DNA polimeraz: türleri, fonksiyonları ve yapısı
DNA polimeraz, bu molekülün replikasyonu sırasında yeni DNA zincirinin polimerizasyonunu katalize etmekten sorumlu olan bir enzimdir. Temel işlevi deoksiribonükleotit trifosfatları şablon zincirininkilerle eşleştirmektir. Aynı zamanda DNA onarımına da katılır.
Bu enzim, A ve T ile eşleşen A şemasını takip ederek kalıp zincirinin DNA bazları ile yenisi arasında doğru eşleşmeye izin verir.
DNA replikasyon işlemi etkili olmalı ve hızlı bir şekilde gerçekleştirilmelidir, bu nedenle DNA polimeraz saniyede yaklaşık 700 nükleotid ekleyerek etki eder ve sadece her 109 veya 1010 dahil nükleotitte bir hata yapar.
Farklı DNA polimeraz türleri vardır. Bunlar hem ökaryotlarda hem de prokaryotlarda değişiklik gösterir ve her birinin DNA replikasyonu ve onarımında özel bir rolü vardır.
Evrimde ortaya çıkan ilk enzimlerden birinin polimeraz olması olasıdır, çünkü genomu doğru bir şekilde çoğaltma kabiliyeti organizmaların gelişimi için içsel bir gereksinimdir.
Bu enzimin keşfi, Arthur Kornberg ve meslektaşlarına atfedilir. Bu araştırmacı, 1956'da Escherichia coli ile çalışırken DNA polimeraz I (Pol I) 'i tanımladı . Benzer şekilde, bu enzimin DNA molekülünün sadık kopyalarını üretebileceğini öneren Watson ve Crick idi.
tip
prokaryotlar
Prokaryotik organizmalar (bir zarla sınırlanmış gerçek bir çekirdeği olmayan organizmalar) genel olarak pol I, II ve III olarak kısaltılmış üç ana DNA polimerazına sahiptir.
DNA polimeraz I, DNA replikasyonu ve onarımına katılır ve her iki yönde de ekzonükleaz aktivitesine sahiptir. Bu enzimin replikasyondaki rolünün ikincil olduğu düşünülmektedir.
II, DNA onarımına katılır ve eksonükleaz aktivitesi, 3'-5'lerdedir. III, DNA'nın replikasyonuna ve revizyonuna katılır ve önceki enzim gibi, eksonükleaz aktivitesinin 3'-5'lerde olduğunu gösterir.
ökaryotik
Ökaryotlar (bir zarla sınırlanmış gerçek çekirdeği olan organizmalar), Yunan alfabesinin harfleri ile gösterilen beş DNA polimerazına sahiptir: α, β, γ, δ ve ε.
Γ Polimeraz mitokondride bulunur ve bu hücresel organeldeki genetik materyalin çoğaltılmasından sorumludur. Buna karşılık, diğer dördü hücre çekirdeğinde bulunur ve nükleer DNA replikasyonunda rol oynar.
Α, δ ve ε varyantları hücre bölünmesi sürecinde en aktif olanıdır, ana fonksiyonlarının DNA kopyalarının üretimi ile ilişkili olduğunu düşündürür.
Diğer yandan, DNA polimeraz β, bölünmeyen hücrelerde aktivite doruklarına sahiptir, bu nedenle ana fonksiyonunun DNA tamiri ile ilişkili olduğu varsayılmaktadır.
Farklı deneyler, esas olarak polimerazlar α, δ ve ε'yi DNA replikasyonu ile ilişkilendirdikleri hipotezini doğrulayabildi. Γ, δ ve ε tipleri 3'-5'likonükleaz aktivitesine sahiptir.
archaea
Yeni sıralama yöntemleri, çok çeşitli DNA polimeraz familyalarını tanımlamayı başardı. Özellikle archaeada, bu organizma grubuna özgü olan ve D ailesi adı verilen bir enzim ailesi tanımladık.
İşlevler: DNA replikasyonu ve onarımı
DNA replikasyonu nedir?
DNA, bir organizmanın tüm genetik bilgisini taşıyan moleküldür. Bir şeker, azotlu bir baz (adenin, guanin, sitozin ve timin) ve bir fosfat grubundan oluşur.
Sürekli olarak gerçekleşen hücre bölünmesi işlemleri sırasında DNA, özellikle hücre döngüsünün S aşamasında, hızlı ve doğru bir şekilde kopyalanmalıdır. Hücrenin DNA'yı kopyaladığı bu işlem replikasyon olarak bilinir.
Yapısal olarak, DNA molekülü iki sarmaldan oluşur ve bir sarmal oluşturur. Replikasyon işlemi sırasında bunlar ayrılır ve her biri yeni bir molekülün oluşumu için bir öfke görevi görür. Böylece, yeni teller hücre bölünmesi sürecinde yan hücrelere geçer.
Her bir iplik temperlendiğinden, DNA replikasyonunun yarı koruyucu olduğu söylenir - işlemin sonunda, yeni molekül yeni bir iplikçik ve eski bir iplikçikten oluşur. Bu işlem 1958 yılında araştırmacılar Meselson ve Stahl tarafından izotoplar kullanılarak tanımlanmıştır.
