ประเภทของ DNA polymerase หน้าที่และโครงสร้าง

DNA polymerase เป็นเอนไซม์ที่มีหน้าที่กระตุ้นการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของดีเอ็นเอเส้นใหม่ในระหว่างการจำลองแบบของโมเลกุลนี้ หน้าที่หลักของมันคือการจับคู่เดอกริบานีนิวคลีโอไทด์ไตรฟอสเฟตกับโซ่ของเทมเพลต นอกจากนี้ยังมีส่วนร่วมในการซ่อมแซม DNA.

เอนไซม์นี้ช่วยให้การจับคู่ที่ถูกต้องระหว่างฐานดีเอ็นเอของห่วงโซ่แม่พิมพ์และใหม่ตามรูปแบบของมันจับคู่กับ T และ G กับ C.

กระบวนการจำลองดีเอ็นเอจะต้องมีประสิทธิภาพและต้องดำเนินการอย่างรวดเร็วดังนั้น DNA polymerase จึงกระทำโดยการเพิ่มนิวคลีโอไทด์ประมาณ 700 ครั้งต่อวินาทีและทำให้เกิดข้อผิดพลาดทุก 10⁹ หรือ 10¹⁰ นิวคลีโอไทด์แบบฝัง.

DNA polymerase มีหลายชนิด สิ่งเหล่านี้แตกต่างกันไปทั้งยูคาริโอตและโปรคาริโอตและแต่ละอันมีบทบาทเฉพาะในการจำลองและซ่อมแซมดีเอ็นเอ.

เป็นไปได้ว่าหนึ่งในเอนไซม์แรกที่ปรากฏในวิวัฒนาการเป็นโพลิเมอร์เนื่องจากความสามารถในการจำลองจีโนมอย่างแม่นยำนั้นเป็นข้อกำหนดที่จำเป็นสำหรับการพัฒนาของสิ่งมีชีวิต.

การค้นพบเอนไซม์นี้มีสาเหตุมาจาก Arthur Kornberg และเพื่อนร่วมงานของเขา นักวิจัยนี้ระบุ DNA polymerase I (Pol I) ในปี 1956 ขณะที่ทำงานกับ Escherichia coli. ในทำนองเดียวกันวัตสันและคริกผู้เสนอว่าเอนไซม์นี้สามารถสร้างสำเนาดีเอ็นเอโมเลกุลที่ซื่อสัตย์ได้.

ดัชนี

• 1 ประเภท
  • 1.1 Prokaryotes
  • 1.2 ยูคาริโอต
  • 1.3 Arches
• 2 ฟังก์ชั่น: การจำลองและซ่อมแซมดีเอ็นเอ
  • 2.1 การจำลองดีเอ็นเอคืออะไร?
  • 2.2 ปฏิกิริยา
  • 2.3 คุณสมบัติของ DNA polymerases
  • 2.4 Fragments of Okazaki
  • 2.5 การซ่อมแซม DNA
• 3 โครงสร้าง
• 4 การใช้งาน
  • 4.1 PRC
  • 4.2 ยาแก้อักเสบและยาต้าน
• 5 อ้างอิง

ชนิด

prokaryotes

สิ่งมีชีวิต Prokaryotic (สิ่งมีชีวิตที่ไม่มีนิวเคลียสที่แท้จริงคั่นด้วยเมมเบรน) มี DNA polymerase หลักสามตัวโดยทั่วไปย่อว่า pol I, II และ III.

DNA polymerase ฉันมีส่วนร่วมในการจำลองและซ่อมแซม DNA และมีกิจกรรม exonuclease ในทั้งสองทิศทาง มีการพิจารณาว่าบทบาทของเอนไซม์นี้ในการจำลองเป็นเรื่องรอง.

II มีส่วนร่วมในการซ่อมแซม DNA และกิจกรรม exonuclease ของมันอยู่ในทิศทาง 3'-5 ' III มีส่วนร่วมในการจำลองและแก้ไข DNA และเช่นเดียวกับเอนไซม์ก่อนหน้านี้แสดงกิจกรรม exonuclease อยู่ในทิศทาง 3'-5 '.

ยูคาริโอ

ยูคาริโอต (สิ่งมีชีวิตที่มีนิวเคลียสที่แท้จริงคั่นด้วยเมมเบรน) มี DNA polymerases ห้าตัวซึ่งประกอบด้วยตัวอักษรกรีก: α, β, γ, δและε.

