DNA polymerase: ชนิด, หน้าที่และโครงสร้าง
DNA polymerase เป็นเอนไซม์ที่มีหน้าที่ในการเร่งปฏิกิริยาการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของสายพันธุ์ใหม่ของ DNA ระหว่างการจำลองแบบของโมเลกุลนี้ หน้าที่หลักของมันคือการจับคู่เดอกริบานีนิวคลีโอไทด์ไตรฟอสเฟตกับโซ่ของเทมเพลต นอกจากนี้ยังมีส่วนร่วมในการซ่อมแซม DNA
เอนไซม์นี้ช่วยให้การจับคู่ที่ถูกต้องระหว่างฐานดีเอ็นเอของห่วงโซ่แม่พิมพ์และใหม่ตามรูปแบบของมันจับคู่กับ T และ G กับ C
กระบวนการของการจำลองดีเอ็นเอจะต้องมีประสิทธิภาพและจะต้องดำเนินการอย่างรวดเร็วดังนั้น DNA polymerase จะทำหน้าที่เพิ่มนิวคลีโอไทด์ประมาณ 700 นิวตันต่อวินาทีและจะทำให้เกิดข้อผิดพลาดขึ้นทุก ๆ นิวคลีโอไทด์ที่รวม 109 หรือ 1010
DNA polymerase มีหลายชนิด สิ่งเหล่านี้แตกต่างกันไปทั้งยูคาริโอตและโปรคาริโอตและแต่ละอันมีบทบาทเฉพาะในการจำลองและซ่อมแซมดีเอ็นเอ
เป็นไปได้ว่าหนึ่งในเอนไซม์แรกที่ปรากฏในวิวัฒนาการเป็นโพลิเมอร์เนื่องจากความสามารถในการจำลองจีโนมได้อย่างแม่นยำนั้นเป็นข้อกำหนดที่จำเป็นสำหรับการพัฒนาของสิ่งมีชีวิต
การค้นพบเอนไซม์นี้มีสาเหตุมาจาก Arthur Kornberg และเพื่อนร่วมงานของเขา นักวิจัยนี้ระบุ DNA polymerase I (Pol I) ในปี 1956 ขณะที่ทำงานกับ Escherichia coli ในทำนองเดียวกันก็คือวัตสันและคริกผู้เสนอว่าเอนไซม์นี้สามารถสร้างสำเนาดีเอ็นเอโมเลกุลที่ซื่อสัตย์ได้
ชนิด
prokaryotes
สิ่งมีชีวิต Prokaryotic (สิ่งมีชีวิตที่ไม่มีนิวเคลียสที่แท้จริงคั่นด้วยเมมเบรน) มี DNA polymerase หลักสามตัวซึ่งเรียกกันโดยทั่วไปว่า pol I, II และ III
DNA polymerase ฉันมีส่วนร่วมในการจำลองและซ่อมแซม DNA และมีกิจกรรม exonuclease ในทั้งสองทิศทาง มีการพิจารณาว่าบทบาทของเอนไซม์นี้ในการจำลองเป็นเรื่องรอง
II มีส่วนร่วมในการซ่อมแซม DNA และกิจกรรม exonuclease ของมันอยู่ใน 3'-5'sense III มีส่วนร่วมในการจำลองและแก้ไข DNA และเช่นเดียวกับเอนไซม์ก่อนหน้านี้แสดงกิจกรรม exonuclease ที่อยู่ใน 3'5'sense
ยูคาริโอ
ยูคาริโอต (สิ่งมีชีวิตที่มีนิวเคลียสที่แท้จริงคั่นด้วยเมมเบรน) มี DNA polymerase ห้าตัวซึ่งมีตัวอักษรภาษากรีก: α, β, γ, δและε
γพอลิเมอเรสตั้งอยู่ในไมโตคอนเดรียและมีหน้าที่รับผิดชอบในการสร้างแบบจำลองของสารพันธุกรรมในอวัยวะของเซลล์ ในทางตรงกันข้ามอีกสี่คนพบในนิวเคลียสของเซลล์และมีส่วนร่วมในการจำลองดีเอ็นเอนิวเคลียร์
ตัวแปรα, δและ are นั้นมีความเคลื่อนไหวมากที่สุดในกระบวนการแบ่งเซลล์บอกว่าหน้าที่หลักของพวกมันนั้นเกี่ยวข้องกับการผลิตสำเนาของ DNA
DNA polymerase βตรงกันข้ามแสดงยอดของกิจกรรมในเซลล์ที่ไม่แบ่งดังนั้นจึงสันนิษฐานว่าหน้าที่หลักของมันเกี่ยวข้องกับการซ่อมแซม DNA
การทดลองที่แตกต่างกันสามารถตรวจสอบสมมติฐานที่ว่าพวกมันเกี่ยวข้องกับโพลิเมอร์ส่วนใหญ่α, δและεด้วยการจำลองดีเอ็นเอ ประเภทγ, δและεมีกิจกรรม 3'-5'exonuclease
เคีย
วิธีการใหม่ของการหาลำดับเบสนั้นมีการจัดการเพื่อระบุตระกูล DNA โพลิเมอร์ที่หลากหลาย ในอาร์เคียโดยเฉพาะเราได้ระบุตระกูลของเอนไซม์ที่เรียกว่าตระกูล D ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตเฉพาะกลุ่มนี้
ฟังก์ชั่น: การจำลองและซ่อมแซมดีเอ็นเอ
การจำลองดีเอ็นเอคืออะไร?
