POLYMERASE: ลักษณะโครงสร้างและหน้าที่ - ชีววิทยา - 2026

polymerasesเอนไซม์ที่มีฟังก์ชั่นที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการของการจำลองแบบและการถอดรหัสของกรดนิวคลีอิก เอนไซม์เหล่านี้มีสองประเภทหลัก ได้แก่ DNA polymerase และ RNA polymerase

DNA polymerase ทำหน้าที่สังเคราะห์สายโซ่ดีเอ็นเอใหม่ในระหว่างกระบวนการจำลองแบบเพิ่มนิวคลีโอไทด์ใหม่ เอนไซม์เหล่านี้มีขนาดใหญ่ซับซ้อนและมีโครงสร้างที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับว่าพบในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตหรือโปรคาริโอต

Taq polymerase: เอนไซม์ที่ใช้ใน PCR
ที่มา: Lijealso

ในทำนองเดียวกัน RNA polymerase ทำหน้าที่ในระหว่างการถอดความ DNA โดยสังเคราะห์โมเลกุล RNA เช่นเดียวกับ DNA polymerase พบได้ทั้งในยูคาริโอตและโปรคาริโอตและโครงสร้างและความซับซ้อนจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับกลุ่ม

จากมุมมองของวิวัฒนาการเป็นไปได้ที่จะคิดว่าเอนไซม์ตัวแรกต้องมีกิจกรรมโพลีเมอเรสเนื่องจากข้อกำหนดภายในประการหนึ่งสำหรับการพัฒนาชีวิตคือความสามารถในการจำลองแบบของจีโนม

ความเชื่อกลางของอณูชีววิทยา

สิ่งที่เรียกว่า "ความเชื่อ" ของอณูชีววิทยาอธิบายถึงการสร้างโปรตีนจากยีนที่เข้ารหัสในดีเอ็นเอในสามขั้นตอน ได้แก่ การจำลองแบบการถอดความและการแปล

กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการจำลองแบบของโมเลกุลดีเอ็นเอซึ่งมีการสร้างสำเนาสองชุดในลักษณะกึ่งอนุรักษ์นิยม จากนั้นข้อความจาก DNA จะถูกถ่ายทอดเป็นโมเลกุล RNA เรียกว่า messenger RNA ในที่สุดผู้ส่งสารจะถูกแปลเป็นโปรตีนโดยเครื่องจักรไรโบโซม

ในบทความนี้เราจะสำรวจเอนไซม์สำคัญสองชนิดที่เกี่ยวข้องกับสองกระบวนการแรกที่กล่าวถึง

เป็นที่น่าสังเกตว่ามีข้อยกเว้นสำหรับหลักปฏิบัติกลาง ยีนจำนวนมากไม่ได้ถูกแปลเป็นโปรตีนและในบางกรณีการไหลของข้อมูลมาจาก RNA ไปยัง DNA (เช่นเดียวกับรีโทรไวรัส)

ดีเอ็นเอโพลีเมอเรส

คุณสมบัติ

DNA polymerase เป็นเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการจำลองแบบของจีโนมที่แน่นอน การทำงานของเอนไซม์ต้องมีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะดูแลรักษาข้อมูลทางพันธุกรรมและการถ่ายทอดไปยังรุ่นต่อไป

ถ้าเราพิจารณาขนาดของจีโนมมันเป็นงานที่ค่อนข้างท้าทาย ตัวอย่างเช่นหากเราตั้งค่าตัวเองว่าจะต้องทำหน้าที่ในการถอดเสียงเอกสาร 100 หน้าบนคอมพิวเตอร์ของเราเราก็จะมีข้อผิดพลาดหนึ่งข้อ (หรือมากกว่านั้นขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของเรา) สำหรับแต่ละหน้า

