DNA POLYMERASE: ประเภทหน้าที่และโครงสร้าง - ชีววิทยา - 2024

ดีเอ็นเอโพลิเมอร์เป็นเอนไซม์ที่มีหน้าที่รับผิดชอบเร่งพอลิเมอของดีเอ็นเอใหม่ในระหว่างการจำลองของโมเลกุลนี้ หน้าที่หลักของมันคือจับคู่ triphosphate deoxyribonucleotides กับแม่แบบ นอกจากนี้ยังเกี่ยวข้องกับการซ่อมแซมดีเอ็นเอ

เอนไซม์นี้ช่วยให้การจับคู่ที่ถูกต้องระหว่างฐานดีเอ็นเอของห่วงโซ่แม่แบบและใหม่ตามโครงร่างของคู่ A กับ T และ G กับ C

โครงสร้างของ DNA polymerase beta ในมนุษย์
ที่มา: Yikrazuul จาก Wikimedia Commons

กระบวนการจำลองแบบดีเอ็นเอต้องมีประสิทธิภาพและต้องดำเนินการอย่างรวดเร็วดังนั้น DNA polymerase จึงทำงานโดยการเพิ่มนิวคลีโอไทด์ประมาณ 700 นิวคลีโอไทด์ต่อวินาทีและทำผิดเพียงครั้งเดียวทุกๆ 10 ⁹หรือ 10 ¹⁰นิวคลีโอไทด์ที่รวมเข้าด้วยกัน

DNA polymerase มีหลายประเภท สิ่งเหล่านี้แตกต่างกันไปทั้งในยูคาริโอตและโปรคาริโอตและแต่ละชนิดมีบทบาทเฉพาะในการจำลองและซ่อมแซมดีเอ็นเอ

เป็นไปได้ว่าหนึ่งในเอนไซม์ตัวแรกที่ปรากฏในวิวัฒนาการคือโพลีเมอเรสเนื่องจากความสามารถในการจำลองจีโนมได้อย่างแม่นยำเป็นความต้องการภายในสำหรับการพัฒนาสิ่งมีชีวิต

การค้นพบเอนไซม์นี้ให้เครดิตกับ Arthur Kornberg และเพื่อนร่วมงานของเขา นักวิจัยคนนี้ระบุ DNA polymerase I (Pol I) ในปีพ. ศ. 2499 ขณะที่ทำงานร่วมกับ Escherichia coli ในทำนองเดียวกันวัตสันและคริกที่เสนอว่าเอนไซม์นี้สามารถสร้างสำเนาของโมเลกุลดีเอ็นเอได้อย่างซื่อสัตย์

ประเภท

prokaryotes

สิ่งมีชีวิตโปรคาริโอต (สิ่งมีชีวิตที่ไม่มีนิวเคลียสที่แท้จริงล้อมรอบด้วยเมมเบรน) มี DNA polymerases หลักสามตัวโดยทั่วไปย่อว่า pol I, II และ III

DNA polymerase I มีส่วนร่วมในการจำลองแบบและซ่อมแซม DNA และมีกิจกรรม exonuclease ในทั้งสองทิศทาง บทบาทของเอนไซม์นี้ในการจำลองแบบถือว่าเป็นรอง

II มีส่วนร่วมในการซ่อมแซม DNA และกิจกรรม exonuclease อยู่ในความหมาย 3'-5 ' III มีส่วนร่วมในการจำลองแบบและการแก้ไขดีเอ็นเอและเช่นเดียวกับเอนไซม์ก่อนหน้านี้แสดงกิจกรรมเอ็กโซนิวคลีเอสในแง่ 3'-5 '

ยูคาริโอ

ยูคาริโอต (สิ่งมีชีวิตที่มีนิวเคลียสที่แท้จริงคั่นด้วยเมมเบรน) มี DNA polymerases ห้าตัวซึ่งตั้งชื่อตามตัวอักษรกรีก: α, β, γ, δและε

โพลีเมอเรสγอยู่ในไมโทคอนเดรียและรับผิดชอบในการจำลองแบบของสารพันธุกรรมในออร์แกเนลล์ของเซลล์นี้ ในทางตรงกันข้ามอีกสี่ชนิดพบในนิวเคลียสของเซลล์และเกี่ยวข้องกับการจำลองดีเอ็นเอนิวเคลียร์

