DNS-POLIMERÁZ: TÍPUSOK, FUNKCIÓK ÉS FELÉPÍTÉS - BIOLÓGIA - 2026

A DNS-polimeráz egy enzim, amely felelős az új DNS-szál polimerizációjának katalizálásáért a molekula replikációja során. Fő feladata a trifoszfát-dezoxiribonukleotidok párosítása a templátlánccal. A DNS-javításban is részt vesz.

Ez az enzim lehetővé teszi a templátlánc és az új DNS-bázisok közötti megfelelő párosítást, az A-párok T és G-val a C-vel.

A béta DNS polimeráz felépítése emberben.

Forrás: Yikrazuul, a Wikimedia Commonsból

A DNS replikációs folyamatának hatékonynak kell lennie, és gyorsan végrehajtania kell, így a DNS polimeráz másodpercenként körülbelül 700 nukleotid hozzáadásával működik, és minden beépített 10 ⁹ vagy 10 ¹⁰ nukleotidon belül csak egy hibát követ el.

Különböző típusú DNS-polimerázok léteznek. Ezek mind az eukarióta, mind a prokarióta esetében változnak, és mindegyiknek külön szerepe van a DNS replikációjában és helyreállításában.

Lehetséges, hogy az evolúcióban megjelenő első enzimek a polimerázok voltak, mivel a genom pontos replikációjának képessége a szervezetek fejlődésének lényeges feltétele.

Ennek az enzimnek a felfedezése Arthur Kornbergnek és kollégáinak köszönhető. Ez a kutató 1956-ban azonosította a DNS polimeráz I-t (Pol I), miközben az Escherichia coli-val dolgozott. Hasonlóképpen, Watson és Crick javasolták, hogy ez az enzim előállítsa a DNS-molekula hű példányát.

típusai

A prokarióták

A prokarióta szervezetek (valódi mag nélküli szervezetek, amelyeket membrán határol) három fő DNS-polimerázzal rendelkeznek, amelyeket általában I, II. És III.

Az I DNS-polimeráz részt vesz a DNS replikációjában és javításában, és mindkét irányban exonukleáz aktivitással rendelkezik. Ennek az enzimnek a replikációban betöltött szerepét másodlagosnak tekintik.

II részt vesz a DNS javításában, és exonukleáz aktivitása a 3'-5 'értelemben van. A III részt vesz a DNS replikációjában és felülvizsgálatában, és az előző enzimhez hasonlóan exonukleáz aktivitást mutat 3'-5 'értelemben.

Eukarióták

Az eukariótáknak (valódi atommaggal rendelkező szervezetek, amelyeket egy membrán határol) öt görög polimeráz van, amelyeket görög ábécé betűivel neveznek: α, β, γ, δ és ε.

Az γ-polimeráz a mitokondriumokban található, és felelős a genetikai anyag replikációjáért ezen sejt organellájában. Ezzel szemben a másik négy a sejtekmagjában található, és részt vesz a nukleáris DNS replikációjában.

Az α, δ és ε variánsok a legaktívabbak a sejtosztódási folyamatban, ami arra utal, hogy fő funkciójuk a DNS-kópiák előállításához kapcsolódik.

A β DNS polimeráz viszont olyan aktivitású csúcsokat mutat, amelyek nem osztódnak sejtekben, ezért feltételezhető, hogy fő funkciója a DNS helyreállításához kapcsolódik.

Különböző kísérletekkel sikerült igazolni azt a hipotézist, miszerint az α, δ és ε polimerázokat leginkább a DNS replikációval társítják. Az γ, δ és ε típusok mutatják a 3'-5 'exonukleáz aktivitást.

Arches

Új szekvenálási módszerekkel sikerült azonosítani a DNS polimeráz családok hatalmas változatát. Különösen az archaea területén a D családnak nevezett enzimcsaládot azonosítottak, amelyek ezen organizmuscsoportokra jellemzőek.

Funkciók: DNS replikáció és javítás

Mi a DNS replikáció?

A DNS az a molekula, amely a szervezet összes genetikai információját hordozza. Egy cukorból, nitrogénbázisból (adenin, guanin, citozin és timin) és egy foszfátcsoportból áll.

A folyamatosan zajló sejtosztódási folyamatok során a DNS-t gyorsan és pontosan kell lemásolni - konkrétan a sejtciklus S fázisában. Ezt a folyamatot, amelyben a sejt másolja a DNS-t, replikációnak nevezzük.

Szerkezetileg a DNS-molekula két szálból áll, és spirálot képez. A replikációs folyamat során ezek külön-külön, és mindegyik sablonként működnek egy új molekula képződéséhez. Így az új szálak a sejtosztódás során átjutnak a lányos sejtekhez.

Mivel az egyes szálak templátként szolgálnak, a DNS replikációját félig konzervatívnak tekintik - a folyamat végén az új molekula egy új és egy régi szálból áll. Ezt a folyamatot 1958-ban Meselson és Stahl kutatók írták le izotópok felhasználásával.

A DNS replikációja egy sor enzimet igényel, amelyek katalizálják a folyamatot. Ezen fehérjemolekulák közül kiemelkedik a DNS-polimeráz.

Reakció

A DNS-szintézis végrehajtásához a folyamathoz szükséges szubsztrátokra van szükség: dezoxiribonukleotid-trifoszfát (dNTP)

A reakció mechanizmusa magában foglalja a hidroxilcsoport nukleofil támadását a növekvő szál 3'-végén a komplementer dNTP-k alfa-foszfátján, kiküszöböli a pirofoszfátot. Ez a lépés nagyon fontos, mivel a polimerizációhoz szükséges energia a dNTP-k és a kapott pirofoszfát hidrolíziséből származik.

