ADN polimeraza: tipuri, funcție și structură
ADN polimeraza este o enzimă care este responsabilă pentru catalizarea polimerizării noii fire de ADN în timpul replicării acestei molecule. Funcția sa principală este de a se potrivi cu trifosfații deoxiribonucleotidici cu cei ai lanțului șablon. De asemenea, participă la repararea ADN-ului.
Această enzimă permite potrivirea corectă între bazele ADN ale lanțului de mucegai și cea nouă, urmând schema lui A perechi cu T și G cu C.
Procesul de replicare a ADN-ului trebuie să fie eficient și trebuie efectuat rapid, astfel încât ADN polimeraza acționează adăugând aproximativ 700 de nucleotide pe secundă și face o eroare la fiecare 109 sau 1010 nucleotide încorporate.
Există diferite tipuri de ADN polimerază. Acestea variază atât în eucariote cât și în procariote și fiecare are un rol specific în replicarea și repararea ADN-ului.
Este posibil ca una dintre primele enzime care apar în evoluție să fie polimeraze, deoarece abilitatea de a reproduce cu exactitate genomul este o cerință intrinsecă pentru dezvoltarea organismelor.
Descoperirea acestei enzime este atribuită lui Arthur Kornberg și colegilor săi. Acest cercetător a identificat ADN polimeraza I (Pol I) în 1956, în timp ce lucra cu Escherichia coli. În mod similar, Watson și Crick au propus ca această enzimă să poată produce copii fidele ale moleculei ADN.
tip
procariote
Organismele procariote (organisme fără nucleu adevărat, delimitate de o membrană) posedă trei ADN polimeraze principale, abreviate în mod obișnuit ca pol I, II și III.
ADN-polimeraza I participă la replicarea și repararea ADN-ului și posedă activitate exonuclează în ambele direcții. Se consideră că rolul acestei enzime în replicare este secundar.
Cel de-al II-lea participă la repararea ADN-ului, iar activitatea sa de exonuclează se află în poziția 3'-5. Cel de-al III-lea participă la replicarea și revizuirea ADN-ului, și la fel ca enzima anterioară, activitatea exonucleazei este în reacția 3'-5.
eucariotă
Eucariotele (organisme cu un nucleu adevărat, delimitate de o membrană) posedă cinci ADN polimeraze, denominate cu litere ale alfabetului grecesc: α, β, γ, δ și ε.
Polimeraza γ este localizată în mitocondrii și este responsabilă pentru replicarea materialului genetic în această organelle celulară. În contrast, celelalte patru se găsesc în nucleul celulelor și sunt implicate în replicarea ADN-ului nuclear.
Variantele α, δ și ε sunt cele mai active în procesul de diviziune celulară, sugerând că funcția lor principală este asociată cu producerea de copii ADN.
ADN polimeraza β, pe de altă parte, prezintă vârfuri de activitate în celule care nu se divizează, deci se presupune că funcția sa principală este asociată cu repararea ADN-ului.
Diferite experimente au fost capabile să verifice ipoteza că asociază în principal polimerazele α, δ și ε cu replicarea ADN. Tipurile γ, δ și ε au activitate 3'-5'exonuclează.
Archaea
Noile metode de secvențiere au reușit să identifice o mare varietate de familii de ADN polimeraze. În arhaea, în special, am identificat o familie de enzime, numită familia D, care sunt unice pentru acest grup de organisme.
Funcții: Replicarea și repararea ADN-ului
Ce este replicarea ADN-ului?
ADN-ul este molecula care poartă toate informațiile genetice ale unui organism. Se compune dintr-un zahăr, o bază de azot (adenină, guanină, citozină și timină) și o grupare fosfat.
În timpul proceselor de diviziune celulară, care apar în mod constant, ADN-ul trebuie copiat rapid și precis - în mod special în faza S a ciclului celular. Acest proces în care celula copiază ADN-ul este cunoscută ca replicare.
Structurally, molecula ADN este formată din două fire, formând o helix. În timpul procesului de replicare, acestea sunt separate și fiecare acționează ca un temperament pentru formarea unei noi molecule. Astfel, noile fire trec la celulele fiice în procesul de diviziune celulară.
Deoarece fiecare fir este temperat, se spune că replicarea ADN este semiconservativă - la sfârșitul procesului, noua moleculă constă într-o nouă fâșie și o fâșie veche. Acest proces a fost descris în 1958 de către cercetătorii Meselson și Stahl, folosind izotopi.