γพอลิเมอเรสอยู่ในไมโตคอนเดรียและมีหน้าที่รับผิดชอบในการทำซ้ำของสารพันธุกรรมในออร์แกเนลเซลล์ ในทางตรงกันข้ามอีกสี่คนพบในนิวเคลียสของเซลล์และมีส่วนร่วมในการจำลองดีเอ็นเอนิวเคลียร์.

ตัวแปรα, δและ are นั้นมีความเคลื่อนไหวมากที่สุดในกระบวนการแบ่งเซลล์บอกว่าหน้าที่หลักของพวกมันนั้นเกี่ยวข้องกับการผลิตสำเนาของ DNA.

DNA polymerase βตรงกันข้ามนำเสนอจุดสูงสุดของกิจกรรมในเซลล์ที่ไม่ได้แบ่งเหตุผลว่าทำไมมันจะสันนิษฐานว่าหน้าที่หลักของมันมีความเกี่ยวข้องกับการซ่อมแซมดีเอ็นเอ.

การทดลองที่แตกต่างกันสามารถยืนยันสมมติฐานที่ว่าพวกมันเชื่อมโยงส่วนใหญ่ของโพลิเมอร์α, δและεกับการจำลองดีเอ็นเอ ประเภทγ, δและεจัดแสดงกิจกรรม exonuclease 3'-5 '.

เคีย

วิธีการใหม่ของการหาลำดับเบสนั้นมีการจัดการเพื่อระบุตระกูล DNA โพลิเมอร์ที่หลากหลาย ในอาร์เคียโดยเฉพาะเราได้ระบุตระกูลของเอนไซม์ที่เรียกว่าตระกูล D ซึ่งมีลักษณะเฉพาะของสิ่งมีชีวิตกลุ่มนี้.

ฟังก์ชั่น: การจำลองและซ่อมแซมดีเอ็นเอ

การจำลองแบบ DNA คืออะไร?

ดีเอ็นเอเป็นโมเลกุลที่นำข้อมูลทางพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต ประกอบด้วยน้ำตาล, ฐานไนโตรเจน (adenine, guanine, cytosine และ thymine) และกลุ่มฟอสเฟต.

ในระหว่างกระบวนการแบ่งเซลล์ซึ่งเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง DNA จะต้องคัดลอกอย่างรวดเร็วและแม่นยำ - โดยเฉพาะในเฟส S ของวัฏจักรเซลล์ กระบวนการนี้ที่เซลล์คัดลอก DNA เรียกว่าการจำลองแบบ.

โครงสร้างโมเลกุลดีเอ็นเอถูกสร้างขึ้นโดยสองเส้นก่อตัวเป็นเกลียว ในระหว่างกระบวนการจำลองแบบสิ่งเหล่านี้จะถูกแยกออกและแต่ละคนจะทำหน้าที่เป็นอารมณ์สำหรับการก่อตัวของโมเลกุลใหม่ ดังนั้นเส้นใหม่ส่งผ่านไปยังเซลล์ลูกสาวในกระบวนการแบ่งเซลล์.

เนื่องจากแต่ละสแตรนด์มีอารมณ์แปรปรวนกล่าวกันว่าการจำลองดีเอ็นเอนั้นมีเซมิโคลอน - ในตอนท้ายของกระบวนการโมเลกุลใหม่ประกอบด้วยสแตรนใหม่และสแตรนด์เก่า กระบวนการนี้ถูกอธิบายในปี 1958 โดยนักวิจัย Meselson และ Stahl โดยใช้รูปถ่าย.

การจำลองดีเอ็นเอต้องใช้ชุดของเอนไซม์ที่กระตุ้นกระบวนการ ในบรรดาโมเลกุลโปรตีนเหล่านี้ DNA polymerase โดดเด่น.

