NUKLEÁZOK: JELLEMZŐK, FELÉPÍTÉS, TÍPUSOK ÉS FUNKCIÓK - BIOLÓGIA - 2024

A nukleázok olyan enzimek, amelyek felelősek a nukleinsavak lebontásáért. Ezt a nukleotidokat együttesen tartó foszfodiészter kötések hidrolízisével végzik el. Ezért a szakirodalomban foszfodiészterázokként is ismertek. Ezek az enzimek szinte minden biológiai egységben megtalálhatók, és alapvető szerepet játszanak a DNS replikációjában, javításában és egyéb folyamatokban.

Általánosságban osztályozhatjuk azokat a nukleinsavak típusától függően, amelyeket elbontanak: nukleázokat, amelyek szubsztrátja RNS, ribonukleázoknak nevezzük, és a DNS nukleázjait dezoxiribonukleázoknak nevezzük. Vannak olyan nem-specifikusak, amelyek képesek mind a DNS, mind az RNS lebontására.

Foszfodiészter kötés. Forrás: Xvazquez

Egy másik széles körben alkalmazott osztályozás az enzim hatásától függ. Ha fokozatosan, a nukleinsavlánc végénél kezdve végzi a feladatát, ezeket exonukleázoknak nevezzük. Ezzel szemben, ha a törés a lánc belső pontján történik, akkor ezeket endonukleázoknak nevezzük.

Jelenleg bizonyos endonukleázokat széles körben alkalmaznak a rekombináns DNS technológiában a molekuláris biológiai laboratóriumokban. Ezek felbecsülhetetlen eszközök a nukleinsavak kísérleti manipulációjához.

jellemzők

A nukleázok biológiai molekulák, amelyek protein jellegűek és enzimatikus aktivitással rendelkeznek. Képesek hidrolizálni azokat a kötéseket, amelyek nukleinsavak nukleotidjaihoz kapcsolódnak.

Általános sav-bázis katalízissel hatnak. Ez a reakció három alapvető lépésre osztható: nukleofil támadás, negatívan töltött közbenső termék képződése és végső lépésként a kötés megszakadása.

Van egy olyan típusú enzim, mely úgynevezett polimerázok, és felelős mind a DNS (replikációban), mind az RNS (transzkripcióban) szintézisének katalizálásáért. Néhány típusú polimerázok nukleáz aktivitást mutatnak. A polimerázokhoz hasonlóan más rokon enzimek is mutatják ezt az aktivitást.

Szerkezet

A nukleázok egy rendkívül heterogén enzimkészlet, ahol kevés kapcsolat van azok felépítése és a hatásmechanizmus között. Más szavakkal, ezeknek az enzimeknek a szerkezete drasztikusan eltér, tehát nem említhetünk mindegyikre jellemző szerkezetet.

típusai

Különböző típusú nukleázok léteznek, és különféle rendszerek is vannak a besorolásukhoz. Ebben a cikkben két fő osztályozási rendszert fogunk megvitatni: a nukleinsav típusa és az enzim támadásának módja szerint.

Ha az olvasót érdekli, egy-egy kiterjedtebb osztályozást kereshetnek az egyes nukleázok funkciója alapján (lásd Yang, 2011).

Fontos megemlíteni, hogy ezekben az enzimatikus rendszerekben olyan nukleázok is léteznek, amelyek nem specifikusak szubsztrátjukra, és mindkét típusú nukleinsavat lebonthatják.

A felhasznált hordozó sajátossága szerint

Kétféle nukleinsav létezik, amelyek gyakorlatilag mindenütt jelen vannak a szerves lényeknél: dezoxiribonukleinsav vagy DNS és ribonukleinsav, RNS. A DNS-t lebontó specifikus enzimeket dezoxiribonukleázoknak, RNS ribonukleázoknak nevezzük.

A támadás formája szerint

Ha a nukleinsavláncot endolitikusan megtámadják, vagyis a lánc belső régióiban, az enzimet endonukleáznak nevezzük. Az alternatív támadás a lánc egyik végén fokozatosan következik be, és az enzimek, amelyek ezt végrehajtják, exonukleázok. Az egyes enzimek hatása különböző következményekkel jár.

