DNA polymerase các loại, chức năng và cấu trúc



các DNA polymerase là một enzyme chịu trách nhiệm xúc tác cho quá trình trùng hợp của chuỗi DNA mới trong quá trình sao chép phân tử này. Chức năng chính của nó là kết hợp các triphosphate deoxyribonucleotide với các chuỗi của mẫu. Nó cũng tham gia sửa chữa DNA.

Enzim này cho phép kết hợp chính xác giữa các cơ sở DNA của chuỗi khuôn và chuỗi mới, theo sơ đồ của A, nó kết hợp với T và G với C.

Quá trình sao chép DNA phải có hiệu quả và phải được tiến hành nhanh chóng, vì vậy DNA polymerase hoạt động bằng cách thêm khoảng 700 nucleotide mỗi giây và chỉ gây ra lỗi sau mỗi 109 hoặc 1010 nucleotide nhúng.

Có nhiều loại DNA polymerase khác nhau. Chúng khác nhau ở cả sinh vật nhân chuẩn và sinh vật nhân sơ và mỗi loại có một vai trò cụ thể trong quá trình sao chép và sửa chữa DNA..

Có thể một trong những enzyme đầu tiên xuất hiện trong quá trình tiến hóa là polymerase, vì khả năng tái tạo bộ gen chính xác là một yêu cầu nội tại cho sự phát triển của sinh vật.

Việc phát hiện ra enzyme này được quy cho Arthur Kornberg và các đồng nghiệp của ông. Nhà nghiên cứu này đã xác định DNA polymerase I (Pol I) vào năm 1956, trong khi làm việc với Escherichia coli. Tương tự, chính Watson và Crick đã đề xuất rằng enzyme này có thể tạo ra các bản sao trung thực của phân tử DNA.

Chỉ số

  • 1 loại
    • 1.1 Prokaryote
    • 1.2 Sinh vật nhân chuẩn
    • 1.3 Cổng vòm
  • 2 Chức năng: Sao chép và sửa chữa DNA
    • 2.1 Sao chép DNA là gì?
    • 2.2 Phản ứng
    • 2.3 Tính chất của DNA polymerase
    • 2.4 Mảnh vỡ của Okazaki
    • Sửa chữa DNA 2.5
  • 3 cấu trúc
  • 4 ứng dụng
    • 4.1 PRC
    • 4.2 Thuốc kháng sinh và thuốc chống ung thư
  • 5 tài liệu tham khảo

Các loại

Sinh vật nhân sơ

Các sinh vật nhân sơ (sinh vật không có nhân thực sự, được phân định bởi màng) có ba polymerase DNA chính, thường được viết tắt là pol I, II và III.

DNA polymerase I tham gia vào quá trình sao chép và sửa chữa DNA và sở hữu hoạt động exonuclease theo cả hai hướng. Nó được coi là vai trò của enzyme này trong sao chép là thứ yếu.

II tham gia sửa chữa DNA và hoạt động exonuclease của nó theo hướng 3'-5 '. III tham gia vào quá trình sao chép và chỉnh sửa DNA, và giống như enzyme trước đó, trình bày hoạt động exonuclease theo hướng 3'-5 '.

Sinh vật nhân chuẩn

Sinh vật nhân chuẩn (sinh vật có nhân thực sự, được phân định bởi màng) có năm polymerase DNA, được ký hiệu bằng các chữ cái trong bảng chữ cái Hy Lạp: α, β, γ, và.

Γ polymerase nằm trong ty thể và chịu trách nhiệm sao chép vật liệu di truyền trong cơ quan tế bào này. Ngược lại, bốn cái còn lại được tìm thấy trong nhân của các tế bào và có liên quan đến sự sao chép DNA của hạt nhân.

Các biến thể α, và are hoạt động mạnh nhất trong quá trình phân chia tế bào, cho thấy chức năng chính của chúng có liên quan đến việc tạo ra các bản sao DNA.

DNA polymerase, mặt khác, trình bày các đỉnh hoạt động trong các tế bào không phân chia, lý do tại sao người ta cho rằng chức năng chính của nó có liên quan đến việc sửa chữa DNA.

Các thí nghiệm khác nhau đã có thể xác minh giả thuyết rằng chúng liên kết chủ yếu là polymerase α, và với sao chép DNA. Các loại γ, và γ thể hiện hoạt động exonuclease 3'-5 '.

