Jenis, fungsi dan struktur DNA polimerase



itu DNA polimerase adalah enzim yang bertanggung jawab untuk mengkatalisasi polimerisasi untai DNA baru selama replikasi molekul ini. Fungsi utamanya adalah untuk mencocokkan trifosfat deoksiribonukleotida dengan rantai templat. Ini juga berpartisipasi dalam perbaikan DNA.

Enzim ini memungkinkan kecocokan yang tepat antara basis DNA dari rantai cetakan dan yang baru, mengikuti skema A yang berpasangan dengan T, dan G dengan C.

Proses replikasi DNA harus efektif dan harus dilakukan dengan cepat, sehingga DNA polimerase bekerja dengan menambahkan sekitar 700 nukleotida per detik dan hanya membuat kesalahan setiap 109 atau 1010 nukleotida tertanam.

Ada berbagai jenis DNA polimerase. Ini bervariasi baik pada eukariota dan prokariota, dan masing-masing memiliki peran spesifik dalam replikasi dan perbaikan DNA..

Ada kemungkinan bahwa salah satu enzim pertama yang muncul dalam evolusi adalah polimerase, karena kemampuan untuk mereplikasi genom secara akurat adalah persyaratan intrinsik untuk pengembangan organisme..

Penemuan enzim ini dikaitkan dengan Arthur Kornberg dan rekan-rekannya. Peneliti ini mengidentifikasi DNA polimerase I (Pol I) pada tahun 1956, saat bekerja dengan Escherichia coli. Demikian pula, itu adalah Watson dan Crick yang mengusulkan bahwa enzim ini dapat menghasilkan salinan molekul DNA yang setia.

Indeks

  • 1 Jenis
    • 1.1 Prokariota
    • 1.2 Eukariota
    • 1.3 Lengkungan
  • 2 Fungsi: Replikasi dan perbaikan DNA
    • 2.1 Apa itu replikasi DNA?
    • 2.2 Reaksi
    • 2.3 Sifat DNA polimerase
    • 2.4 Fragmen dari Okazaki
    • 2,5 perbaikan DNA
  • 3 Struktur
  • 4 Aplikasi
    • 4.1 RRC
    • 4.2 Antibiotik dan obat antitumor
  • 5 Referensi

Jenis

Prokariota

Organisme prokariotik (organisme tanpa nukleus sejati, dibatasi oleh membran) memiliki tiga polimerase DNA utama, biasanya disingkat sebagai pol I, II dan III.

DNA polimerase I berpartisipasi dalam replikasi dan perbaikan DNA dan memiliki aktivitas exonuclease di kedua arah. Dianggap bahwa peran enzim ini dalam replikasi adalah sekunder.

II berpartisipasi dalam perbaikan DNA dan aktivitas exonuclease dalam arah 3'-5 '. III berpartisipasi dalam replikasi dan revisi DNA, dan seperti enzim sebelumnya, menyajikan aktivitas exonuclease dalam arah 3'-5 '.

Eukariota

Eukariota (organisme dengan nukleus sejati, dibatasi oleh membran) memiliki lima polimerase DNA, didenominasi dengan huruf-huruf alfabet Yunani: α, β, γ,, dan ε.

Γ polimerase terletak di mitokondria dan bertanggung jawab untuk replikasi materi genetik dalam organel seluler ini. Sebaliknya, empat lainnya ditemukan dalam inti sel dan terlibat dalam replikasi DNA nuklir.

Varian α, δ dan ε adalah yang paling aktif dalam proses pembelahan sel, menunjukkan bahwa fungsi utama mereka terkait dengan produksi salinan DNA..

DNA polimerase β, di sisi lain, menyajikan puncak aktivitas dalam sel yang tidak membelah, alasan mengapa diasumsikan bahwa fungsi utamanya dikaitkan dengan perbaikan DNA.