ดีเอ็นเอเป็นโมเลกุลที่นำข้อมูลทางพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต มันประกอบด้วยน้ำตาล, ฐานไนโตรเจน (adenine, guanine, cytosine และ thymine) และกลุ่มฟอสเฟต
ในระหว่างกระบวนการแบ่งเซลล์ซึ่งเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง DNA จะต้องคัดลอกอย่างรวดเร็วและแม่นยำ - โดยเฉพาะในเฟส S ของวัฏจักรเซลล์ กระบวนการนี้ที่เซลล์คัดลอก DNA เรียกว่าการจำลองแบบ
โครงสร้างโมเลกุลดีเอ็นเอถูกสร้างขึ้นโดยสองเส้นก่อตัวเป็นเกลียว ในระหว่างกระบวนการจำลองแบบสิ่งเหล่านี้จะถูกแยกออกและแต่ละคนจะทำหน้าที่เป็นอารมณ์สำหรับการก่อตัวของโมเลกุลใหม่ ดังนั้นเส้นใหม่ส่งผ่านไปยังเซลล์ลูกสาวในกระบวนการแบ่งเซลล์
เนื่องจากแต่ละสแตรนด์มีอุณหภูมิมันบอกว่าการจำลองดีเอ็นเอนั้นเป็นเซมิโคลอน - ในตอนท้ายของกระบวนการโมเลกุลใหม่ประกอบด้วยสแตรนใหม่และสแตรนด์เก่า กระบวนการนี้ถูกอธิบายในปี 1958 โดยนักวิจัย Meselson และ Stahl โดยใช้ไอโซโทป
การจำลองดีเอ็นเอต้องใช้ชุดของเอนไซม์ที่กระตุ้นกระบวนการ ในบรรดาโมเลกุลโปรตีนเหล่านี้ DNA polymerase โดดเด่น
ปฏิกิริยา
สำหรับการสังเคราะห์ดีเอ็นเอที่จะเกิดขึ้นจำเป็นต้องใช้พื้นผิวที่จำเป็นสำหรับกระบวนการ: deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP)
กลไกการเกิดปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับการโจมตีนิวคลีโอฟิลิกของกลุ่มไฮดรอกซิลที่ปลายของการเติบโตของสายการเจริญเติบโตในอัลฟาฟอสเฟตของอัลฟาฟอสเฟตของ dNTP เสริมการกำจัดไพโรฟอสเฟต ขั้นตอนนี้สำคัญมากเนื่องจากพลังงานสำหรับการเกิดพอลิเมอไรเซชันมาจากการไฮโดรไลซิสของ dNTPs และไพโรฟอสเฟตที่เกิดขึ้น
pol III หรือ alpha รวมตัวแรก (ดูคุณสมบัติของพอลิเมอร์) และเริ่มเพิ่มนิวคลีโอไทด์ เอปไซลอนยืดสายโซ่ผู้นำและเดลต้ายืดแนวเกลียวที่ยืดออก
คุณสมบัติของ DNA โพลิเมอร์
DNA พอลิเมอร์ที่รู้จักทั้งหมดแบ่งปันคุณสมบัติสำคัญสองประการที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการจำลองแบบ
ขั้นแรกพอลิเมอเรสทั้งหมดจะสังเคราะห์ดีเอ็นเอของกลุ่มในทิศทาง 5'-3 ซึ่งจะเพิ่ม dNTPs ลงในกลุ่มไฮดรอกซิลของห่วงโซ่การเจริญเติบโต
ประการที่สอง DNA polymerase ไม่สามารถเริ่มสังเคราะห์ห่วงโซ่ใหม่จากอะไร พวกเขาต้องการองค์ประกอบเพิ่มเติมที่รู้จักกันในชื่อไพรเมอร์หรือไพรเมอร์ซึ่งเป็นโมเลกุลที่เกิดจากนิวคลีโอไทด์สองสามตัวที่ให้กลุ่มไฮดรอกซิลอิสระซึ่งโพลีเมอเรสสามารถยึดเหนี่ยวและเริ่มกิจกรรมได้
นี่เป็นหนึ่งในความแตกต่างพื้นฐานระหว่าง DNA และ RNA polymerase เนื่องจากสิ่งเหล่านี้มีความสามารถในการเริ่มต้นการสังเคราะห์ของห่วงโซ่ เดอโนโว
ชิ้นส่วนของ Okazaki
คุณสมบัติแรกของ DNA polymerases ที่กล่าวถึงในหัวข้อก่อนหน้านี้เป็นภาวะแทรกซ้อนสำหรับการจำลองแบบเซมิคอนดักเตอร์ ในขณะที่ DNA ทั้งสองเส้นวิ่งในลักษณะตรงกันข้ามขนานหนึ่งในนั้นจะถูกสังเคราะห์ในลักษณะที่ไม่ต่อเนื่อง (ซึ่งจะต้องมีการสังเคราะห์ใน 3'5'sense)
