DNA POLIMERAZ: TÜRLERI, IŞLEVI VE YAPISI - BIYOLOJI - 2025

DNA polimeraz , bu molekülün, çoğaltma sırasında yeni DNA iplikçiği polimerizasyonunu katalize etmek için sorumlu olan bir enzimdir. Ana işlevi, trifosfat deoksiribonükleotitleri şablon zincirinkilerle eşleştirmektir. Aynı zamanda DNA onarımında da rol oynar.

Bu enzim, şablon zincirinin DNA bazları ile yenisi arasında, T ile A çiftleri ve C ile G'nin şemasını takip ederek doğru eşleşmeye izin verir.

İnsanlarda DNA polimeraz beta yapısı.
Kaynak: Yikrazuul, Wikimedia Commons'tan

DNA replikasyon işlemi etkili olması gerekir ve DNA saniyede 700 nükleotid ilgili ekleyerek çalışır Polimeraz ve sadece bir hata, her 10 hale getirir, böylece, hızla gerçekleştirilmelidir ⁹ ya da 10 ¹⁰ dahil nükleotid.

Farklı DNA polimeraz türleri vardır. Bunlar hem ökaryotlarda hem de prokaryotlarda değişir ve her birinin DNA replikasyonu ve onarımında belirli bir rolü vardır.

Evrimde ortaya çıkan ilk enzimlerden birinin polimeraz olması mümkündür, çünkü genomu kesin olarak kopyalayabilme yeteneği, organizmaların gelişimi için içsel bir gereksinimdir.

Bu enzimin keşfi Arthur Kornberg ve meslektaşlarına borçludur. Bu araştırmacı, Escherichia coli ile çalışırken 1956'da DNA polimeraz I'i (Pol I) tanımladı. Benzer şekilde, bu enzimin DNA molekülünün aslına uygun kopyalarını üretebileceğini öne süren Watson ve Crick'ti.

Türleri

Prokaryotlar

Prokaryotik organizmalar (gerçek bir çekirdeği olmayan, bir zarla bağlanan organizmalar), genellikle pol I, II ve III olarak kısaltılan üç ana DNA polimeraza sahiptir.

DNA polimeraz I, DNA replikasyonuna ve onarımına katılır ve her iki yönde eksonükleaz aktivitesine sahiptir. Bu enzimin replikasyondaki rolü ikincil olarak kabul edilir.

II, DNA onarımına katılır ve eksonükleaz aktivitesi 3'-5 'anlamındadır. III, DNA'nın replikasyonuna ve revizyonuna katılır ve önceki enzim gibi, 3'-5 'anlamında eksonükleaz aktivitesi sergiler.

Ökaryotlar

Ökaryotlar (bir zar ile sınırlandırılmış gerçek bir çekirdeğe sahip organizmalar), Yunan alfabesinin harfleriyle adlandırılan beş DNA polimeraza sahiptir: α, β, γ, δ ve ε.

Polimeraz γ mitokondride bulunur ve bu hücre organelindeki genetik materyalin kopyalanmasından sorumludur. Buna karşılık, diğer dördü hücrelerin çekirdeğinde bulunur ve nükleer DNA replikasyonunda rol oynar.

Α, δ ve ε varyantları, hücre bölünmesi sürecinde en aktif olanlardır ve ana işlevlerinin DNA kopyalarının üretimi ile ilişkili olduğunu göstermektedir.

DNA polimeraz β, bölünmeyen hücrelerde aktivite zirveleri sergiler, bu nedenle ana işlevinin DNA onarımı ile ilişkili olduğu varsayılır.

Farklı deneyler, çoğunlukla α, δ ve ε polimerazları DNA replikasyonu ile ilişkilendirdikleri hipotezini doğrulayabilmiştir. Γ, δ ve ε tipleri 3'-5 'eksonükleaz aktivitesini gösterir.

kemerler

Yeni dizileme yöntemleri çok çeşitli DNA polimeraz ailelerini tanımlamada başarılı olmuştur. Archaea'da, özellikle D ailesi adı verilen ve bu organizma grubuna özgü bir enzim ailesi tanımlanmıştır.

