POLYMERÁZA: VLASTNOSTI, STRUKTURA A FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Tyto polymerázy jsou enzymy, jejichž funkce je v souvislosti s procesy replikaci a transkripci nukleových kyselin. Existují dva hlavní typy těchto enzymů: DNA polymeráza a RNA polymeráza.

DNA polymeráza je zodpovědná za syntézu nového řetězce DNA během procesu replikace a přidání nových nukleotidů. Jsou to velké, komplexní enzymy a liší se strukturou v závislosti na tom, zda se nacházejí v eukaryotickém nebo prokaryotickém organismu.

Taq polymeráza: enzym používaný v PCR.

Zdroj: Lijealso

Podobně RNA polymeráza působí během transkripce DNA a syntetizuje molekulu RNA. Stejně jako DNA polymeráza se vyskytuje v eukaryotech i prokaryotech a její struktura a složitost se liší v závislosti na skupině.

Z evolučního hlediska je pravděpodobné si myslet, že první enzymy musely mít polymerázovou aktivitu, protože jedním ze základních požadavků na vývoj života je replikační kapacita genomu.

Centrální dogma molekulární biologie

Takzvaná „dogma“ molekulární biologie popisuje tvorbu proteinů z genů šifrovaných v DNA ve třech krocích: replikace, transkripce a translace.

Proces začíná replikací molekuly DNA, kde jsou její dvě kopie generovány polokonzervativním způsobem. Zpráva z DNA je pak přepsána do molekuly RNA, nazývané messenger RNA. Nakonec je posel převeden na proteiny pomocí ribozomálního aparátu.

V tomto článku prozkoumáme dva klíčové enzymy zapojené do prvních dvou zmíněných procesů.

Stojí za zmínku, že existují výjimky z centrálního dogmatu. Mnoho genů není převedeno na proteiny a v některých případech je tok informací z RNA do DNA (jako v retrovirech).

DNA polymeráza

Funkce

DNA polymeráza je enzym zodpovědný za přesnou replikaci genomu. Práce enzymu musí být dostatečně účinná, aby zajistila zachování genetické informace a její přenos do dalších generací.

Pokud vezmeme v úvahu velikost genomu, je to docela náročný úkol. Například, pokud si sami stanovíme úlohu přepisování 100stránkového dokumentu v našem počítači, měli bychom určitě jednu chybu (nebo více v závislosti na naší koncentraci) pro každou stránku.

Polymeráza může přidat více než 700 nukleotidů každou sekundu, a je špatné pouze každých 10 ⁹ nebo 10 ¹⁰ inkorporovaných nukleotidů, mimořádné číslo.

Polymeráza musí mít mechanismy, které umožňují přesné kopírování informací o genomu. Proto existují různé polymerázy, které mají schopnost replikovat a opravit DNA.

Vlastnosti a struktura

DNA polymeráza je enzym, který pracuje ve směru 5'-3 ', a pracuje tak, že nukleotidy přidává na koncový konec skupinou -OH.

Jedním z bezprostředních důsledků této funkce je to, že jeden z řetězců může být syntetizován bez jakýchkoli obtíží, ale co ten pramen, který je třeba syntetizovat ve směru 3'-5 '?

Tento řetězec je syntetizován v takzvaném fragmentu Okazaki. Malé segmenty jsou tedy syntetizovány v normálním směru 5'-3 ', které jsou následně spojeny enzymem nazývaným ligáza.

Strukturálně mají DNA polymerázy společná dvě aktivní místa, která obsahují kovové ionty. V nich najdeme aspartát a další aminokyselinové zbytky, které koordinují kovy.

Typy

Tradičně byly v prokaryotech identifikovány tři typy polymeráz, které jsou pojmenovány římskými číslicemi: I, II a III. V eukaryotech je rozpoznáno pět enzymů a jsou pojmenovány písmeny řecké abecedy, konkrétně: a, β, γ, δ a ε.

Nejnovější výzkumy identifikovaly pět typů DNA v Escherichia coli, 8 v kvasinkách Saccharomyces cerevisiae a více než 15 u lidí. V rostlinné linii byl enzym méně studován. V modelovém organismu Arabidopsis thaliana však bylo popsáno asi 12 enzymů.

Aplikace

Jednou z nejpoužívanějších technik v laboratořích molekulární biologie je PCR nebo polymerázová řetězová reakce. Tento postup využívá polymerizační kapacity DNA polymerázy k amplifikaci molekuly DNA, kterou chceme studovat, o několik řádů.

Jinými slovy, na konci postupu budeme mít tisíce kopií naší cílové DNA. Použití PCR je velmi rozmanité. Může být použit pro vědecký výzkum, pro diagnostiku některých nemocí nebo dokonce pro ekologii.

RNA polymeráza

Funkce

RNA polymeráza je zodpovědná za generování molekuly RNA počínaje DNA templátem. Výsledný přepis je kopie, která doplňuje segment DNA, který byl použit jako šablona.

Messenger RNA je zodpovědná za přenos informací do ribozomu, za generování proteinu. Podílejí se také na syntéze dalších typů RNA.

To nemůže fungovat osamoceně, potřebuje proteiny zvané transkripční faktory, aby bylo možné úspěšně plnit své funkce.

Vlastnosti a struktura

RNA polymerázy jsou velké enzymové komplexy. V eukaryotické linii jsou složitější než v prokaryotice.

V eukaryotech existují tři typy polymeráz: Pol I, II a III, které jsou ústředním mechanismem pro syntézu ribosomální, messengerové a přenosové RNA. Naproti tomu v prokaryotech jsou všechny jejich geny zpracovávány jediným typem polymerázy.

Rozdíly mezi DNA a RNA polymerázou

Přestože oba enzymy používají žíhání DNA, liší se třemi klíčovými způsoby. Za prvé, DNA polymeráza vyžaduje primer pro iniciaci replikace a připojení nukleotidů. Primer nebo primer je molekula tvořená několika nukleotidy, jejichž sekvence jsou komplementární ke specifickému místu v DNA.

Primer dává polymeráze volný OH pro zahájení katalytického procesu. Naproti tomu RNA polymerázy mohou začít pracovat bez potřeby primeru.

Za druhé, DNA polymeráza má na DNA molekule více vazebných oblastí. RNA polymeráza se může vázat pouze na promotorové sekvence genů.

A konečně, DNA polymeráza je enzym, který vykonává svou práci s vysokou věrností. RNA polymeráza je citlivý na více chybami, zavedení nesprávný nukleotid každých 10 ⁴ nukleotidů.

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. Lewin, B. (1975). Genový výraz. Knihy UMI na vyžádání.
6. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Biologie molekulárních buněk. Macmillan.
7. Pierce, BA (2009). Genetika: Koncepční přístup. Panamerican Medical Ed.
8. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Funkce eukaryotických DNA polymeráz. Science SAGE KE, 2003 (8), 3.
9. Steitz, TA (1999). DNA polymerázy: strukturální rozmanitost a společné mechanismy. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
10. 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.