NUCLEAZE: CARACTERISTICI, STRUCTURĂ, TIPURI ȘI FUNCȚII - BIOLOGIE - 2025

Cele nucleaze sunt enzime care sunt responsabile pentru acizii nucleici de degradare. Acestea fac acest lucru prin hidroliza legăturilor de fosfodiester care țin nucleotidele împreună. Din acest motiv, ele sunt cunoscute și în literatura de specialitate sub numele de fosfodiesteraze. Aceste enzime se găsesc în aproape toate entitățile biologice și joacă roluri fundamentale în replicarea ADN, repararea și alte procese.

În general, îi putem clasifica în funcție de tipul de acizi nucleici pe care îi despică: nucleazele al căror substrat este ARN se numesc ribonucleaze, iar cele ale ADN-ului sunt cunoscute sub numele de dezoxiribonucleaze. Există unele nespecifice capabile să degradeze atât ADN-ul cât și ARN-ul.

Legătură fosfodiester. Sursa: Xvazquez

O altă clasificare utilizată pe scară largă depinde de acțiunea enzimei. Dacă își face treaba progresiv, începând de la capetele lanțului de acid nucleic, ele sunt numite exonucleaze. În schimb, dacă ruperea are loc într-un punct din interiorul lanțului, ele sunt numite endonucleaze.

În prezent, anumite endonucleaze sunt utilizate pe scară largă în tehnologia ADN recombinantă în laboratoarele de biologie moleculară. Acestea sunt instrumente de neprețuit pentru manipularea experimentală a acizilor nucleici.

caracteristici

Nucleazele sunt molecule biologice de natură proteică și cu activitate enzimatică. Sunt capabili să hidrolizeze legăturile care se unesc cu nucleotide în acizii nucleici.

Aceștia acționează printr-o cataliză acido-bazică generală. Această reacție poate fi împărțită în trei etape fundamentale: atac nucleofil, formarea unui intermediar încărcat negativ și, ca o etapă finală, ruperea legăturii.

Există un tip de enzimă numită polimeraze, responsabilă de catalizarea sintezei atât a ADN-ului (în replicare) cât și a ARN-ului (în transcriere). Unele tipuri de polimeraze prezintă activitate nucleazică. Ca și polimerazele, alte enzime înrudite prezintă, de asemenea, această activitate.

Structura

Nucleazele sunt un set extrem de eterogen de enzime, unde există o relație mică între structura lor și mecanismul de acțiune. Cu alte cuvinte, există o variație drastică între structura acestor enzime, deci nu putem menționa nicio structură comună tuturor.

Tipuri

Există mai multe tipuri de nucleaze și, de asemenea, diferite sisteme pentru a le clasifica. În acest articol, vom discuta despre două sisteme principale de clasificare: în funcție de tipul de acid nucleic pe care îl degradează și în funcție de felul în care este atacată enzima.

Dacă cititorul este interesat, poate căuta o a treia clasificare mai amplă, bazată pe funcția fiecărei nuclează (vezi Yang, 2011).

Este necesar să menționăm că nucleazele există și în aceste sisteme enzimatice care nu sunt specifice substratului lor și pot degrada ambele tipuri de acizi nucleici.

În funcție de specificul substratului utilizat

Există două tipuri de acizi nucleici care sunt practic omniprezente pentru ființele organice: acidul dezoxiribonucleic sau ADN și acidul ribonucleic, ARN. Enzimele specifice care degradează ADN-ul se numesc dezoxiribonucleaze, iar ARN, ribonucleaze.

Conform formei de atac

Dacă lanțul de acid nucleic este atacat endolitic, adică în regiunile interne ale lanțului, enzima se numește endonuclează. Atacul alternativ are loc treptat la un capăt al lanțului, iar enzimele care îl desfășoară sunt exonucleaze. Acțiunea fiecărei enzime are drept consecințe diferite.