Fonksiyonlar: DNA replikasyonu ve onarımı

DNA replikasyonu nedir?

DNA, bir organizmanın tüm genetik bilgilerini taşıyan moleküldür. Şeker, azotlu bir baz (adenin, guanin, sitozin ve timin) ve bir fosfat grubundan oluşur.

Sürekli meydana gelen hücre bölünmesi süreçleri sırasında, DNA'nın hızlı ve doğru bir şekilde kopyalanması gerekir - özellikle hücre döngüsünün S fazında. Hücrenin DNA'yı kopyaladığı bu işlem, replikasyon olarak bilinir.

Yapısal olarak, DNA molekülü bir sarmal oluşturan iki sarmaldan oluşur. Çoğaltma işlemi sırasında bunlar ayrıdır ve her biri yeni bir molekül oluşumu için bir şablon görevi görür. Böylece yeni iplikler hücre bölünmesi sürecinde yavru hücrelere geçer.

Her bir iplik bir şablon görevi gördüğünden, DNA replikasyonunun yarı koruyucu olduğu söylenir - sürecin sonunda, yeni molekül yeni ve eski bir iplikten oluşur. Bu süreç 1958'de araştırmacılar Meselson ve Stahl tarafından izopotlar kullanılarak tanımlandı.

DNA replikasyonu, süreci katalize eden bir dizi enzim gerektirir. Bu protein molekülleri arasında DNA polimeraz öne çıkmaktadır.

Reaksiyon

DNA sentezinin gerçekleşmesi için işlem için gerekli substratlar gereklidir: deoksiribonükleotid trifosfat (dNTP)

Reaksiyon mekanizması, büyüyen ipliğin 3 'ucundaki hidroksil grubunun tamamlayıcı dNTP'lerin alfa fosfatı üzerindeki bir nükleofilik saldırısını içerir ve bir pirofosfatı ortadan kaldırır. Polimerizasyon için enerji dNTP'lerin hidrolizinden ve sonuçta ortaya çıkan pirofosfattan geldiğinden, bu adım çok önemlidir.

Pol III veya alfa, primere bağlanır (bkz. Polimerazların özellikleri) ve nükleotidler eklemeye başlar. Epsilon, kurşun zinciri uzatır ve delta, geciktirilmiş ipliği uzatır.

DNA polimerazların özellikleri

Bilinen tüm DNA polimerazlar, replikasyon işlemiyle ilişkili iki temel özelliği paylaşır.

İlk olarak, tüm polimerazlar DNA zincirini 5'-3 'yönünde sentezler ve dNTP'leri büyüyen zincirin hidroksil grubuna ekler.

İkinci olarak, DNA polimerazlar yeni bir ipliği sıfırdan sentezlemeye başlayamazlar. Polimerazın sabitlenip aktivitesine başlayabildiği, serbest bir hidroksil grubu sağlayan birkaç nükleotidden oluşan bir molekül olan, primer veya primer olarak bilinen ek bir elemente ihtiyaçları vardır.

Bu, DNA ve RNA polimerazları arasındaki temel farklardan biridir, çünkü ikincisi bir de novo zincirinin sentezini başlatabilir.

Okazaki parçaları

Önceki bölümde bahsedilen DNA polimerazların birinci özelliği, yarı-konservatif replikasyon için bir komplikasyonu temsil eder. İki DNA zinciri antiparalel olarak çalıştıkça, bunlardan biri süreksiz olarak sentezlenir (3'-5 'anlamında sentezlenmesi gereken).

Gecikmiş iplikçikte, sürekli olmayan sentez, polimerazın normal aktivitesi olan 5'-3 'ile meydana gelir ve elde edilen fragmanlar - literatürde Okazaki fragmanları olarak bilinir - başka bir enzim olan ligaz ile bağlanır.