Cổng vòm

Các phương pháp giải trình tự mới đã quản lý để xác định một loạt các họ DNA polymerase rất lớn. Cụ thể, trong archaea, chúng tôi đã xác định được một họ enzyme, được gọi là họ D, là duy nhất cho nhóm sinh vật này.

Chức năng: Sao chép và sửa chữa DNA

Sao chép DNA là gì?

DNA là phân tử mang tất cả thông tin di truyền của một sinh vật. Nó bao gồm một loại đường, một cơ sở nitơ (adenine, guanine, cytosine và thymine) và một nhóm phosphate.

Trong quá trình phân chia tế bào, liên tục xảy ra, DNA phải được sao chép nhanh chóng và chính xác - cụ thể là trong pha S của chu kỳ tế bào. Quá trình này trong đó tế bào sao chép DNA được gọi là sao chép.

Về mặt cấu trúc, phân tử DNA được hình thành bởi hai sợi, tạo thành chuỗi xoắn. Trong quá trình sao chép, chúng được tách ra và mỗi cái hoạt động như một tính khí cho sự hình thành một phân tử mới. Do đó, các chuỗi mới truyền đến các tế bào con trong quá trình phân chia tế bào.

Vì mỗi sợi được tôi luyện, người ta nói rằng sự sao chép DNA là bán tự động - ở cuối quá trình, phân tử mới bao gồm một sợi mới và một sợi cũ. Quá trình này được mô tả vào năm 1958 bởi các nhà nghiên cứu Meselson và Stahl, sử dụng isophotos.

Sự sao chép DNA đòi hỏi một loạt các enzyme xúc tác cho quá trình này. Trong số các phân tử protein, DNA polymerase nổi bật.

Phản ứng

Để tổng hợp DNA xảy ra, các chất nền cần thiết cho quá trình này là bắt buộc: deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP)

Cơ chế của phản ứng liên quan đến một cuộc tấn công nucleophin của nhóm hydroxyl ở đầu 3 'của sợi đang phát triển trong alpha phosphate của dNTP bổ sung, loại bỏ pyrophosphate. Bước này rất quan trọng, vì năng lượng cho phản ứng trùng hợp đến từ quá trình thủy phân dNTP và pyrophosphate thu được.

Pol III hoặc alpha tham gia đầu tiên (xem thuộc tính của polymerase) và bắt đầu thêm các nucleotide. Các epsilon kéo dài chuỗi lãnh đạo, và đồng bằng kéo dài chuỗi bị trì hoãn.

Tính chất của DNA polymerase

Tất cả các polymerase DNA được biết đều có chung hai đặc tính cần thiết liên quan đến quá trình sao chép.

Đầu tiên, tất cả các polymerase tổng hợp chuỗi DNA theo hướng 5'-3 ', thêm dNTP vào nhóm hydroxyl của chuỗi đang phát triển.

Thứ hai, DNA polymerase không thể bắt đầu tổng hợp một chuỗi mới từ không có gì. Họ cần một nguyên tố bổ sung được gọi là mồi hoặc mồi, đó là một phân tử được hình thành bởi một vài nucleotide tạo ra một nhóm hydroxyl tự do, nơi polymerase có thể neo và bắt đầu hoạt động của nó.

Đây là một trong những khác biệt cơ bản giữa DNA và RNA polymerase, vì loại thứ hai có khả năng bắt đầu quá trình tổng hợp chuỗi de novo.

Những mảnh vỡ của Okazaki

Thuộc tính đầu tiên của DNA polymerase được đề cập trong phần trước là một biến chứng cho sự sao chép bán tự động. Khi hai chuỗi DNA chạy theo cách phản song song, một trong số chúng được tổng hợp theo cách không liên tục (cần phải được tổng hợp theo hướng 3'-5 ').

Trong chuỗi chậm, quá trình tổng hợp không liên tục xảy ra bằng hoạt động bình thường của polymerase, 5'-3 'và các đoạn kết quả - được biết đến trong tài liệu là các đoạn Okazaki - bị ràng buộc bởi một enzyme khác, ligase.

