DNA POLYMERÁZA: TYPY, FUNKCE A STRUKTURA - BIOLOGIE - 2025

DNA polymeráza je enzym, který je zodpovědný za katalyzovat polymeraci nového řetězce DNA během replikace této molekuly. Jeho hlavní funkcí je spárovat trifosfát deoxyribonukleotidy s těmi z templátového řetězce. Podílí se také na opravě DNA.

Tento enzym umožňuje správné párování mezi bázemi DNA templátového řetězce a novým, podle schématu A párů s T a G s C.

Struktura DNA polymerázy beta u lidí.

Zdroj: Yikrazuul, z Wikimedia Commons

Proces replikace DNA musí být účinný a musí být proveden rychle, takže DNA polymeráza funguje tak, že přidává asi 700 nukleotidů za sekundu a činí pouze jednu chybu každých 10 ⁹ nebo 10 ¹⁰ začleněných nukleotidů.

Existují různé typy DNA polymerázy. Ty se liší jak u eukaryot, tak u prokaryot, a každá z nich má specifickou roli v replikaci a opravě DNA.

Je možné, že jedním z prvních enzymů, které se objevily v evoluci, byly polymerázy, protože schopnost přesně replikovat genom je nezbytným požadavkem pro vývoj organismů.

Za objev tohoto enzymu se připisuje Arthur Kornberg a jeho kolegové. Tento výzkumník identifikoval DNA polymerázu I (Pol I) v roce 1956 při práci s Escherichia coli. Podobně to byli Watson a Crick, kdo navrhl, aby tento enzym mohl produkovat věrné kopie molekuly DNA.

Typy

Prokaryoty

Prokaryotické organismy (organismy bez skutečného jádra, ohraničené membránou) mají tři hlavní DNA polymerázy, obvykle zkrácené na pol I, II a III.

DNA polymeráza I se účastní replikace a opravy DNA a má exonukleázovou aktivitu v obou směrech. Role tohoto enzymu v replikaci je považována za sekundární.

II se účastní opravy DNA a jeho exonukleázová aktivita je ve smyslu 3'-5 '. III se účastní replikace a revize DNA a stejně jako předchozí enzym vykazuje exonukleázovou aktivitu ve smyslu 3'-5 '.

Eukaryoty

Eukaryoty (organismy se skutečným jádrem, ohraničené membránou) mají pět DNA polymeráz pojmenovaných písmeny řecké abecedy: α, β, γ, δ a ε.

Polymeráza γ se nachází v mitochondriích a odpovídá za replikaci genetického materiálu v této buněčné organele. Naproti tomu další čtyři se nacházejí v jádru buněk a podílejí se na replikaci jaderné DNA.

Varianty a, δ a ε jsou nejaktivnější v procesu dělení buněk, což naznačuje, že jejich hlavní funkce je spojena s produkcí kopií DNA.

DNA polymeráza ß vykazuje vrcholky aktivity v buňkách, které se nedělí, takže se předpokládá, že její hlavní funkce je spojena s opravou DNA.

Různé experimenty dokázaly ověřit hypotézu, že většinou asociovají a, δ a ε polymerázy s replikací DNA. Typy y, δ a ε vykazují 3'-5 'exonukleázovou aktivitu.

Oblouky

Nové metody sekvenování uspěly v identifikaci obrovské řady rodin DNA polymeráz. V archaea byla konkrétně identifikována rodina enzymů zvaná D rodina, které jsou jedinečné pro tuto skupinu organismů.

Funkce: Replikace a oprava DNA

Co je replikace DNA?

DNA je molekula, která nese všechny genetické informace o organismu. Je tvořen cukrem, dusíkatou bází (adenin, guanin, cytosin a thymin) a fosfátovou skupinou.

Během procesů buněčného dělení, které se neustále vyskytují, musí být DNA rychle a přesně zkopírována - konkrétně ve fázi S buněčného cyklu. Tento proces, kdy buňka kopíruje DNA, se nazývá replikace.

Strukturálně je molekula DNA tvořena dvěma vlákny, které tvoří šroubovici. Během replikačního procesu se tyto oddělují a každá funguje jako templát pro vytvoření nové molekuly. Nové řetězce tedy přecházejí do dceřiných buněk v procesu buněčného dělení.

Protože každý řetězec slouží jako templát, je replikace DNA považována za polokonzervativní - na konci procesu se nová molekula skládá z nového a starého vlákna. Tento proces popsali vědci Meselson a Stahl v roce 1958 pomocí izopot.

Replikace DNA vyžaduje řadu enzymů, které tento proces katalyzují. Mezi těmito molekulami proteinů vyniká DNA polymeráza.

Reakce

Aby došlo k syntéze DNA, jsou nezbytné substráty nezbytné pro tento proces: deoxyribonukleotidtrifosfát (dNTP)

Reakční mechanismus zahrnuje nukleofilní atak hydroxylové skupiny na 3 'konci rostoucího řetězce na alfa fosfátu komplementárních dNTP, eliminující pyrofosfát. Tento krok je velmi důležitý, protože energie pro polymeraci pochází z hydrolýzy dNTP a výsledného pyrofosfátu.