Percobaan yang berbeda telah dapat memverifikasi hipotesis bahwa mereka mengaitkan terutama polimerase α, δ dan ε dengan replikasi DNA. Jenis γ, δ dan ε menunjukkan aktivitas exonuclease 3'-5 '.

Lengkungan

Metode baru sekuensing telah berhasil mengidentifikasi sejumlah besar keluarga DNA polimerase. Di archaea, secara khusus, kami telah mengidentifikasi keluarga enzim, yang disebut keluarga D, yang unik untuk kelompok organisme ini.

Fungsi: Replikasi dan perbaikan DNA

Apa itu replikasi DNA?

DNA adalah molekul yang membawa semua informasi genetik suatu organisme. Ini terdiri dari gula, basa nitrogen (adenin, guanin, sitosin dan timin) dan gugus fosfat.

Selama proses pembelahan sel, yang terus-menerus terjadi, DNA harus disalin dengan cepat dan akurat - khususnya dalam fase S dari siklus sel. Proses ini di mana sel menyalin DNA dikenal sebagai replikasi.

Secara struktural, molekul DNA dibentuk oleh dua untai, membentuk heliks. Selama proses replikasi, ini dipisahkan dan masing-masing bertindak sebagai temper untuk pembentukan molekul baru. Dengan demikian, untaian baru berpindah ke sel anak dalam proses pembelahan sel.

Karena setiap untai marah, dikatakan bahwa replikasi DNA bersifat semikonservatif - pada akhir proses, molekul baru terdiri dari untai baru dan untai lama. Proses ini dijelaskan pada tahun 1958 oleh para peneliti Meselson dan Stahl, menggunakan isophotos.

Replikasi DNA membutuhkan serangkaian enzim yang mengkatalisasi proses. Di antara molekul protein ini, DNA polimerase menonjol.

Reaksi

Agar sintesis DNA dapat terjadi, diperlukan substrat yang diperlukan untuk proses ini: deoxyribonucleotide triphosphate (dNTP)

Mekanisme reaksi melibatkan serangan nukleofilik dari gugus hidroksil pada ujung 3 'dari untai yang tumbuh dalam alfa fosfat dNTP komplementer, menghilangkan pirofosfat. Langkah ini sangat penting, karena energi untuk polimerisasi berasal dari hidrolisis dNTP dan hasil pirofosfat..

Pol III atau alfa bergabung dengan yang pertama (lihat sifat polimerase) dan mulai menambahkan nukleotida. Epsilon memanjang rantai pemimpin, dan delta memanjang untai tertunda.

Sifat-sifat DNA polimerase

Semua DNA polimerase yang diketahui memiliki dua sifat penting yang terkait dengan proses replikasi.

Pertama, semua polimerase mensintesis untai DNA ke arah 5'-3 ', menambahkan dNTP ke grup hidroksil rantai yang tumbuh.

Kedua, DNA polimerase tidak dapat mulai mensintesis rantai baru dari ketiadaan. Mereka membutuhkan elemen tambahan yang dikenal sebagai primer atau primer, yang merupakan molekul yang dibentuk oleh beberapa nukleotida yang memberikan gugus hidroksil gratis, di mana polimerase dapat berlabuh dan memulai aktivitasnya..

Ini adalah salah satu perbedaan mendasar antara DNA dan RNA polimerase, karena yang terakhir mampu memulai sintesis rantai de novo.

Fragmen dari Okazaki

Properti pertama dari polimerase DNA yang disebutkan dalam bagian sebelumnya adalah komplikasi untuk replikasi semikonservatif. Ketika dua untai DNA berjalan dengan cara antiparalel, salah satunya disintesis secara terputus-putus (yang perlu disintesis dalam arah 3'-5 ').

Dalam untai tertunda, sintesis terputus terjadi melalui aktivitas normal polimerase, 5'-3 ', dan fragmen yang dihasilkan - yang dikenal dalam literatur sebagai fragmen Okazaki - terikat oleh enzim lain, ligase.

