibang mga uri ng DNA polymerase. Nag-iiba ang mga ito sa parehong mga eukaryotes at prokaryotes, at ang bawat isa ay may isang tiyak na papel sa pagtitiklop at pagkumpuni ng DNA.

Posible na ang isa sa mga unang enzymes na lumitaw sa ebolusyon ay polymerases, dahil ang kakayahang tumpak na magtiklop sa genome ay isang kinakailangang intrinsic para sa pagbuo ng mga organismo.

Ang pagtuklas ng enzyme na ito ay na-kredito kay Arthur Kornberg at sa kanyang mga kasamahan. Kinilala ng mananaliksik na ito ang DNA polymerase I (Pol I) noong 1956, habang nagtatrabaho sa Escherichia coli. Katulad nito, sina Watson at Crick na nagmungkahi na ang enzyme na ito ay makagawa ng mga tapat na kopya ng molekula ng DNA.

Mga Uri

Prokaryotes

Ang mga prokaryotic na organismo (mga organismo na walang tunay na nucleus, na tinatalian ng isang lamad) ay nagtataglay ng tatlong pangunahing mga polymerases ng DNA, na karaniwang dinaglat bilang pol I, II, at III.

Ang polymerase ng DNA ay nakikilahok ako sa pagtitiklop at pagkumpuni ng DNA at may aktibidad na exonuclease sa parehong direksyon. Ang papel ng enzyme na ito sa pagtitiklop ay itinuturing na pangalawa.

Ang II ay nakikilahok sa pag-aayos ng DNA at ang aktibidad ng exonuclease nito ay nasa kahulugan ng 3'-5 '. Ang III ay nakikilahok sa pagtitiklop at rebisyon ng DNA, at tulad ng nakaraang enzyme, nagpapakita ito ng aktibidad ng exonuclease sa kahulugan ng 3'-5 '.

Eukaryotes

Ang mga Eukaryotes (mga organismo na may isang tunay na nucleus, na pinapawi ng isang lamad) ay mayroong limang mga polymerase ng DNA, na pinangalanan ng mga titik ng alpabetong Greek: α, β, γ, δ at ε.

Ang Polymerase γ ay matatagpuan sa mitochondria at responsable para sa pagtitiklop ng genetic material sa cell organelle na ito. Sa kaibahan, ang iba pang apat ay matatagpuan sa nucleus ng mga selula at kasangkot sa pagtitiklop ng nuclear DNA.

Ang mga variant ng α, δ at ε ay ang pinaka-aktibo sa proseso ng cell division, na nagmumungkahi na ang kanilang pangunahing pag-andar ay nauugnay sa paggawa ng mga kopya ng DNA.

Ang DNA polymerase β, para sa bahagi nito, ay nagpapakita ng mga taluktok ng aktibidad sa mga cell na hindi naghahati, kaya ipinapalagay na ang pangunahing pag-andar nito ay nauugnay sa pagkumpuni ng DNA.

Ang iba't ibang mga eksperimento ay nagawang i-verify ang hypothesis na karamihan ay iniuugnay nila ang mga polyeto, α, δ at with na may pagtitiklop sa DNA. Ang mga uri ng γ, δ at ε ay nagpapakita ng 3'-5 'aktibidad na exonuclease.

Mga Arko

Ang mga bagong pamamaraan ng pagkakasunud-sunod ay nagtagumpay sa pagkilala sa isang malaking iba't ibang mga pamilya ng polymerase ng DNA. Sa archaea, partikular, isang pamilya ng mga enzyme, na tinawag na pamilya D, ay nakilala na kakaiba sa pangkat ng mga organismo.

Mga function: pagtitiklop at pagkumpuni ng DNA

Ano ang pagtitiklop ng DNA?

Ang DNA ay ang molekula na nagdadala ng lahat ng impormasyon ng genetic ng isang organismo. Binubuo ito ng isang asukal, isang base ng nitrogen (adenine, guanine, cytosine, at thymine) at isang pangkat na pospeyt.

Sa panahon ng mga proseso ng cell division, na kung saan ay palaging nagaganap, ang DNA ay dapat na kopyahin nang mabilis at tumpak - partikular sa S phase ng cell cycle. Ang prosesong ito kung saan ang mga kopya ng kopya ng DNA ay kilala bilang pagtitiklop.