สายพันธุ์α, δและ are มีการใช้งานมากที่สุดในกระบวนการแบ่งเซลล์โดยบอกว่าหน้าที่หลักของมันเกี่ยวข้องกับการผลิตสำเนาดีเอ็นเอ

DNA polymerase βในส่วนของมันแสดงกิจกรรมสูงสุดในเซลล์ที่ไม่มีการแบ่งตัวดังนั้นจึงสันนิษฐานได้ว่าหน้าที่หลักของมันเกี่ยวข้องกับการซ่อมแซมดีเอ็นเอ

การทดลองที่แตกต่างกันสามารถตรวจสอบสมมติฐานที่ว่าพวกเขาส่วนใหญ่เชื่อมโยงα, δและε polymerases กับการจำลองแบบดีเอ็นเอ ประเภทγ, δและεแสดงกิจกรรม exonuclease 3'-5 '

Arches

วิธีการจัดลำดับแบบใหม่ประสบความสำเร็จในการระบุตระกูล DNA polymerase ที่หลากหลาย ในอาร์เคียโดยเฉพาะมีการระบุตระกูลของเอนไซม์ที่เรียกว่าตระกูล D ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของสิ่งมีชีวิตกลุ่มนี้

หน้าที่: การจำลองและซ่อมแซมดีเอ็นเอ

การจำลองแบบดีเอ็นเอคืออะไร?

DNA เป็นโมเลกุลที่มีข้อมูลทางพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต ประกอบด้วยน้ำตาลฐานไนโตรเจน (อะดีนีนกัวนีนไซโทซีนและไทมีน) และกลุ่มฟอสเฟต

ในระหว่างกระบวนการแบ่งเซลล์ซึ่งเกิดขึ้นตลอดเวลา DNA จะต้องถูกคัดลอกอย่างรวดเร็วและแม่นยำโดยเฉพาะในช่วง S ของวัฏจักรเซลล์ กระบวนการที่เซลล์คัดลอกดีเอ็นเอเรียกว่าการจำลองแบบ

โครงสร้างโมเลกุลของดีเอ็นเอประกอบด้วยสองเส้นรวมกันเป็นเกลียว ในระหว่างขั้นตอนการจำลองแบบสิ่งเหล่านี้แยกจากกันและแต่ละตัวจะทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการสร้างโมเลกุลใหม่ ดังนั้นเส้นใหม่จึงส่งผ่านไปยังเซลล์ลูกสาวในกระบวนการแบ่งเซลล์

เนื่องจากแต่ละเส้นทำหน้าที่เป็นแม่แบบการจำลองแบบดีเอ็นเอจึงถูกกล่าวว่าเป็นแบบกึ่งอนุรักษ์ - เมื่อสิ้นสุดกระบวนการโมเลกุลใหม่ประกอบด้วยเส้นใยใหม่และเส้นเก่า กระบวนการนี้ได้รับการอธิบายในปีพ. ศ. 2501 โดยนักวิจัย Meselson และ Stahl โดยใช้ไอโซพอต

การจำลองแบบดีเอ็นเอต้องการชุดของเอนไซม์ที่เร่งกระบวนการนี้ ในบรรดาโมเลกุลของโปรตีนเหล่านี้ DNA polymerase โดดเด่น

ปฏิกิริยา

เพื่อให้การสังเคราะห์ DNA เกิดขึ้นจำเป็นต้องมีสารตั้งต้นที่จำเป็นสำหรับกระบวนการนี้: deoxyribonucleotide triphosphate (dNTP)

กลไกการเกิดปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับการโจมตีนิวคลีโอฟิลิกของกลุ่มไฮดรอกซิลที่ปลาย 3 'ของเส้นใยที่กำลังเติบโตบนแอลฟาฟอสเฟตของ dNTP เสริมซึ่งจะกำจัดไพโรฟอสเฟต ขั้นตอนนี้มีความสำคัญมากเนื่องจากพลังงานในการเกิดพอลิเมอไรเซชันมาจากการไฮโดรไลซิสของ dNTPs และไพโรฟอสเฟตที่เกิดขึ้น

pol III หรือ alpha จับกับไพรเมอร์ (ดูคุณสมบัติของ polymerases) และเริ่มเพิ่มนิวคลีโอไทด์ epsilon ทำให้โซ่ตะกั่วยาวขึ้นและเดลต้าจะยืดเส้นที่หน่วง

คุณสมบัติของ DNA polymerases

DNA polymerases ที่รู้จักทั้งหมดมีคุณสมบัติสำคัญสองประการที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการจำลองแบบ

ขั้นแรกโพลีเมอเรสทั้งหมดจะสังเคราะห์สายดีเอ็นเอในทิศทาง 5'-3 'โดยเพิ่ม dNTPs เข้าไปในกลุ่มไฮดรอกซิลของห่วงโซ่ที่กำลังเติบโต

ประการที่สอง DNA polymerases ไม่สามารถเริ่มสังเคราะห์เส้นใยใหม่ได้ตั้งแต่เริ่มต้น พวกเขาต้องการองค์ประกอบเพิ่มเติมที่เรียกว่าไพรเมอร์หรือไพรเมอร์ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์สองสามตัวที่ให้กลุ่มไฮดรอกซิลอิสระซึ่งโพลีเมอเรสสามารถยึดและเริ่มกิจกรรมได้

นี่เป็นหนึ่งในความแตกต่างพื้นฐานระหว่าง DNA และ RNA polymerases เนื่องจากชนิดหลังสามารถเริ่มการสังเคราะห์โซ่เดอโนโวได้

ชิ้นส่วนของ Okazaki

คุณสมบัติแรกของ DNA polymerases ที่กล่าวถึงในส่วนก่อนหน้านี้แสดงถึงภาวะแทรกซ้อนสำหรับการจำลองแบบกึ่งอนุรักษ์นิยม เมื่อสายดีเอ็นเอทั้งสองทำงานแบบขนานกันหนึ่งในนั้นจะถูกสังเคราะห์อย่างไม่ต่อเนื่อง (อันที่จะต้องสังเคราะห์ในความหมาย 3'-5 ')

ในเส้นใยที่ล่าช้าการสังเคราะห์ที่ไม่ต่อเนื่องเกิดขึ้นผ่านกิจกรรมปกติของโพลีเมอเรส 5'-3 'และชิ้นส่วนที่เกิดขึ้นซึ่งรู้จักกันในวรรณคดีว่าชิ้นส่วนโอกาซากิเชื่อมโยงกันด้วยเอนไซม์ลิเกสอื่น

ซ่อมแซมดีเอ็นเอ

ดีเอ็นเอมีการสัมผัสกับปัจจัยต่างๆอยู่ตลอดเวลาทั้งจากภายนอกและภายนอกที่สามารถทำลายมันได้ ความเสียหายเหล่านี้สามารถปิดกั้นการจำลองแบบและสะสมส่งผลต่อการแสดงออกของยีนทำให้เกิดปัญหาในกระบวนการต่างๆของเซลล์

นอกเหนือจากบทบาทในกระบวนการจำลองแบบดีเอ็นเอแล้วพอลิเมอเรสยังเป็นองค์ประกอบหลักของกลไกการซ่อมแซมดีเอ็นเอ นอกจากนี้ยังสามารถทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์ในวัฏจักรเซลล์เพื่อป้องกันไม่ให้เข้าสู่ระยะการแบ่งตัวหาก DNA เสียหาย

โครงสร้าง

ปัจจุบันต้องขอบคุณการศึกษาด้านผลึกโครงสร้างของโพลีเมอเรสต่างๆได้รับการอธิบาย ตามลำดับหลักโพลีเมอเรสจะถูกจัดกลุ่มเป็นตระกูล: A, B, C, X และ Y

ลักษณะบางอย่างเป็นเรื่องปกติสำหรับ polymerases ทั้งหมดโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับศูนย์กลางการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์