ปฏิกิริยา

สำหรับการสังเคราะห์ดีเอ็นเอที่จะเกิดขึ้นจำเป็นต้องใช้พื้นผิวที่จำเป็นสำหรับกระบวนการ: deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP)

กลไกการเกิดปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับการโจมตีนิวคลีโอฟิลิกของกลุ่มไฮดรอกซิลที่ปลายสาย 3 'ของสายการเจริญเติบโตในอัลฟาฟอสเฟตของ dNTP เสริมซึ่งช่วยกำจัดไพโรฟอสเฟต ขั้นตอนนี้สำคัญมากเนื่องจากพลังงานสำหรับการเกิดพอลิเมอไรเซชันมาจากการไฮโดรไลซิสของ dNTP และไพโรฟอสเฟตที่เกิดขึ้น.

pol III หรือ alpha รวมตัวแรก (ดูคุณสมบัติของพอลิเมอร์) และเริ่มเพิ่มนิวคลีโอไทด์ เอปไซลอนยืดสายโซ่ผู้นำและสามเหลี่ยมปากแม่น้ำจะยืดเส้นเกลียวที่เลื่อนออกไป.

คุณสมบัติของ DNA โพลิเมอร์

DNA polymerases ที่รู้จักกันทั้งหมดนั้นมีคุณสมบัติที่สำคัญสองอย่างที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการจำลองแบบ.

ก่อนอื่นพอลิเมอเรสทั้งหมดจะทำการสังเคราะห์ DNA strand ในทิศทาง 5'-3 'โดยเพิ่ม dNTP ลงในกลุ่มไฮดรอกซิลของห่วงโซ่การเจริญเติบโต.

ประการที่สอง DNA polymerase ไม่สามารถเริ่มสังเคราะห์ห่วงโซ่ใหม่จากอะไร พวกเขาต้องการองค์ประกอบเพิ่มเติมที่รู้จักกันในชื่อไพรเมอร์หรือไพรเมอร์ซึ่งเป็นโมเลกุลที่เกิดจากนิวคลีโอไทด์สองสามตัวที่ให้กลุ่มไฮดรอกซิลอิสระซึ่งโพลีเมอเรสสามารถยึดและเริ่มกิจกรรมได้.

นี่เป็นหนึ่งในความแตกต่างพื้นฐานระหว่าง DNA และ RNA พอลิเมอเรสเนื่องจากสิ่งหลังนี้มีความสามารถในการเริ่มต้นการสังเคราะห์โซ่ เดอโนโว.

ชิ้นส่วนของ Okazaki

คุณสมบัติแรกของ DNA polymerases ที่กล่าวถึงในหัวข้อก่อนหน้านี้เป็นภาวะแทรกซ้อนสำหรับการจำลองแบบเซมิคอนดักเตอร์ ในขณะที่ DNA ทั้งสองเส้นวิ่งไปในทางตรงข้ามหนึ่งในนั้นถูกสังเคราะห์ในแบบไม่ต่อเนื่อง (ซึ่งจะต้องถูกสังเคราะห์ในทิศทาง 3'5 ').

ในสายการที่ล่าช้าการสังเคราะห์ไม่ต่อเนื่องเกิดขึ้นโดยกิจกรรมปกติของโพลีเมอเรส 5'-3 'และชิ้นส่วนที่เกิด - รู้จักกันในวรรณคดีว่าชิ้นส่วน Okazaki - ถูกผูกไว้ด้วยเอนไซม์อื่น ligase.

ซ่อมแซมดีเอ็นเอ

DNA มีการสัมผัสกับปัจจัยต่าง ๆ ทั้งภายนอกและภายนอกซึ่งสามารถสร้างความเสียหายได้ ความเสียหายเหล่านี้สามารถป้องกันการจำลองและสะสมเพื่อให้มีผลต่อการแสดงออกของยีนสร้างปัญหาในกระบวนการเซลล์ที่หลากหลาย.

นอกเหนือจากบทบาทในกระบวนการจำลองดีเอ็นเอแล้วโพลีเมอเรสยังเป็นองค์ประกอบสำคัญของกลไกการซ่อมแซมดีเอ็นเอ พวกเขายังสามารถทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์ในวงจรเซลล์ที่ป้องกันไม่ให้เข้าสู่ขั้นตอนการแบ่งถ้า DNA ได้รับความเสียหาย.

โครงสร้าง

ในปัจจุบันจากการศึกษาเกี่ยวกับผลึกมันเป็นไปได้ที่จะอธิบายโครงสร้างของพอลิเมอร์ต่างๆ ตามลำดับหลักโพลิเมอร์จะถูกจัดกลุ่มเป็นตระกูล: A, B, C, X และ Y.

บางแง่มุมเป็นเรื่องธรรมดาสำหรับพอลิเมอร์ทั้งหมดโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับศูนย์ตัวเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์.