Sa istruktura, ang molekula ng DNA ay binubuo ng dalawang strands, na bumubuo ng isang helix. Sa panahon ng proseso ng pagtitiklop, ang mga hiwalay at bawat isa ay nagsisilbing isang template para sa pagbuo ng isang bagong molekula. Kaya, ang mga bagong strand ay ipinapasa sa mga cell ng anak na babae sa proseso ng paghahati ng cell.

Dahil ang bawat strand ay nagsisilbing isang template, ang pagtitiklop ng DNA ay sinasabing semi-konserbatibo - sa pagtatapos ng proseso, ang bagong molekula ay binubuo ng isang bago at isang lumang strand. Ang prosesong ito ay inilarawan noong 1958 ng mga mananaliksik na sina Meselson at Stahl, gamit ang isopotes.

Ang pagtitiklop ng DNA ay nangangailangan ng isang serye ng mga enzyme na nagpapagaling sa proseso. Kabilang sa mga molekulang protina na ito, ang polymerase ng DNA ay nakatayo.

Reaksyon

Upang mangyari ang synthesis ng DNA, kinakailangan ang mga substrate para sa proseso: deoxyribonucleotide triphosphate (dNTP)

Ang mekanismo ng reaksyon ay nagsasangkot ng isang pag-atake ng nucleophilic ng pangkat ng hydroxyl sa 3 'dulo ng lumalagong strand sa alpha phosphate ng mga pantulong na mga DNTP, na nag-aalis ng isang pyrophosphate. Napakahalaga ng hakbang na ito, dahil ang enerhiya para sa polymerization ay nagmula sa hydrolysis ng mga dNTP at ang nagresultang pyrophosphate.

Ang pol III o alpha ay nagbubuklod sa panimulang aklat (tingnan ang mga katangian ng polymerases) at nagsisimulang magdagdag ng mga nucleotides. Ang epsilon ay pinahahalagahan ang lead chain, at ang delta ay pinahaba ang retarded strand.

Mga katangian ng mga polymerases ng DNA

Ang lahat ng mga kilalang DNA polymerases ay nagbabahagi ng dalawang mahahalagang katangian na nauugnay sa proseso ng pagtitiklop.

Una, ang lahat ng mga polymerases ay synthesize ang strand ng DNA sa direksyon na 5'-3 ', pagdaragdag ng mga dNTP sa hydroxyl group ng lumalagong kadena.

Pangalawa, ang mga polymerase ng DNA ay hindi maaaring magsimulang synthesizing ng isang bagong strand mula sa simula. Kailangan nila ng isang karagdagang elemento na kilala bilang isang panimulang aklat o panimulang aklat, na isang molekula na binubuo ng ilang mga nucleotide na nagbibigay ng isang libreng pangkat na hydroxyl, kung saan maaaring maiangkla ang polymerase at simulan ang aktibidad nito.

Ito ay isa sa mga pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng DNA at RNA polymerases, dahil ang huli ay may kakayahang simulan ang synthesis ng isang de novo chain.

Mga Fragment ng Okazaki

Ang unang pag-aari ng mga polymerases ng DNA na nabanggit sa nakaraang seksyon ay kumakatawan sa isang komplikasyon para sa pagtitiklop ng semi-conservative. Habang ang dalawang mga strand ng DNA ay nagpapatakbo ng antiparallel, ang isa sa mga ito ay synthesized discontinuously (ang isa na kailangang ma-synthesize sa kahulugan ng 3'-5 ').

Sa naantala na strand, ang hindi nakapagpigil na synthesis ay nangyayari sa pamamagitan ng normal na aktibidad ng polymerase, 5'-3 ', at ang mga nagreresultang mga fragment - na kilala sa panitikan bilang mga fragment ng Okazaki - ay naiugnay sa isa pang enzyme, ligase.