DNA onarımı

DNA, kendisine zarar verebilecek hem endojen hem de eksojen faktörlere sürekli olarak maruz kalır. Bu hasarlar çoğalmayı engelleyebilir ve birikerek genlerin ifadesini etkileyerek çeşitli hücresel işlemlerde sorunlara neden olabilir.

DNA replikasyon sürecindeki rolüne ek olarak, polimeraz aynı zamanda DNA onarım mekanizmalarının önemli bir bileşenidir. Ayrıca, hücre döngüsünde DNA hasar görürse bölünme aşamasına girişi engelleyen sensörler olarak da hareket edebilirler.

yapı

Halen, kristalografi çalışmaları sayesinde, çeşitli polimerazların yapıları aydınlatılmıştır. Polimerazlar birincil dizilerine göre ailelere ayrılır: A, B, C, X ve Y.

Bazı yönler tüm polimerazlar için ortaktır, özellikle enzimin katalitik merkezleri ile ilgili olanlar.

Bunlar, metal iyonları, iki aspartat tortusu ve bir değişken tortuyla - metalleri koordine eden aspartat veya glutamat içeren iki kilit aktif bölgeyi içerir. Katalitik merkezi çevreleyen ve farklı polimerazlarda korunan başka bir dizi yüklü kalıntı vardır.

Prokaryotlarda DNA polimeraz I, 103 kd'lik bir polipeptittir, II, 88 kd'lik bir polipeptittir ve III, on alt birimden oluşur.

Ökaryotlarda enzimler daha büyük ve daha karmaşıktır: α beş birimden oluşur; β ve γ bir alt birim, δ iki alt birim ve ε 5.

Uygulamalar

PRC

Polimeraz zincir reaksiyonu (PRC), kullanışlılığı ve basitliği sayesinde tüm moleküler biyoloji laboratuvarlarında kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemin amacı, ilgilenilen bir DNA molekülünü büyük ölçüde büyütmektir.

Bunu başarmak için biyologlar, molekülü büyütmek için ısıdan zarar görmeyen (bu işlem için yüksek sıcaklıklar gereklidir) bir DNA polimeraz kullanırlar. Bu işlemin sonucu, farklı amaçlarla kullanılabilen çok sayıda DNA molekülüdür.

Tekniğin en önemli klinik faydalarından biri tıbbi teşhiste kullanılmasıdır. PRC, hastaları patojenik bakteri ve virüslere karşı kontrol etmek için kullanılabilir.

Antibiyotikler ve antitümör ilaçlar

Önemli sayıda ilaç, ister virüs ister bakteri olsun, patojenik organizmada DNA replikasyon mekanizmalarını kesmeyi amaçlamaktadır.

Bunların bazılarında hedef, DNA polimeraz aktivitesinin inhibisyonudur. Örneğin, sitozin arabinozid olarak da adlandırılan kemoterapötik ilaç sitarabin, DNA polimerazı devre dışı bırakır.

Referanslar

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Temel hücre biyolojisi. Garland Bilimi.
2. Cann, IK ve Ishino, Y. (1999). Archaeal DNA replikasyonu: bir bulmacayı çözmek için parçaları tanımlama. Genetik, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM ve Hausman, RE (2004). Hücre: Moleküler yaklaşım. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M. ve Bebenek, K. (2007). DNA polimerazların çoklu fonksiyonları. Bitki bilimlerindeki eleştirel incelemeler, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K. ve Kunkel, TA (2003). Ökaryotik DNA polimerazların işlevleri. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA polimerazlar: yapısal çeşitlilik ve ortak mekanizmalar. Biyolojik Kimya Dergisi, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG ve Wilson, SH (2013). DNA polimeraz mimarisinin yapısal karşılaştırması, polimeraz aktif bölgeye bir nükleotid ağ geçidi önerir. Chemical Reviews, 114 (5), 2759-74.