Mivel az exonukleázok lépésről lépésre választják el a nukleotidokat, a szubsztrátra gyakorolt ​​hatások nem nagyon drasztikusak. Éppen ellenkezőleg, az endonukleázok hatása kifejezettebb, mivel ezek különböző pontokban hasíthatják a láncot. Ez utóbbi megváltoztathatja a DNS-oldat viszkozitását is.

Az exonukleázok kulcsfontosságúak voltak a nukleotidokat együtt tartó kötés jellegének megvilágításához.

Az endonukleáz hasítási hely specifitása változó. Vannak bizonyos típusok (például a dezoxiribonukleáz I enzim), amelyek nem specifikus helyeken vághatnak, és viszonylag véletlenszerű vágásokat generálnak a szekvencia szempontjából.

Ezzel szemben nagyon specifikus endonukleázok vannak, amelyek csak bizonyos szekvenciákra vágnak le. Később kifejtjük, hogy a molekuláris biológusok hogyan használják ki ezt a tulajdonságot.

Vannak olyan nukleázok, amelyek endo és exonukleázként is működhetnek. Erre példa az úgynevezett mikrokonikus nukleáz.

Jellemzők

A nukleázok az élet szempontjából nélkülözhetetlen reakciók sorozatát katalizálják. A nukleázaktivitás a DNS replikációjának elengedhetetlen eleme, mivel elősegítik a primer vagy primer kiküszöbölését és részt vesznek a hibák kijavításában.

Ily módon két olyan lényeges folyamatot, mint a rekombináció és a DNS-javítás, a nukleázok közvetítik.

Ez hozzájárul a DNS szerkezeti változásainak létrehozásához, mint például a topoizomerizáció és a helyspecifikus rekombináció. Mindezeknek a folyamatoknak a végrehajtásához a foszfodiészter kötés átmeneti megszakadására van szükség, amelyet nukleázok végeznek.

Az RNS-ben a nukleázok is részt vesznek az alapvető folyamatokban. Például a hírvivő érlelésében és az interferáló RNS-ek feldolgozásában. Ugyanígy vesznek részt a programozott sejthalál vagy apoptózis folyamatában.

Az egysejtű szervezetekben a nukleázok védelmi rendszert képviselnek, amely lehetővé teszi számukra a sejtbe belépő idegen DNS emésztését.

Alkalmazások: restrikciós enzimek

A molekuláris biológusok kihasználják bizonyos nukleázok specifitását, amelyeket specifikus restrikciós nukleázoknak hívnak. A biológusok észrevették, hogy a baktériumok képesek emésztni az idegen DNS-t, amelyet laboratóriumi technikákkal vezettek be.

Mélyebben belemerülve a jelenségbe, a tudósok restrikciós nukleázokat fedeztek fel - enzimeket, amelyek bizonyos nukleotidszekvenciáknál vágják a DNS-t. Ezek egyfajta "molekuláris olló", és találjuk őket eladásra gyártottként.

A baktérium-DNS "immunrendszerű" erre a mechanizmusra, mivel azt a szekvenciák kémiai módosítása védi, amelyek elősegítik a lebontást. Minden baktériumfajnak és törzsnek megvannak a sajátos nukleázjai.

Ezek a molekulák nagyon hasznosak, mivel biztosítják, hogy a vágást mindig ugyanabban a helyen végezzék (4–8 nukleotid hosszú). Ezeket rekombináns DNS-technológiában alkalmazzák.

Alternatív megoldásként néhány rutin eljárásban (például PCR) a nukleázok jelenléte negatívan befolyásolja a folyamatot, mivel ezek emésztik az elemzendő anyagot. Ezért bizonyos esetekben ezeket az enzimeket gátlókat kell alkalmazni.

Irodalom

1. Brown, T. (2011). Bevezetés a genetikába: Molekuláris megközelítés. Garland Science.
2. Davidson, J. és Adams, RLP (1980). Davidson nukleinsavak biokémiája. Megfordítottam.
3. Nishino, T. és Morikawa, K. (2002). A nukleázok szerkezete és funkciója a DNS-javításban: a DNS-olló alakja, tapadása és pengeje. Oncogene, 21 (58), 9022.
4. Stoddard, BL (2005). A homing endonukleáz felépítése és működése. A Biophysics negyedéves áttekintése, 38 (1), 49-95.
5. Yang, W. (2011). Nukleázok: a szerkezet, a funkció és a mechanizmus sokfélesége. A Biofizika negyedéves áttekintése, 44 (1), 1-93.