Ang pagkumpuni ng DNA

Ang DNA ay palaging nakalantad sa mga kadahilanan, kapwa may endogenous at exogenous, na maaaring makapinsala dito. Ang mga pinsala na ito ay maaaring hadlangan ang pagtitiklop at makaipon, na nakakaapekto sa pagpapahayag ng mga gene, na magdulot ng mga problema sa iba't ibang mga proseso ng cellular.

Bilang karagdagan sa papel nito sa proseso ng pagtitiklop sa DNA, ang polymerase ay isang pangunahing sangkap din ng mga mekanismo sa pagkumpuni ng DNA. Maaari rin silang kumilos bilang mga sensor sa siklo ng cell na pumipigil sa pagpasok sa bahagi ng dibisyon kung nasira ang DNA.

Istraktura

Sa kasalukuyan, salamat sa mga pag-aaral ng kristal, ang mga istruktura ng iba't ibang mga polymerases ay pinawasan. Batay sa kanilang pangunahing pagkakasunud-sunod, ang mga polymerases ay pinagsama sa mga pamilya: A, B, C, X, at Y.

Ang ilang mga aspeto ay karaniwan sa lahat ng mga polymerases, lalo na sa mga nauugnay sa mga catalytic center ng enzyme.

Kasama dito ang dalawang pangunahing aktibong site na nagtataglay ng mga ions na metal, na may dalawang aspartate residues at isang variable na nalalabi - alinman sa aspartate o glutamate, na coordinates ang mga metal. Mayroong isa pang serye ng mga sisingilin na sisingilin na pumapalibot sa sentro ng catalytic at natipid sa iba't ibang mga polymerases.

Sa prokaryotes, ang DNA polymerase I ay isang 103 kd polypeptide, ang II ay isang 88 kd polypeptide, at ang III ay binubuo ng sampung mga subunits.

Sa eukaryotes, ang mga enzyme ay mas malaki at mas kumplikado: Ang α ay binubuo ng limang yunit, β at γ ng isang subunit, δ ng dalawang mga subunits, at ε ng 5.

Aplikasyon

PRC

Ang reaksyon ng chain ng polymerase (PRC) ay isang pamamaraan na ginamit sa lahat ng mga laboratoryo ng biology molekular, salamat sa utility at pagiging simple nito. Ang layunin ng pamamaraang ito ay ang malawakang palakihin ang isang molekula ng interes ng DNA.

Upang makamit ito, ang mga biologist ay gumagamit ng isang DNA polymerase na hindi napinsala ng init (ang mataas na temperatura ay mahalaga para sa prosesong ito) upang palakihin ang molekula. Ang resulta ng prosesong ito ay isang malaking bilang ng mga molekula ng DNA na maaaring magamit para sa iba't ibang mga layunin.

Ang isa sa mga pinaka-pambihirang klinikal na kagamitan sa pamamaraan ay ang paggamit nito sa medikal na diagnosis. Maaaring magamit ang PRC upang suriin ang mga pasyente para sa mga pathogen bacteria at mga virus.

Mga gamot na antibiotics at antitumor

Ang isang makabuluhang bilang ng mga gamot ay naglalayong truncate ang mga mekanismo ng pagtitiklop ng DNA sa organiko ng pathogen, maging isang virus o isang bakterya.

Sa ilan sa mga ito, ang target ay pagbawalan ng aktibidad ng polymerase ng DNA. Halimbawa, ang chemotherapeutic drug cytarabine, na tinatawag ding cytosine arabinoside, ay hindi pinapagana ang DNA polymerase.

Mga Sanggunian

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2015). Mahalagang cell biology. Garland Science.
2. Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Archaeal DNA replication: pagkilala sa mga piraso upang malutas ang isang palaisipan. Mga genetika, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). Ang cell: Molekular na diskarte. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Maramihang mga pag-andar ng DNA polymerases. Ang mga kritikal na pagsusuri sa mga agham ng halaman, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Mga Pag-andar ng eukaryotic DNA polymerases. Science SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). Ang mga polymerases ng DNA: pagkakaiba-iba ng istruktura at karaniwang mga mekanismo. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013). Ang paghahambing ng istruktura ng arkitektura ng DNA polymerase ay nagmumungkahi ng isang gatotide gateway sa aktibong site ng polymerase. Mga Review sa Chemical, 114 (5), 2759-74.