DNA polimerasi: tipi, funzioni e struttura

La DNA polimerasi è un enzima responsabile della catalizzazione della polimerizzazione del nuovo filamento di DNA durante la replicazione di questa molecola. La sua funzione principale è quella di abbinare i trifosfati di desossiribonucleotidi a quelli della catena di modelli. Partecipa anche alla riparazione del DNA.

Questo enzima consente la corrispondenza corretta tra le basi del DNA della catena dello stampo e quella nuova, seguendo lo schema di A si accoppia con T e G con C.

Il processo di replicazione del DNA deve essere efficace e deve essere eseguito rapidamente, quindi la DNA polimerasi agisce aggiungendo circa 700 nucleotidi al secondo e produce un errore ogni 109 o 1010 nucleotidi incorporati.

Esistono diversi tipi di DNA polimerasi. Questi variano sia negli eucarioti sia nei procarioti e ciascuno di essi ha un ruolo specifico nella replicazione e nella riparazione del DNA.

È possibile che uno dei primi enzimi ad apparire in evoluzione sia stato polimerasi, poiché la capacità di replicare il genoma con precisione è un requisito intrinseco per lo sviluppo di organismi.

La scoperta di questo enzima è attribuita a Arthur Kornberg e ai suoi colleghi. Questo ricercatore ha identificato la DNA polimerasi I (Pol I) nel 1956, mentre lavorava con Escherichia coli. Allo stesso modo, furono Watson e Crick a proporre che questo enzima potesse produrre copie fedeli della molecola del DNA.

tipo

procarioti

Organismi procarioti (organismi privi di un vero nucleo, delimitati da una membrana) possiedono tre principali polimerasi del DNA, comunemente abbreviate in pol I, II e III.

La DNA polimerasi I partecipa alla replicazione e alla riparazione del DNA e possiede attività di esonucleasi in entrambe le direzioni. Si ritiene che il ruolo di questo enzima nella replicazione sia secondario.

Il II partecipa alla riparazione del DNA e la sua attività di esonucleasi è nel 3'-5 senso. L'III partecipa alla replicazione e alla revisione del DNA e, come l'enzima precedente, presenta l'attività di esonucleasi nel 3'-5 senso.

eucariotica

Gli eucarioti (organismi con un vero nucleo, delimitato da una membrana) possiedono cinque DNA polimerasi, denominate con lettere dell'alfabeto greco: α, β, γ, δ e ε.

La γ polimerasi si trova nei mitocondri ed è responsabile della replicazione del materiale genetico in questo organello cellulare. Al contrario, gli altri quattro si trovano nel nucleo delle cellule e sono coinvolti nella replicazione del DNA nucleare.

Le varianti α, δ e ε sono le più attive nel processo di divisione cellulare, suggerendo che la loro funzione principale è associata alla produzione di copie del DNA.

La DNA polimerasi β, d'altra parte, presenta picchi di attività in cellule che non si dividono, quindi si presume che la sua funzione principale sia associata alla riparazione del DNA.

Diversi esperimenti sono stati in grado di verificare l'ipotesi che essi associno principalmente le polimerasi α, δ e ε alla replicazione del DNA. I tipi γ, δ e ε hanno attività 3'-5'exonucleasi.

archaea

I nuovi metodi di sequenziamento sono riusciti a identificare un'enorme varietà di famiglie di DNA polimerasi. In archaea, in particolare, abbiamo identificato una famiglia di enzimi, chiamata famiglia D, che sono unici per questo gruppo di organismi.

Funzioni: replicazione e riparazione del DNA

Cos'è la replicazione del DNA?

Il DNA è la molecola che trasporta tutte le informazioni genetiche di un organismo. Consiste di uno zucchero, una base azotata (adenina, guanina, citosina e timina) e un gruppo fosfato.

Durante i processi di divisione cellulare, che si verificano costantemente, il DNA deve essere copiato rapidamente e con precisione, in particolare nella fase S del ciclo cellulare. Questo processo in cui la cellula copia il DNA è noto come replicazione.

Strutturalmente, la molecola del DNA è formata da due filamenti che formano un'elica. Durante il processo di replicazione, questi sono separati e ognuno agisce come temperamento per la formazione di una nuova molecola. Pertanto, i nuovi filamenti passano alle cellule figlie nel processo di divisione cellulare.

Poiché ogni filamento è temperato, si dice che la replicazione del DNA sia semiconservativa: alla fine del processo, la nuova molecola consiste in un nuovo filamento e un vecchio filamento. Questo processo fu descritto nel 1958 dai ricercatori Meselson e Stahl, usando gli isotopi.