Pol III nebo alfa se váže na primer (viz vlastnosti polymeráz) a začíná přidávat nukleotidy. Epsilon protahuje olověný řetězec a delta protahuje retardovaný pramen.

Vlastnosti DNA polymeráz

Všechny známé DNA polymerázy mají dvě základní vlastnosti spojené s replikačním procesem.

Nejprve všechny polymerázy syntetizují řetězec DNA ve směru 5'-3 'a přidají dNTP k hydroxylové skupině rostoucího řetězce.

Za druhé, DNA polymerázy nemohou začít syntetizovat nový řetězec od nuly. Potřebují další prvek známý jako primer nebo primer, což je molekula tvořená několika nukleotidy, která poskytuje volnou hydroxylovou skupinu, kde polymeráza může ukotvit a zahájit svou aktivitu.

Toto je jeden ze základních rozdílů mezi DNA a RNA polymerázami, protože tyto jsou schopné iniciovat syntézu de novo řetězce.

Fragmenty Okazaki

První vlastnost DNA polymeráz zmíněná v předchozí části představuje komplikaci pro semi-konzervativní replikaci. Jak dva řetězce DNA běží antiparalelně, jeden z nich je syntetizován diskontinuálně (ten, který by musel být syntetizován ve smyslu 3'-5 ').

V opožděném řetězci dochází k diskontinuální syntéze prostřednictvím normální aktivity polymerázy 5'-3 'a výsledné fragmenty - známé v literatuře jako Okazaki fragmenty - jsou spojeny jiným enzymem, ligasou.

Oprava DNA

DNA je neustále vystavena faktorům, endogenním i exogenním, které ji mohou poškodit. Tato poškození mohou blokovat replikaci a hromadit se, ovlivňovat expresi genů, což způsobuje problémy v různých buněčných procesech.

Kromě své úlohy v procesu replikace DNA je polymeráza také klíčovou součástí mechanismů opravy DNA. Mohou také fungovat jako senzory v buněčném cyklu, které zabraňují vstupu do fáze dělení, pokud je poškozena DNA.

Struktura

V současné době byly díky krystalografickým studiím objasněny struktury různých polymeráz. Na základě své primární sekvence jsou polymerázy seskupeny do rodin: A, B, C, X a Y.

Některé aspekty jsou společné pro všechny polymerázy, zejména ty, které se týkají katalytických center enzymu.

Patří mezi ně dvě klíčová aktivní místa, která obsahují kovové ionty, se dvěma zbytky aspartátu a jedním variabilním zbytkem - buď aspartátem nebo glutamátem, které koordinují kovy. Existuje další řada nabitých zbytků, které obklopují katalytické centrum a jsou konzervovány v různých polymerázách.

V prokaryotech je DNA polymeráza I polypeptidem 103 kd, II je polypeptidem 88 kd a III sestává z deseti podjednotek.

V eukaryotech jsou enzymy větší a složitější: α se skládá z pěti jednotek, β a γ jedné podjednotky, δ dvou podjednotek a ε 5.

Aplikace

PRC

Polymerázová řetězová reakce (PRC) je metoda používaná ve všech laboratořích molekulární biologie díky své užitečnosti a jednoduchosti. Cílem této metody je masivní amplifikace požadované molekuly DNA.

Aby toho bylo dosaženo, biologové používají k amplifikaci molekuly DNA polymerázu, která není poškozena teplem (pro tento proces jsou nezbytné vysoké teploty). Výsledkem tohoto procesu je velké množství molekul DNA, které lze použít pro různé účely.

Jedním z nejvýznamnějších klinických nástrojů této techniky je její použití v lékařské diagnostice. PRC lze použít ke kontrole pacientů na patogenní bakterie a viry.

Antibiotika a protinádorová léčiva

Významné množství léčiv má za cíl zkrátit mechanismy replikace DNA v patogenním organismu, ať už jde o virus nebo bakterii.

V některých z nich je cílem inhibice aktivity DNA polymerázy. Například chemoterapeutické léčivo cytarabin, také nazývané cytosin arabinosid, deaktivuje DNA polymerázu.

Reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Základní buněčná biologie. Věnec věnec.
2. Cann, IK a Ishino, Y. (1999). Archaální replikace DNA: identifikace kousků k vyřešení hádanky. Genetics, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM a Hausman, RE (2004). Buňka: Molekulární přístup. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Mnoho funkcí DNA polymeráz. Kritické recenze v rostlinných vědách, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Funkce eukaryotických DNA polymeráz. Science SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA polymerázy: strukturální rozmanitost a společné mechanismy. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG a Wilson, SH (2013). Strukturální srovnání architektury DNA polymerázy navrhuje nukleotidovou bránu do aktivního místa polymerázy. Chemical Reviews, 114 (5), 2759-74.