Replicarea ADN necesită o serie de enzime care catalizează procesul. Dintre aceste molecule de proteine, DNA polimeraza iese în evidență.
reacție
Pentru sinteza ADN-ului, sunt necesare substraturile necesare pentru proces: trifosfații deoxiribonucleotidici (dNTP)
Mecanismul reacției implică un atac nucleofil al grupării hidroxil la capătul 3 'al catenei de creștere în fosfatul alfa al dNTP complementar, eliminând un pirofosfat. Această etapă este foarte importantă, deoarece energia pentru polimerizare provine din hidroliza dNTP-urilor și a pirofosfatului rezultat.
Polul III sau alfa se alătură primului (vezi proprietățile polimerazelor) și începe să adauge nucleotidele. Epsilonul alungă lanțul de conducător, iar delta întinde lanțul întârziat.
Proprietățile ADN polimerazelor
Toate ADN polimerazele cunoscute au două proprietăți esențiale asociate cu procesul de replicare.
Mai întâi, toate polimerazele sintetizează catena ADN în direcția 5'-3 ', adăugând dNTP-urile la grupa hidroxil a lanțului de creștere.
În al doilea rând, ADN polimerazele nu pot începe să sintetizeze un lanț nou din nimic. Ei au nevoie de un element suplimentar cunoscut ca primer sau primer, care este o moleculă formată de câteva nucleotide care dă o grupare hidroxil liberă, unde polimeraza poate ancora și începe activitatea.
Aceasta este una dintre diferențele fundamentale dintre polimerazele ADN și ARN, deoarece acesta din urmă este capabil să inițieze sinteza unui lanț de novo.
Fragmente din Okazaki
Prima proprietate a polimerazelor ADN menționate în secțiunea anterioară este o complicație pentru replicarea semiconservativă. Deoarece cele două fire ale ADN-ului rulează într-o manieră antiparallelă, una dintre ele este sintetizată într-un mod discontinuu (care ar trebui să fie sintetizat în 3'-5sens).
În lanțul întârziat, sinteza discontinuă are loc prin activitatea normală a polimerazei, 5'-3 ', iar fragmentele rezultate - cunoscute în literatură ca fragmente Okazaki - sunt legate printr-o altă enzimă, ligază.
Repararea ADN-ului
ADN-ul este în mod constant expus la factori, atât endogeni cât și exogeni, care îi pot deteriora. Aceste daune pot bloca replicarea și se pot acumula, astfel încât ele afectează exprimarea genelor, generând probleme în diferitele procese celulare.
Pe lângă rolul său în procesul de replicare a ADN-ului, polimeraza este, de asemenea, o componentă cheie a mecanismelor de reparare a ADN-ului. Ele pot acționa, de asemenea, ca senzori în ciclul celular care împiedică intrarea în faza de divizare în cazul în care ADN-ul este deteriorat.
structură
În prezent, datorită studiilor de cristalografie, a fost posibilă elucidarea structurilor diferitelor polimeraze. Pe baza secvenței lor primare, polimerazele sunt grupate în familii: A, B, C, X și Y.
Unele aspecte sunt comune tuturor polimerazelor, în special cele legate de centrele catalitice ale enzimei.
Acestea includ două situsuri active principale care au ioni metalici, cu două resturi de aspartat și un reziduu variabil - fie aspartat, fie glutamat, care coordonează metalele. Există o altă serie de reziduuri încărcate care înconjoară centrul catalitic și sunt conservate în diferite polimeraze.
În procariote, ADN polimeraza I este o polipeptidă 103 kd, II este o polipeptidă de 88 kd și III are zece subunități.
În eucariote, enzimele sunt mai mari și mai complexe: α este formată din cinci unități, β și γ printr-o subunitate, δ prin două subunități și ε prin 5.
aplicații
RPC
Reacția în lanț a polimerazei (PRC) este o metodă utilizată în toate laboratoarele de biologie moleculară, datorită utilității și simplității sale. Obiectivul acestei metode este de a amplifica masiv o moleculă de ADN de interes.
Pentru a realiza acest lucru, biologii folosesc o polimerază ADN care nu este afectată de căldură (temperaturi ridicate sunt indispensabile pentru acest proces) pentru a amplifica molecula. Rezultatul acestui proces este un număr mare de molecule de ADN care pot fi utilizate în scopuri diferite.
Una dintre cele mai remarcabile utilități clinice ale tehnicii este utilizarea sa în diagnosticul medical. RPC poate fi folosit pentru a verifica prezența bacteriilor patogene și a virușilor la pacienți.
Antibiotice și medicamente antitumorale
Un număr semnificativ de medicamente au ca scop trunchierea mecanismelor de replicare a ADN-ului în organismul patogen, fie că este vorba de un virus sau de o bacterie.
În unele dintre acestea, ținta este inhibarea activității ADN polimerazei. De exemplu, citarabina chimioterapeutică, numită și citozină arabinozidă, dezactivează ADN polimeraza.
