ADN POLIMERAZA: TIPURI, FUNCȚIE ȘI STRUCTURĂ - BIOLOGIE - 2025

ADN polimeraza este o enzimă care este responsabilă pentru cataliza polimerizarea noii catene de ADN în timpul replicării acestei molecule. Funcția sa principală este de a asocia dezoxiribonucleotidele trifosfat cu cele ale lanțului șablon. De asemenea, este implicat în repararea ADN-ului.

Această enzimă permite asocierea corectă între bazele ADN ale lanțului șablon și noua, urmând schema perechilor A cu T și G cu C.

Structura ADN-polimerazei beta la om.
Sursa: Yikrazuul, de la Wikimedia Commons

Procesul de replicare a ADN-ului trebuie să fie eficient și trebuie efectuat rapid, astfel încât ADN-polimeraza funcționează adăugând aproximativ 700 de nucleotide pe secundă și face doar o greșeală la fiecare 10 ⁹ sau 10 ¹⁰ 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 să apară în evoluție să fie polimerazele, deoarece capacitatea de a reproduce cu precizie genomul este o cerință intrinsecă pentru dezvoltarea organismelor.

Descoperirea acestei enzime este creditată 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 producă copii fidele ale moleculei de ADN.

Tipuri

Procariotele

Organismele procariote (organisme fără un nucleu adevărat, delimitate de o membrană) posedă trei ADN polimeraze principale, prescurtate în mod obișnuit ca pol I, II și III.

ADN-polimeraza I participă la replicarea și repararea ADN-ului și are activitate exonuclează în ambele direcții. Rolul acestei enzime în replicare este considerat a fi secundar.

II participă la repararea ADN-ului și activitatea exonucleazei sale este în sensul 3'-5 '. III participă la replicarea și revizuirea ADN-ului și, la fel ca enzima anterioară, prezintă activitate exonucleazică în sensul 3'-5 '.

eucariotele

Eucariote (organisme cu un nucleu adevărat, delimitate de o membrană) au cinci ADN polimeraze, numite cu litere ale alfabetului grec: α, β, γ, δ și ε.

Polimeraza γ este localizată în mitocondrii și este responsabilă pentru replicarea materialului genetic în acest organel celular. În schimb, 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 diviziunii celulare, ceea ce sugerează că funcția lor principală este asociată cu producerea de copii ADN.

ADN-polimeraza β, din partea sa, prezintă vârfuri de activitate în celule care nu se divid, astfel încât se presupune că funcția sa principală este asociată cu repararea ADN-ului.

Diferite experimente au reușit să verifice ipoteza că, în mare parte, asociază polimerazele α, δ și ε cu replicarea ADN-ului. Tipurile γ, δ și ε prezintă activitate exonucleazei 3'-5 '.

Arches

Noile metode de secvențare au reușit să identifice o mare varietate de familii de ADN-polimerază. În arhaea, în mod specific, a fost identificată 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. Este alcătuit dintr-un zahăr, o bază azotată (adenină, guanină, citozină și timină) și o grupare fosfați.

În timpul proceselor de diviziune celulară, care apar constant, ADN-ul trebuie copiat rapid și precis - în special în faza S a ciclului celular. Acest proces în care celula copiază ADN-ul este cunoscută sub numele de replicare.

Structural, molecula de ADN este formată din două șuvițe, formând o helix. În timpul procesului de replicare, acestea se separă și fiecare acționează ca un șablon pentru formarea unei noi molecule. Astfel, noile șiruri trec la celulele fiice în procesul diviziunii celulare.

Deoarece fiecare șir servește ca șablon, replicarea ADN-ului este semiconservatoare - la sfârșitul procesului, noua moleculă constă dintr-o nouă și o veche catenă. Acest proces a fost descris în 1958 de cercetătorii Meselson și Stahl, folosind izopote.

Replicarea ADN necesită o serie de enzime care catalizează procesul. Printre aceste molecule de proteine, iese în evidență ADN polimeraza.

Reacţie

Pentru ca sinteza ADN să aibă loc, sunt necesare substraturile necesare procesului: dezoxiribonucleotid trifosfat (dNTP)

Mecanismul de reacție implică un atac nucleofil al grupării hidroxil la capătul 3 'al catenei de creștere a fosfatului alfa a dNTP-urilor complementare, eliminând un pirofosfat. Această etapă este foarte importantă, deoarece energia pentru polimerizare provine din hidroliza dNTP-urilor și a pirofosfatului rezultat.