โพลีเมอเรสสามารถเพิ่มนิวคลีโอไทด์ได้มากกว่า 700 นิวคลีโอไทด์ทุก ๆ วินาทีและจะผิดเพียงทุกๆ 10 ⁹หรือ 10 ¹⁰นิวคลีโอไทด์ที่รวมเข้าด้วยกันซึ่งเป็นจำนวนที่ไม่ธรรมดา

โพลีเมอเรสต้องมีกลไกที่ทำให้สามารถคัดลอกข้อมูลของจีโนมได้อย่างแน่นอน ดังนั้นจึงมี polymerases ที่แตกต่างกันที่มีความสามารถในการจำลองและซ่อมแซม DNA

ลักษณะและโครงสร้าง

DNA polymerase เป็นเอนไซม์ที่ทำงานในทิศทาง 5'-3 'และทำงานโดยการเพิ่มนิวคลีโอไทด์ที่ปลายขั้วด้วยกลุ่ม -OH อิสระ

หนึ่งในผลที่ตามมาทันทีของลักษณะนี้คือหนึ่งในโซ่สามารถสังเคราะห์ได้โดยไม่มีความไม่สะดวก แต่สิ่งที่เกี่ยวกับเส้นใยที่ต้องสังเคราะห์ในทิศทาง 3'-5 '?

โซ่นี้ถูกสังเคราะห์ในสิ่งที่เรียกว่าชิ้นส่วนโอกาซากิ ดังนั้นส่วนเล็ก ๆ จะถูกสังเคราะห์ในทิศทางปกติคือ 5'-3 'ซึ่งต่อมาจะเข้าร่วมโดยเอนไซม์ที่เรียกว่า ligase

โครงสร้าง DNA polymerases มีอยู่ในไซต์ที่ใช้งานทั่วไปสองแห่งที่มีไอออนของโลหะ เราพบสารแอสพาเทตและกรดอะมิโนอื่น ๆ ที่เป็นตัวประสานโลหะ

ประเภท

ตามเนื้อผ้าในโปรคาริโอตมีการระบุโพลีเมอเรสสามประเภทที่ตั้งชื่อด้วยตัวเลขโรมัน: I, II และ III ในยูคาริโอตเอนไซม์ห้าชนิดได้รับการยอมรับและตั้งชื่อด้วยตัวอักษรภาษากรีก ได้แก่ α, β, γ, δและε

การตรวจสอบล่าสุดได้ระบุดีเอ็นเอ 5 ชนิดใน Escherichia coli 8 ชนิดในยีสต์ Saccharomyces cerevisiae และมากกว่า 15 ชนิดในมนุษย์ ในวงศ์พืชมีการศึกษาเอนไซม์น้อยลง อย่างไรก็ตามเอนไซม์ประมาณ 12 ชนิดได้รับการอธิบายไว้ในสิ่งมีชีวิตแบบจำลอง Arabidopsis thaliana

การประยุกต์ใช้งาน

หนึ่งในเทคนิคที่ใช้มากที่สุดในห้องปฏิบัติการอณูชีววิทยาคือ PCR หรือปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส ขั้นตอนนี้ใช้ประโยชน์จากความสามารถในการเกิดพอลิเมอไรเซชันของดีเอ็นเอพอลิเมอเรสในการขยายขนาดตามลำดับขนาดโมเลกุลดีเอ็นเอที่เราต้องการศึกษา

กล่าวอีกนัยหนึ่งในตอนท้ายของขั้นตอนเราจะมีสำเนา DNA เป้าหมายของเราหลายพันชุดการใช้ PCR นั้นแตกต่างกันมาก สามารถนำไปใช้กับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์เพื่อการวินิจฉัยโรคบางชนิดหรือแม้แต่ในระบบนิเวศ

RNA พอลิเมอเรส

คุณสมบัติ

RNA polymerase มีหน้าที่ในการสร้างโมเลกุล RNA โดยเริ่มจากแม่แบบ DNA การถอดเสียงที่ได้คือสำเนาที่เติมเต็มส่วนของดีเอ็นเอที่ใช้เป็นเทมเพลต