Sửa chữa DNA

DNA liên tục tiếp xúc với các yếu tố, cả nội sinh và ngoại sinh, có thể làm hỏng nó. Những thiệt hại này có thể ngăn chặn sự sao chép và tích lũy, do đó chúng ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen, tạo ra các vấn đề trong các quá trình tế bào đa dạng.

Ngoài vai trò của nó trong quá trình sao chép DNA, polymerase cũng là thành phần chính của cơ chế sửa chữa DNA. Chúng cũng có thể hoạt động như các cảm biến trong chu trình tế bào ngăn chặn sự xâm nhập vào giai đoạn phân chia nếu DNA bị hỏng.

Cấu trúc

Hiện nay, nhờ các nghiên cứu về tinh thể học, người ta đã có thể làm sáng tỏ các cấu trúc của các polymerase khác nhau. Dựa trên trình tự chính của chúng, polymerase được nhóm thành các họ: A, B, C, X và Y.

Một số khía cạnh là phổ biến cho tất cả các polymerase, đặc biệt là những khía cạnh liên quan đến các trung tâm xúc tác của enzyme.

Chúng bao gồm hai vị trí hoạt động chính có các ion kim loại, với hai dư lượng aspartate và dư lượng thay đổi - có thể là aspartate hoặc glutamate, phối hợp các kim loại. Có một loạt dư lượng tích điện khác bao quanh trung tâm xúc tác và được bảo tồn trong các polymerase khác nhau.

Ở prokaryote, DNA polymerase I là một polypeptide 103 kd, II là một polypeptide 88 kd và III bao gồm mười tiểu đơn vị.

Ở sinh vật nhân chuẩn, các enzyme lớn hơn và phức tạp hơn: α được hình thành bởi năm đơn vị, và bởi một tiểu đơn vị, bởi hai tiểu đơn vị và ε 5..

Ứng dụng

Trung Quốc

Phản ứng chuỗi polymerase (PRC) là một phương pháp được sử dụng trong tất cả các phòng thí nghiệm sinh học phân tử, nhờ vào tính tiện dụng và đơn giản của nó. Mục tiêu của phương pháp này là khuếch đại ồ ạt một phân tử DNA quan tâm.

Để đạt được điều này, các nhà sinh học sử dụng DNA polymerase không bị phá hủy bởi nhiệt (nhiệt độ cao là không thể thiếu cho quá trình này) để khuếch đại phân tử. Kết quả của quá trình này là một số lượng lớn các phân tử DNA có thể được sử dụng cho các mục đích khác nhau.

Một trong những tiện ích lâm sàng nổi bật nhất của kỹ thuật này là sử dụng nó trong chẩn đoán y khoa. PRC có thể được sử dụng để kiểm tra sự hiện diện của vi khuẩn và vi rút gây bệnh ở bệnh nhân.

Thuốc kháng sinh và thuốc chống ung thư

Một số lượng đáng kể các loại thuốc nhằm mục đích cắt ngắn các cơ chế sao chép DNA trong cơ thể gây bệnh, có thể là virus hoặc vi khuẩn.

Trong một số điều này, mục tiêu là sự ức chế hoạt động DNA polymerase. Ví dụ, thuốc hóa trị liệu cytarabine, còn được gọi là cytosine arabinoside, vô hiệu hóa DNA polymerase.

Tài liệu tham khảo

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... & Walter, P. (2015). Sinh học tế bào thiết yếu. Khoa học vòng hoa.
  2. Cann, I. K., & Ishino, Y. (1999). Sao chép DNA Archaeal: xác định các mảnh để giải câu đố. Di truyền học, 152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G. M., & Hausman, R. E. (2004). Tế bào: Cách tiếp cận phân tử. Dược phẩm naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Nhiều chức năng của DNA polymerase. Đánh giá quan trọng trong khoa học thực vật, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., & Kunkel, T. A. (2003). Chức năng của polymerase sinh vật nhân chuẩn. Khoa học SAGE KE, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T. A. (1999). DNA polymerase: đa dạng cấu trúc và cơ chế chung. Tạp chí hóa học sinh học, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W. A., Pedersen, L. G., & Wilson, S. H. (2013). So sánh cấu trúc của kiến ​​trúc DNA polymerase cho thấy một cổng nucleotide đến vị trí hoạt động polymerase. Đánh giá hóa học, 114(5), 2759-74.