DNA replikasyonu, süreci katalize eden bir dizi enzim gerektirir. Bu protein molekülleri arasında, DNA polimeraz öne çıkıyor.
reaksiyon
DNA sentezinin gerçekleşmesi için işlem için gerekli substratlar gereklidir: deoksiribonükleotit trifosfatlar (dNTP)
Reaksiyonun mekanizması, bir pirofosfatın ortadan kaldırılması için tamamlayıcı dNTP'nin alfa fosfatında büyüyen iplikçinin 3'ucundaki hidroksil grubunun bir nükleofilik saldırısını içerir. Bu aşama çok önemlidir, çünkü polimerizasyon enerjisi dNTP'lerin hidrolizinden ve sonuçta ortaya çıkan pirofosfattan gelir.
Pol III veya alfa ilkine katılır (polimerazların özelliklerine bakınız) ve nükleotidleri eklemeye başlar. Epsilon, lider zinciri uzatır ve delta, geciken ipliği uzatır.
DNA polimerazların özellikleri
Bilinen tüm DNA polimerazları, çoğaltma işlemiyle ilişkili iki temel özelliği paylaşır.
İlk olarak, tüm polimerazlar, DNA zincirini 5'-3'dir, sentezleyerek dNTP'leri, büyüyen zincirin hidroksil grubuna eklerler.
İkincisi, DNA polimerazları hiçbir şeyden yeni bir zincir sentezlemeye başlayamazlar. Polimerazın kenetlenebileceği ve aktivitesini başlatabildiği serbest bir hidroksil grubu veren birkaç nükleotitin oluşturduğu bir molekül olan primer veya primer olarak bilinen ek bir elemana ihtiyaç duyarlar.
Bu, DNA ve RNA polimerazları arasındaki temel farklardan biridir, çünkü ikincisi bir de novo zincirinin sentezini başlatabilir .
Okazaki'nin parçaları
Önceki bölümde belirtilen DNA polimerazlarının ilk özelliği, yarı-ikame edici replikasyon için bir komplikasyondur. İki DNA zinciri antiparalel bir şekilde çalıştığından, bunlardan biri süreksiz bir şekilde sentezlenir (ki bu, 3'-5'ense sentezlenmesi gerekir).
Gecikmiş telde, süreksiz sentez polimerazın normal aktivitesi olan 5'-3 've literatürde Okazaki fragmanları olarak bilinen sonuçta ortaya çıkan fragmanlar başka bir enzim ligaz ile bağlanır.
DNA onarımı
DNA sürekli olarak hem iç hem de dış kaynaklı etkenlere zarar verebilir. Bu hasarlar çoğalmayı bloke edebilir ve biriktirebilir, böylece genlerin ekspresyonunu etkileyerek çeşitli hücresel işlemlerde sorunlara neden olabilir.
DNA replikasyon işlemindeki rolüne ek olarak, polimeraz, DNA tamir mekanizmalarının da kilit bir bileşenidir. Ayrıca, DNA hasar gördüğünde hücre döngüsünde bölme aşamasına girişi önleyen sensörler olarak da hareket edebilirler.
yapı
Günümüzde, kristalografi çalışmaları sayesinde, çeşitli polimerazların yapılarını aydınlatmak mümkün olmuştur. Primer sekanslarına dayanarak, polimerazlar ailelere ayrılır: A, B, C, X ve Y.
Bazı yönler, özellikle enzimin katalitik merkezleriyle ilgili olanlar olmak üzere, tüm polimerazlarda ortaktır.
Bunlar, iki aspartat tortusu ve değişken bir tortu içeren metal iyonlarına sahip iki anahtar aktif bölgeyi ve metalleri koordine eden aspartat veya glutamatı içerir. Katalitik merkezi çevreleyen ve farklı polimerazlarda korunan başka bir yüklü artık serisi vardır.
Prokaryotlarda, DNA polimeraz I bir 103 kd polipeptittir, II bir 88 kd polipeptittir ve III on alt üniteye sahiptir.
Ökaryotlarda, enzimler daha büyük ve daha karmaşıktır: α, beş birim, β ve a bir alt birim tarafından, two iki alt birim tarafından ve ε, 5 tarafından oluşturulur.
uygulamaları
PRC
Polimeraz zincir reaksiyonu (PRC), kullanımı ve basitliği sayesinde, tüm moleküler biyoloji laboratuvarlarında kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemin amacı ilgilenilen bir DNA molekülünü toplu olarak büyütmektir.
Bunu başarmak için, biyologlar molekülü yükseltmek için ısıdan zarar görmeyen bir DNA polimeraz kullanır (bu işlem için yüksek sıcaklıklar kaçınılmazdır). Bu işlemin sonucu, farklı amaçlar için kullanılabilecek çok sayıda DNA molekülüdür.
Tekniğin en göze çarpan klinik faydalarından biri tıbbi tanıda kullanımıdır. PRC, hastalarda patojenik bakteri ve virüslerin varlığını kontrol etmek için kullanılabilir.
Antibiyotikler ve antitümör ilaçlar
Önemli bir sayıda ilaç, bir virüs veya bakteri olsun, patojenik organizmada DNA replikasyon mekanizmalarını kesmeyi amaçlar.
Bazılarında hedef, DNA polimeraz aktivitesinin inhibisyonudur. Örneğin, sitozin arabinosid olarak da adlandırılan kemoterapötik ilaç sitarabin, DNA polimerazı devre dışı bırakır.