Messenger RNA มีหน้าที่ในการส่งข้อมูลไปยังไรโบโซมเพื่อสร้างโปรตีน พวกเขายังมีส่วนร่วมในการสังเคราะห์ RNA ประเภทอื่น ๆ

สิ่งนี้ไม่สามารถทำหน้าที่เพียงอย่างเดียวได้ แต่ต้องการโปรตีนที่เรียกว่าปัจจัยการถอดรหัสเพื่อให้สามารถทำหน้าที่ได้สำเร็จ

ลักษณะและโครงสร้าง

RNA polymerases เป็นสารประกอบเชิงซ้อนของเอนไซม์ขนาดใหญ่ พวกมันมีความซับซ้อนในเชื้อสายยูคาริโอตมากกว่าโปรคาริโอต

ในยูคาริโอตมีโพลีเมอเรสอยู่ 3 ประเภท ได้แก่ Pol I, II และ III ซึ่งเป็นกลไกกลางในการสังเคราะห์ไรโบโซมอลสารส่งสารและถ่ายโอนอาร์เอ็นเอตามลำดับ ในทางตรงกันข้ามในโปรคาริโอตยีนทั้งหมดของพวกมันถูกประมวลผลโดยโพลีเมอเรสประเภทเดียว

ความแตกต่างระหว่าง DNA และ RNA polymerase

แม้ว่าเอนไซม์ทั้งสองจะใช้การหลอมดีเอ็นเอ แต่ก็แตกต่างกันในสามวิธีที่สำคัญ ขั้นแรก DNA polymerase ต้องใช้ไพรเมอร์เพื่อเริ่มการจำลองแบบและเชื่อมต่อนิวคลีโอไทด์ ไพรเมอร์หรือไพรเมอร์เป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์สองสามตัวซึ่งลำดับจะเสริมกับไซต์เฉพาะในดีเอ็นเอ

ไพรเมอร์ให้ –OH อิสระแก่โพลีเมอเรสเพื่อเริ่มกระบวนการเร่งปฏิกิริยา ในทางตรงกันข้าม RNA polymerases สามารถเริ่มทำงานได้โดยไม่ต้องใช้ไพรเมอร์

ประการที่สอง DNA polymerase มีพื้นที่ยึดเกาะหลายแห่งในโมเลกุลของ DNA RNA polymerase สามารถจับกับลำดับยีนของโปรโมเตอร์เท่านั้น

สุดท้าย DNA polymerase เป็นเอนไซม์ที่ทำงานด้วยความเที่ยงตรงสูง RNA polymerase มีความอ่อนไหวต่อข้อผิดพลาดมากขึ้นทำให้เกิดนิวคลีโอไทด์ที่ไม่ถูกต้องทุกๆ 10 ⁴นิวคลีโอไทด์

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. ลูวินบี. (2518). การแสดงออกของยีน UMI Books on Demand
6. Lodish, H. , Berk, A. , Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M. , Scott, MP, … & Matsudaira, P. (2008) อณูชีววิทยาของเซลล์. Macmillan
7. เพียร์ซ BA (2552). พันธุศาสตร์: แนวความคิด Panamerican Medical Ed.
8. Shcherbakova, PV, Bebenek, K. , & Kunkel, TA (2003) หน้าที่ของ polymerases ดีเอ็นเอยูคาริโอต SAGE KE ของ Science, 2003 (8), 3.
9. Steitz, TA (1999). DNA polymerases: ความหลากหลายของโครงสร้างและกลไกทั่วไป วารสารเคมีชีวภาพ, 274 (25), 17395-17398.
10. Wu, S. , Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013) การเปรียบเทียบโครงสร้างของสถาปัตยกรรม DNA polymerase แสดงให้เห็นเกตเวย์ของนิวคลีโอไทด์ไปยังไซต์ที่ใช้งานโพลีเมอเรส บทวิจารณ์ทางเคมี, 114 (5), 2759–74