เหล่านี้รวมถึงไซต์ที่ใช้งานที่สำคัญสองแห่งที่มีไอออนของโลหะโดยมีสารตกค้างแอสพาเทตสองตัวและสารตกค้างที่แปรผันไม่ว่าจะเป็นแอสพาเทตหรือกลูตาเมต มีชุดของสารตกค้างที่มีประจุอีกชุดหนึ่งที่ล้อมรอบจุดศูนย์กลางตัวเร่งปฏิกิริยา.

ในโปรคาริโอต DNA polymerase I คือ 103 kd polypeptide, II เป็น polypeptide 88 kd และ III ประกอบด้วยสิบ subunits.

ในยูคาริโอตเอนไซม์มีขนาดใหญ่และซับซ้อนมากขึ้น: αประกอบด้วยห้าหน่วยβและγโดยหน่วยย่อย,, สองหน่วยย่อยและε 5.

การใช้งาน

ประเทศสาธารณรัฐประชาชนจีน

ปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (PRC) เป็นวิธีการที่ใช้ในห้องปฏิบัติการชีววิทยาโมเลกุลทุกแห่งด้วยประโยชน์และความเรียบง่าย วัตถุประสงค์ของวิธีนี้คือการขยายโมเลกุลดีเอ็นเอที่น่าสนใจอย่างหนาแน่น.

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้นักชีววิทยาใช้ DNA polymerase ที่ไม่ได้รับความเสียหายจากความร้อน (อุณหภูมิสูงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับกระบวนการนี้) เพื่อขยายโมเลกุล ผลลัพธ์ของกระบวนการนี้เป็นโมเลกุลดีเอ็นเอจำนวนมากที่สามารถนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน.

หนึ่งในสาธารณูปโภคทางคลินิกที่โดดเด่นที่สุดของเทคนิคคือการใช้ในการวินิจฉัยทางการแพทย์ PRC สามารถใช้ในการตรวจสอบสถานะของแบคทีเรียที่ทำให้เกิดโรคและไวรัสในผู้ป่วย.

ยาแก้อักเสบและยาต้าน

ยาเสพติดจำนวนมากมุ่งเป้าไปที่การตัดทอนกลไกของการจำลองดีเอ็นเอในสิ่งมีชีวิตที่ทำให้เกิดโรคไม่ว่าจะเป็นไวรัสหรือแบคทีเรีย.

ในบางส่วนเป้าหมายคือการยับยั้งกิจกรรมของ DNA polymerase ยกตัวอย่างเช่น cytarabine ยาเคมีบำบัดเรียกอีกอย่างว่า cytosine arabinoside ปิดการใช้งาน DNA polymerase.

การอ้างอิง

1. Alberts, B. , Bray, D. , Hopkin, K. , Johnson, A.D. , Lewis, J. , Raff, M. , ... & Walter, P. (2015). ชีววิทยาของเซลล์ที่สำคัญ. วิทยาศาสตร์พวงมาลัย.
2. Cann, I. K. , & Ishino, Y. (1999) การจำลองดีเอ็นเอ Archaeal: ระบุชิ้นส่วนเพื่อแก้ปริศนา. พันธุศาสตร์, 152(4), 1249-67.
3. Cooper, G. M. , & Hausman, R. E. (2004). เซลล์: วิธีโมเลกุล. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M. , & Bebenek, K. (2007) ฟังก์ชั่นหลากหลายของ DNA polymerases. บทวิจารณ์ที่สำคัญในสาขาวิทยาศาสตร์พืช, 26(2), 105-122.
5. Shcherbakova, P. V. , Bebenek, K. , & Kunkel, T. A. (2003) หน้าที่ของโพลิเมอร์ยูคาริโอต DNA. วิทยาศาสตร์ของ SAGE KE, 2003(8), 3.
6. Steitz, T. A. (1999) DNA polymerases: ความหลากหลายของโครงสร้างและกลไกทั่วไป. วารสารเคมีชีวภาพ, 274(25), 17395-17398.
7. Wu, S. , เครา, W. A. ​​, Pedersen, L. G. , & Wilson, S. H. (2013) การเปรียบเทียบโครงสร้างของสถาปัตยกรรมดีเอ็นเอพอลิเมอร์แสดงให้เห็นว่าเกตเวย์นิวคลีโอไทด์ไปยังไซต์แอคทีฟโพลิเมอร์. รีวิวเคมี, 114(5), 2759-74.