Deoarece exonucleazele separă pas cu pas nucleotidele, efectele asupra substratului nu sunt foarte drastice. Dimpotrivă, acțiunea endonucleazelor este mai accentuată, deoarece acestea pot cliva lanțul în diferite puncte. Acesta din urmă poate schimba chiar vâscozitatea soluției de ADN.

Exonucleazele au fost elemente cruciale în elucidarea naturii legăturii care a ținut nucleotidele împreună.

Specificitatea locului de clivaj al endonucleazei variază. Există unele tipuri (cum ar fi enzima dezoxiribonuclează I) care pot fi tăiate la locurile nespecifice, generând tăieri relativ aleatorii în ceea ce privește secvența.

În schimb, avem endonucleaze foarte specifice care se taie doar la anumite secvențe. Vom explica mai târziu modul în care biologii moleculari profită de această proprietate.

Există unele nucleaze care pot acționa atât ca endo, cât și ca exonucleaze. Un exemplu în acest sens este așa-numita nuclează microconică.

Caracteristici

Nucleazele catalizează o serie de reacții esențiale pentru viață. Activitatea nucleazei este un element esențial al replicării ADN-ului, deoarece ajută la eliminarea primerului sau primerului și participă la corectarea erorilor.

În acest fel, două procese la fel de relevante precum recombinarea și repararea ADN sunt mediate de nucleaze.

De asemenea, contribuie la generarea de modificări structurale în ADN, cum ar fi topoizomerizarea și recombinarea specifică sitului. Pentru ca toate aceste procese să aibă loc, este necesară o rupere temporară a legăturii fosfodiester, efectuată de nucleaze.

În ARN, nucleazele participă, de asemenea, la procesele fundamentale. De exemplu, la maturizarea mesagerului și la procesarea ARN-urilor interferențe. În același mod, sunt implicați în procesele de moarte celulară programată sau apoptoză.

În organismele unicelulare, nucleazele reprezintă un sistem de apărare care le permite să digere ADN-ul străin care intră în celulă.

Aplicații: enzime de restricție

Biologii moleculari profită de specificul anumitor nucleaze numite nucleaze de restricție specifice. Biologii au observat că bacteriile au fost capabile să digere ADN-ul străin care a fost introdus prin tehnici în laborator.

Săpând mai adânc în acest fenomen, oamenii de știință au descoperit nucleaze de restricție - enzime care taie ADN-ul la anumite secvențe de nucleotide. Sunt un fel de „foarfece moleculare” și le găsim produse pentru vânzare.

ADN-ul bacteriilor este „imun” la acest mecanism, deoarece este protejat de modificări chimice în secvențele care promovează degradarea. Fiecare specie și tulpină de bacterii are nucleazele sale specifice.

Aceste molecule sunt foarte utile, deoarece se asigură că tăierea se va face întotdeauna în același loc (între 4 și 8 nucleotide în lungime). Sunt aplicate în tehnologia ADN recombinantă.

Alternativ, în unele proceduri de rutină (cum ar fi PCR), prezența nucleazelor afectează negativ procesul, deoarece acestea digerează materialul care trebuie analizat. Din acest motiv, în unele cazuri este necesar să se aplice inhibitori ai acestor enzime.

Referințe

1. Brown, T. (2011). Introducere în genetică: o abordare moleculară. Garland Science.
2. Davidson, J., & Adams, RLP (1980). Biochimia acizilor nucleici de la Davidson. Am inversat.
3. Nishino, T., & Morikawa, K. (2002). Structura și funcția nucleazelor în repararea ADN-ului: forma, prinderea și lama foarfecelor ADN. Oncogene, 21 (58), 9022.
4. Stoddard, BL (2005). Structura și funcționarea endonucleazei de acasă. Recenzii trimestriale de biofizică, 38 (1), 49-95.
5. Yang, W. (2011). Nucleaze: diversitate de structură, funcție și mecanism. Recenzii trimestriale de biofizică, 44 (1), 1-93.