A pol III vagy alfa kötődik a primerhez (lásd a polimerázok tulajdonságait) és elkezdi hozzáadni nukleotidokat. Az epsilon meghosszabbítja az ólomláncot, és a delta meghosszabbítja a késleltetett szálat.

A DNS polimerázok tulajdonságai

Az összes ismert DNS-polimeráznak két alapvető tulajdonsága van, amelyek a replikációs folyamathoz kapcsolódnak.

Először, az összes polimeráz a DNS-szálat 5'-3 'irányban szintetizálja, és hozzáadja a dNTP-ket a növekvő lánc hidroxilcsoportjához.

Másodszor, a DNS-polimerázok nem kezdhetik meg az új szál szintetizálását a semmiből. Szükségük van egy további elemre, amely primer vagy primer néven ismert, amely egy néhány nukleotidból álló molekula, amely szabad hidroxilcsoportot biztosít, ahol a polimeráz rögzíthet és megkezdheti tevékenységét.

Ez az egyik alapvető különbség a DNS és az RNS polimerázok között, mivel ez utóbbi képes indítani a de novo lánc szintézisét.

Okazaki töredékei

A DNS-polimerázoknak az előző szakaszban említett első tulajdonsága a félig konzervatív replikáció komplikációja. Mivel a két DNS-szál párhuzamosan fut, az egyiket szakaszosan szintetizálják (az egyiket, amelyet a 3'-5 'értelemben kell szintetizálni).

A késleltetett szálban a folytonos szintézis a polimeráz, az 5'-3 'normál aktivitása révén zajlik, és a kapott fragmenseket - amelyeket az irodalomban Okazaki fragmensek néven ismertek - egy másik enzim, a ligáz kapcsol össze.

DNS-javítás

A DNS-t folyamatosan ki vannak téve mind az endogén, mind az exogén tényezőknek, amelyek károsíthatják azt. Ezek a károsodások blokkolhatják a replikációt és felhalmozódhatnak, befolyásolva a gének expresszióját, problémákat okozva a különféle sejtes folyamatokban.

A DNS replikációs folyamatban betöltött szerepén kívül a polimeráz a DNS-javító mechanizmusok kulcseleme is. Szenzorokként is működhetnek a sejtciklusban, amelyek megakadályozzák az osztódási fázisba való belépést, ha a DNS megsérül.

Szerkezet

Jelenleg a kristálylográfiás vizsgálatoknak köszönhetően a különféle polimerázok szerkezetét megvilágították. Elsődleges szekvenciájuk alapján a polimerázok csoportokba vannak csoportosítva: A, B, C, X és Y.

Néhány szempont közös az összes polimeráznál, különösen azok, amelyek az enzim katalitikus központjaihoz kapcsolódnak.

Ide tartoznak két kulcsfontosságú aktív hely, amelyek fémionokat tartalmaznak, két aszpartát csoporttal és egy változó maradékkal - akár aszpartát, akár glutamát, amely koordinálja a fémeket. Van egy másik töltött aminosav-sorozat, amely körülveszi a katalitikus centrumot és konzerválódik a különböző polimerázokban.

Prokariótákban a DNS polimeráz I egy 103 kd polipeptid, a II egy 88 kd polipeptid, és a III tíz alegységből áll.

Az eukariótákban az enzimek nagyobbak és összetettebbek: α öt egységből áll, β és γ egy alegységből, δ két alegységből és ε ötből áll.

Alkalmazások

PRC

A polimeráz láncreakció (PRC) módszer, amelyet minden molekuláris biológiai laboratóriumban használnak, köszönhetően alkalmazhatóságának és egyszerűségének. Ennek a módszernek a célja egy érdekes DNS-molekula tömeges amplifikálása.

Ennek elérésére a biológusok olyan DNS-polimerázt használnak, amelyet a hő nem károsít (a magas hőmérséklet elengedhetetlen ennek a folyamatnak) a molekula amplifikálásához. Ennek a folyamatnak a eredménye számos DNS-molekula, amelyeket különféle célokra lehet felhasználni.

A technika egyik legkiemelkedőbb klinikai hasznossága az orvosi diagnosztikában történő alkalmazás. A PRC felhasználható a betegek kórokozó baktériumok és vírusok ellenőrzésére.

Antibiotikumok és daganatellenes gyógyszerek

Számos gyógyszer célja a DNS replikációjának mechanizmusainak megcsonkítása a patogén szervezetben, legyen az vírus vagy baktérium.

Ennek néhány részében a cél a DNS polimeráz aktivitás gátlása. Például, a kemoterápiás gyógyszer, a cytarabine, más néven citozin arabinosid, letiltja a DNS-polimerázt.

Irodalom

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… és Walter, P. (2015). Alapvető sejtbiológia. Garland Science.
2. Cann, IK és Ishino, Y. (1999). Régészeti DNS replikáció: a darabok azonosítása egy puzzle megoldására. Genetics, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM és Hausman, RE (2004). A cella: Molekuláris megközelítés. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M. és Bebenek, K. (2007). A DNS polimerázok több funkciója. Kritikus áttekintés növénytudományokban, 26. (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K. és Kunkel, TA (2003). Az eukarióta DNS polimerázok funkciói. A Science SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNS-polimerázok: szerkezeti sokféleség és közös mechanizmusok. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG és Wilson, SH (2013). A DNS polimeráz szerkezetének strukturális összehasonlítása nukleotid átjárót mutat a polimeráz aktív helyéhez. Chemical Reviews, 114 (5), 2759-74.