Perbaikan DNA

DNA secara konstan terpapar pada faktor-faktor, baik endogen maupun eksogen, yang dapat merusaknya. Kerusakan ini dapat memblokir replikasi dan menumpuk, sehingga mereka mempengaruhi ekspresi gen, menghasilkan masalah dalam beragam proses seluler.

Selain perannya dalam proses replikasi DNA, polimerase juga merupakan komponen kunci dari mekanisme perbaikan DNA. Mereka juga dapat bertindak sebagai sensor dalam siklus sel yang mencegah masuknya ke fase pembelahan jika DNA rusak.

Struktur

Saat ini, berkat studi kristalografi, telah dimungkinkan untuk menjelaskan struktur berbagai polimerase. Berdasarkan urutan utama mereka, polimerase dikelompokkan ke dalam keluarga: A, B, C, X dan Y.

Beberapa aspek umum untuk semua polimerase, terutama yang terkait dengan pusat katalitik enzim.

Ini termasuk dua situs aktif utama yang memiliki ion logam, dengan dua residu aspartat dan residu variabel - baik aspartat atau glutamat, yang mengoordinasikan logam. Ada serangkaian residu bermuatan lain yang mengelilingi pusat katalitik dan dilestarikan dalam polimerase yang berbeda.

Dalam prokariota, DNA polimerase I adalah polipeptida 103 kd, II polipeptida 88 kd dan III terdiri dari sepuluh subunit.

Dalam eukariota, enzim lebih besar dan lebih kompleks: α dibentuk oleh lima unit, β dan γ oleh subunit, δ oleh dua subunit, dan ε oleh 5..

Aplikasi

RRC

Reaksi rantai polimerase (PRC) adalah metode yang digunakan di semua laboratorium biologi molekuler, berkat kegunaan dan kesederhanaannya. Tujuan dari metode ini adalah untuk memperbesar secara masif molekul DNA yang diinginkan.

Untuk mencapai hal ini, ahli biologi menggunakan DNA polimerase yang tidak rusak oleh panas (suhu tinggi sangat diperlukan untuk proses ini) untuk memperkuat molekul. Hasil dari proses ini adalah sejumlah besar molekul DNA yang dapat digunakan untuk berbagai tujuan.

Salah satu utilitas klinis yang paling menonjol dari teknik ini adalah penggunaannya dalam diagnosis medis. RRC dapat digunakan untuk memeriksa keberadaan bakteri dan virus patogen pada pasien.

Antibiotik dan obat antitumor

Sejumlah besar obat ditujukan untuk memotong mekanisme replikasi DNA dalam organisme patogen, baik itu virus atau bakteri..

Dalam beberapa hal ini, targetnya adalah penghambatan aktivitas DNA polimerase. Misalnya, obat kemoterapi cytarabine, juga disebut cytosine arabinoside, menonaktifkan DNA polimerase.

Referensi

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... & Walter, P. (2015). Biologi sel esensial. Ilmu Garland.
  2. Cann, I. K., & Ishino, Y. (1999). Replikasi DNA Archaeal: mengidentifikasi potongan-potongan untuk memecahkan teka-teki. Genetika, 152(4), 1249-67.
  3. Cooper, G. M., & Hausman, R. E. (2004). Sel: Pendekatan molekuler. Medicinska naklada.
  4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Berbagai fungsi DNA polimerase. Ulasan kritis dalam ilmu tanaman, 26(2), 105-122.
  5. Shcherbakova, P. V., Bebenek, K., & Kunkel, T. A. (2003). Fungsi polimerase DNA eukariotik. KE SAGE Sains, 2003(8), 3.
  6. Steitz, T. A. (1999). DNA polimerase: keragaman struktural dan mekanisme umum. Jurnal Kimia Biologis, 274(25), 17395-17398.
  7. Wu, S., Beard, W. A., Pedersen, L. G., & Wilson, S. H. (2013). Perbandingan struktural arsitektur DNA polimerase menunjukkan gerbang nukleotida ke situs aktif polimerase. Ulasan kimia, 114(5), 2759-74.