La replicazione del DNA richiede una serie di enzimi che catalizzano il processo. Tra queste molecole proteiche, spicca la DNA polimerasi.

reazione

Affinché la sintesi del DNA avvenga, sono necessari i substrati necessari per il processo: i desossiribonucleotidi trifosfati (dNTP)

Il meccanismo della reazione comporta un attacco nucleofilo del gruppo idrossile all'estremità 3 'del filamento in crescita dell'alfa fosfato del dNTP complementare, eliminando un pirofosfato. Questo passaggio è molto importante, poiché l'energia per la polimerizzazione viene dall'idrolisi dei dNTP e dal pirofosfato risultante.

Il pol III o l'alfa si unisce al primo (vedi proprietà delle polimerasi) e inizia ad aggiungere i nucleotidi. L'epsilon allunga la catena del leader e il delta allunga il filo ritardato.

Proprietà delle DNA polimerasi

Tutte le DNA polimerasi conosciute condividono due proprietà essenziali associate al processo di replicazione.

Innanzitutto, tutte le polimerasi sintetizzano il filamento di DNA nella direzione 5'-3 ', aggiungendo i dNTP al gruppo ossidrile della catena in crescita.

Secondo, le DNA polimerasi non possono iniziare a sintetizzare una nuova catena dal nulla. Hanno bisogno di un ulteriore elemento noto come primer o primer, che è una molecola formata da alcuni nucleotidi che danno un gruppo idrossile libero, dove la polimerasi può ancorare e iniziare la sua attività.

Questa è una delle differenze fondamentali tra DNA e RNA polimerasi, poiché quest'ultimo è in grado di avviare la sintesi di una catena de novo.

Frammenti di Okazaki

La prima proprietà delle DNA polimerasi menzionate nella sezione precedente è una complicazione per la replicazione semiconservativa. Poiché i due filamenti del DNA funzionano in modo antiparallelo, uno di essi viene sintetizzato in modo discontinuo (che dovrebbe essere sintetizzato nel senso 3'-5).

Nel filamento ritardato, la sintesi discontinua avviene attraverso la normale attività della polimerasi, 5'-3 ', ei frammenti risultanti - noti in letteratura come frammenti di Okazaki - sono collegati da un altro enzima, la ligasi.

Riparazione del DNA

Il DNA è costantemente esposto a fattori, sia endogeni che esogeni, che possono danneggiarlo. Questi danni possono bloccare la replicazione e accumularsi, in modo che influenzino l'espressione dei geni, generando problemi nei vari processi cellulari.

Oltre al suo ruolo nel processo di replicazione del DNA, la polimerasi è anche un componente chiave dei meccanismi di riparazione del DNA. Possono anche fungere da sensori nel ciclo cellulare che impediscono l'ingresso nella fase di divisione se il DNA è danneggiato.

struttura

Attualmente, grazie agli studi di cristallografia, è stato possibile delucidare le strutture di varie polimerasi. Sulla base della loro sequenza primaria, le polimerasi sono raggruppate in famiglie: A, B, C, X e Y.

Alcuni aspetti sono comuni a tutte le polimerasi, in particolare quelle relative ai centri catalitici dell'enzima.

Questi includono due siti attivi chiave che hanno ioni metallici, con due residui di aspartato e un residuo variabile - aspartato o glutammato, che coordina i metalli. C'è un'altra serie di residui caricati che circondano il centro catalitico e sono conservati nelle diverse polimerasi.

Nei procarioti, la DNA polimerasi I è un polipeptide di 103 kd, II è un polipeptide di 88 kd e III ha dieci subunità.

Negli eucarioti, gli enzimi sono più grandi e più complessi: α è formato da cinque unità, β e γ da una subunità, δ da due subunità e ε da 5.

applicazioni

PRC

La polimerasi a catena (PRC) è un metodo utilizzato in tutti i laboratori di biologia molecolare, grazie alla sua utilità e semplicità. L'obiettivo di questo metodo è di amplificare in modo massivo una molecola di DNA di interesse.

Per ottenere ciò, i biologi usano una DNA polimerasi che non viene danneggiata dal calore (le alte temperature sono indispensabili per questo processo) per amplificare la molecola. Il risultato di questo processo è un numero elevato di molecole di DNA che possono essere utilizzate per scopi diversi.

Una delle più importanti utilità cliniche della tecnica è il suo uso nella diagnosi medica. La RPC può essere utilizzata per verificare la presenza di batteri patogeni e virus nei pazienti.

Antibiotici e antitumorali

Un numero significativo di farmaci ha lo scopo di troncare i meccanismi di replicazione del DNA nell'organismo patogeno, sia esso un virus o un batterio.

In alcuni di questi, l'obiettivo è l'inibizione dell'attività della DNA polimerasi. Ad esempio, la citarabina chemioterapeutica, chiamata anche citosina arabinoside, disabilita la DNA polimerasi.