ในสายการล่าช้าการสังเคราะห์ไม่ต่อเนื่องเกิดขึ้นผ่านกิจกรรมปกติของโพลีเมอเรส 5'-3 'และชิ้นส่วนที่เกิดขึ้น - ซึ่งเป็นที่รู้จักในวรรณคดีว่าชิ้นส่วน Okazaki - ถูกเชื่อมโยงโดยเอนไซม์อื่น ligase
ซ่อมแซมดีเอ็นเอ
DNA มีการสัมผัสกับปัจจัยอย่างต่อเนื่องทั้งภายนอกและภายนอกซึ่งสามารถสร้างความเสียหายได้ ความเสียหายเหล่านี้สามารถป้องกันการจำลองและสะสมเพื่อให้มีผลต่อการแสดงออกของยีนสร้างปัญหาในกระบวนการเซลล์ต่างๆ
นอกเหนือจากบทบาทในกระบวนการจำลองดีเอ็นเอแล้วโพลีเมอเรสยังเป็นองค์ประกอบสำคัญของกลไกการซ่อมแซมดีเอ็นเอ พวกเขายังสามารถทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์ในวงจรเซลล์ที่ป้องกันไม่ให้เข้าสู่ขั้นตอนการแบ่งถ้า DNA ได้รับความเสียหาย
โครงสร้าง
ในปัจจุบันจากการศึกษาเกี่ยวกับผลึกมันเป็นไปได้ที่จะอธิบายโครงสร้างของพอลิเมอร์ต่างๆ ตามลำดับหลักโพลิเมอร์จะถูกจัดกลุ่มเป็นตระกูล: A, B, C, X และ Y
บางแง่มุมเป็นเรื่องธรรมดาของพอลิเมอร์ทั้งหมดโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับศูนย์ตัวเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์
เหล่านี้รวมถึงไซต์ที่ใช้งานที่สำคัญสองแห่งที่มีไอออนของโลหะโดยมีสารตกค้างแอสพาเทตสองตัวและสารตกค้างที่แปรผันได้เช่นแอสพาเทตหรือกลูตาเมต มีชุดของสารตกค้างที่มีประจุอีกชุดหนึ่งที่ล้อมรอบจุดศูนย์กลางตัวเร่งปฏิกิริยาและได้รับการอนุรักษ์ในโพลิเมอร์ที่แตกต่างกัน
ในโปรคาริโอต DNA polymerase I คือ 103 kd polypeptide, II เป็น polypeptide 88 kd และ III มีสิบ subunits
ในยูคาริโอตเอนไซม์มีขนาดใหญ่และซับซ้อนมากขึ้น: αประกอบด้วยห้าหน่วยβและγโดยหน่วยย่อย,, สองหน่วยย่อยและε 5
การใช้งาน
ประเทศสาธารณรัฐประชาชนจีน
ปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (PRC) เป็นวิธีการที่ใช้ในห้องปฏิบัติการชีววิทยาโมเลกุลทั้งหมดด้วยการใช้ประโยชน์และความเรียบง่าย วัตถุประสงค์ของวิธีนี้คือการขยายโมเลกุลดีเอ็นเอที่น่าสนใจอย่างหนาแน่น
เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้นักชีววิทยาใช้ DNA polymerase ที่ไม่ได้รับความเสียหายจากความร้อน (อุณหภูมิสูงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับกระบวนการนี้) เพื่อขยายโมเลกุล ผลลัพธ์ของกระบวนการนี้เป็นโมเลกุลดีเอ็นเอจำนวนมากที่สามารถนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน
หนึ่งในสาธารณูปโภคทางคลินิกที่โดดเด่นที่สุดของเทคนิคคือการใช้ในการวินิจฉัยทางการแพทย์ PRC สามารถใช้ในการตรวจสอบการมีแบคทีเรียที่ทำให้เกิดโรคและไวรัสในผู้ป่วย
ยาแก้อักเสบและยาต้าน
ยาเสพติดจำนวนมากมุ่งเป้าไปที่การตัดทอนกลไกการจำลองดีเอ็นเอในสิ่งมีชีวิตที่ทำให้เกิดโรคไม่ว่าจะเป็นไวรัสหรือแบคทีเรีย
ในบางสิ่งนี้เป้าหมายคือการยับยั้งกิจกรรมของ DNA polymerase ยกตัวอย่างเช่น cytarabine ยาเคมีบำบัดเรียกอีกอย่างว่า cytosine arabinoside ปิดการใช้งาน DNA polymerase