สิ่งเหล่านี้รวมถึงไซต์ที่ใช้งานหลักสองแห่งที่มีไอออนของโลหะโดยมีสารแอสพาเทตตกค้างสองตัวและสารตกค้างที่แปรผันหนึ่งตัว ได้แก่ แอสพาเทตหรือกลูตาเมตซึ่งประสานโลหะ มีสารตกค้างที่มีประจุอีกชุดหนึ่งซึ่งล้อมรอบศูนย์กลางตัวเร่งปฏิกิริยาและได้รับการอนุรักษ์ไว้ในโพลีเมอเรสที่แตกต่างกัน

ในโปรคาริโอต DNA polymerase I คือพอลิเปปไทด์ 103 kd, II คือพอลิเปปไทด์ 88 kd และ III ประกอบด้วยหน่วยย่อย 10 หน่วย

ในยูคาริโอตเอนไซม์มีขนาดใหญ่และซับซ้อนมากขึ้น: αประกอบด้วยห้าหน่วยβและγของหน่วยย่อยหนึ่งหน่วยδของสองหน่วยย่อยและεจาก 5

การประยุกต์ใช้งาน

ประเทศสาธารณรัฐประชาชนจีน

ปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (PRC) เป็นวิธีการที่ใช้ในห้องปฏิบัติการชีววิทยาระดับโมเลกุลทั้งหมดด้วยประโยชน์ใช้สอยและความเรียบง่าย เป้าหมายของวิธีนี้คือการขยายโมเลกุลดีเอ็นเอที่น่าสนใจอย่างหนาแน่น

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้นักชีววิทยาใช้ DNA polymerase ที่ไม่ได้รับความเสียหายจากความร้อน (อุณหภูมิสูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับกระบวนการนี้) เพื่อขยายโมเลกุล ผลของกระบวนการนี้คือโมเลกุลดีเอ็นเอจำนวนมากที่สามารถนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน

หนึ่งในยูทิลิตี้ทางคลินิกที่โดดเด่นที่สุดของเทคนิคนี้คือการใช้ในการวินิจฉัยทางการแพทย์ PRC สามารถใช้เพื่อตรวจหาแบคทีเรียและไวรัสที่ทำให้เกิดโรคได้

ยาปฏิชีวนะและยาต้านมะเร็ง

ยาจำนวนมากมีเป้าหมายเพื่อตัดทอนกลไกของการจำลองแบบดีเอ็นเอในสิ่งมีชีวิตที่ทำให้เกิดโรคไม่ว่าจะเป็นไวรัสหรือแบคทีเรีย

ในบางกรณีเป้าหมายคือการยับยั้งการทำงานของ DNA polymerase ตัวอย่างเช่น cytarabine ยาเคมีบำบัดหรือที่เรียกว่า cytosine arabinoside จะปิดใช้งาน DNA polymerase

อ้างอิง

1. Alberts, B. , Bray, D. , Hopkin, K. , Johnson, AD, Lewis, J. , Raff, M. , … & Walter, P. (2015) ชีววิทยาของเซลล์ที่จำเป็น การ์แลนด์วิทยาศาสตร์.
2. Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). การจำลองดีเอ็นเอของ Archaeal: การระบุชิ้นส่วนเพื่อไขปริศนา พันธุศาสตร์, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM และ Hausman, RE (2004) เซลล์: วิธีการระดับโมเลกุล เมดิซินสกานาคลดา.
4. Garcia-Diaz, M. , & Bebenek, K. (2007). ฟังก์ชันหลายอย่างของ DNA polymerases บทวิจารณ์เชิงวิพากษ์ในพืชศาสตร์, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K. , & Kunkel, TA (2003) หน้าที่ของ polymerases ดีเอ็นเอยูคาริโอต SAGE KE ของ Science, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA polymerases: ความหลากหลายของโครงสร้างและกลไกทั่วไป วารสารเคมีชีวภาพ, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S. , Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013) การเปรียบเทียบโครงสร้างของสถาปัตยกรรม DNA polymerase แสดงให้เห็นเกตเวย์ของนิวคลีโอไทด์ไปยังไซต์ที่ใช้งานโพลีเมอเรส บทวิจารณ์ทางเคมี, 114 (5), 2759-74.