Pol III sau alfa se leagă de primer (vezi proprietățile polimerazelor) și începe să adauge nucleotide. Epsilon alungă lanțul de plumb, iar delta alungește șuvița retardată.

Proprietățile ADN polimerazelor

Toate ADN polimerazele cunoscute au două proprietăți esențiale asociate procesului de replicare.

În primul rând, toate polimerazele sintetizează catena ADN în direcția 5'-3 ', adăugând dNTP-urile la grupa hidroxil a lanțului în creștere.

În al doilea rând, ADN polimerazele nu pot începe să sintetizeze de la zero o nouă linie. Ei au nevoie de un element suplimentar cunoscut sub denumirea de primer sau primer, care este o moleculă formată din câteva nucleotide care oferă o grupare hidroxil liberă, în care polimeraza poate să se ancoreze și să își înceapă activitatea.

Aceasta este una dintre diferențele fundamentale între ADN și ARN polimeraze, deoarece acesta din urmă este capabil să inițieze sinteza unui lanț de novo.

Fragmente de Okazaki

Prima proprietate a ADN polimerazelor menționate în secțiunea anterioară reprezintă o complicație pentru replicarea semiconservativă. Deoarece cele două catene de ADN rulează antiparalel, una dintre ele este sintetizată în mod discontinuu (cea care ar trebui să fie sintetizată în sensul 3'-5 ').

În catena întârziată, sinteza discontinuă are loc prin activitatea normală a polimerazei, 5'-3 ', iar fragmentele rezultate - cunoscute în literatura de specialitate sub denumirea de fragmente Okazaki - sunt legate de o altă enzimă, ligază.

Repararea ADN-ului

ADN-ul este expus constant la factori, atât endogeni cât și exogeni, care îl pot deteriora. Aceste pagube pot bloca replicarea și acumularea, afectând expresia genelor, provocând 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. De asemenea, pot acționa ca senzori în ciclul celular care împiedică intrarea în faza de divizare dacă ADN-ul este deteriorat.

Structura

În prezent, datorită studiilor de cristalografie, structurile diferitelor polimeraze au fost elucidate. Pe baza secvenței lor primare, polimerazele sunt grupate în familii: A, B, C, X și Y.

Unele aspecte sunt comune tuturor polimerazelor, în special celor legate de centrele catalitice ale enzimei.

Acestea includ două situri active cheie care posedă ioni metalici, cu două reziduuri 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 diferitele polimeraze.

În procariote, ADN polimeraza I este o polipeptidă de 103 kd, II este o polipeptidă de 88 kd și III este formată din zece subunități.

În eucariote, enzimele sunt mai mari și mai complexe: α constă din cinci unități, β și γ dintr-o subunitate, δ din două subunități și ε din 5.

Aplicații

RPC

Reacția în lanț a polimerazei (PRC) este o metodă folosită în toate laboratoarele de biologie moleculară, datorită utilității și simplității sale. Scopul acestei metode este de a amplifica masiv o moleculă de ADN de interes.

Pentru a realiza acest lucru, biologii folosesc o ADN polimerază care nu este deteriorată de căldură (temperaturile ridicate sunt esențiale pentru acest proces) pentru a amplifica molecula. Rezultatul acestui proces este un număr mare de molecule de ADN care pot fi utilizate în diferite scopuri.

Una dintre cele mai remarcabile utilități clinice ale tehnicii este utilizarea ei în diagnosticul medical. RPC poate fi utilizat pentru a verifica pacienții dacă există bacterii patogene și viruși.

Antibiotice și antitumoare

Un număr semnificativ de medicamente vizează trunchierea mecanismelor de replicare a ADN-ului în organismul patogen, fie că este vorba despre un virus sau o bacterie.

În unele dintre acestea, ținta este inhibarea activității ADN-polimerazei. De exemplu, cytarabina medicamentului chimioterapeutic, numită și arabinosid de citozină, dezactivează ADN-polimeraza.

Referințe

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … și Walter, P. (2015). Biologia celulară esențială. Garland Science.
2. Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Replicarea ADN-ului arheal: identificarea pieselor pentru rezolvarea unui puzzle. Genetică, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). Celula: abord molecular. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Funcții multiple ale ADN-polimerazelor. Recenzii critice în științele plantelor, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Funcțiile ADN polimerazelor eucariote. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). ADN polimeraze: diversitate structurală și mecanisme comune. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG și & Wilson, SH (2013). Comparația structurală a arhitecturii ADN-polimerazei sugerează o poartă nucleotidă la situsul activ al polimerazei. Recenzii chimice, 114 (5), 2759-74.