DNA polymeráza

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie
3D štruktúra DNA väzby helix-hairpin-helix motívy v ľudskej DNA polymeráze beta

DNA polymerázyenzýmy schopné syntetizovať nové vlákno DNA na základe predlohy vo forme vlákna komplementárneho a ich rola v bunke spočíva v replikácii DNA. Existuje niekoľko prokaryotických a eukaryotických DNA polymeráz, ktoré sa navzájom odlišujú presnosťou replikácie, schopnosťou opravovať spôsobené chyby a schopnosťou odbúravať vlákno na 5' konci DNA. Ich spoločnou vlastnosťou, ktorá je daná ich funkciou, je schopnosť pripájať deoxyribonukleotid monofosfáty (dNMP) k 3'-OH koncu syntetizovaného reťazca. Spôsobujú tak polymeráciu jedného vlákna DNA v smere od 5' konca ku 3' koncu, hovorí sa teda, že majú 5'-3' polymerázovú aktivitu [1].

Dodatočná funkcia väčšiny DNA polymeráz je 3'-5'-exonukleázová aktivita, vďaka ktorej sa môže polymeráza "vrátiť" a odbúrať práve syntetizovanú dvojicu nukleotidov. Táto aktivita je dôležitá pre minimalizáciu nepresností pri replikácii DNA. Ďalšou dodatočnou, ale skôr vzácnou funkciou, je 5'-3' exonukleázová aktivita, vďaka ktorej môžu niektoré DNA polymerázy odbúravať primery a DNA opravovať.[1]

Podobne, ako iné enzýmy interagujúce s DNA, potrebuje DNA polymeráza pre svoju aktivitu horečnaté katióny Mg+, ktoré stabilizujú záporne nabité fosfátové skupiny DNA. Monoméry DNA sa reakcie polymerácie zúčastňujú ako deoxyribonukleotid trifosfáty a energia pre tvorbu fosfodiesterovej väzby medzi fosfátom a voľnou 3'-OH skupinou syntetizovaného vlákna je dodaná rozštiepením začleňovaného deoxynukleotid trifosfátu na deoxynukleotid monofosfát a pyrofosfát.[1]

Prokaryotické DNA polymerázy[upraviť | upraviť zdroj]

Bakteriálne DNA polymerázy sa označujú rímskymi číslicami.

Polymeráza Štruktúrny gén Podjednotky Molekulová hmotnosť v Daltonoch 3'-5' exonukleázová aktivita 5'-3' exonukleázová aktivita Rýchlosť polymerizácie (nukleotidov/s) Procesivita (počet pridaných nukleotidov pred disociáciou)
DNA polymeráza I polA 1 103 000 áno áno 10-20 3-200
DNA polymeráza II polB 7 88 000 áno nie 40 1500
DNA polymeráza III polC (dnaE) 10 a viac 791 500 áno nie 250-1 000 nad 500 000

DNA polymeráza I[upraviť | upraviť zdroj]

DNA polymeráza I je prvou DNA polymerázou izolovanou z bakteriálneho kmeňa E. coli. Už krátko po jej objave vyšlo najavo, že nie je vhodná pre replikáciu celého genómu E. coli - jej nameraná rýchlosť je 100x pomalšia ako rýchlosť pohybu replikačnej vidličky a má veľmi nízku procesivitu (schopnosť vykonávať činnosť nepretržite). Narozdiel od ostatných polymeráz však má 5'-3' exonukleázovú aktivitu, vďaka ktorej môže odbúravať nukleotidy (či už DNA alebo RNA vlákna), ktoré by inak bránili polymeráze v pohybe v smere od 5' konca ku 3' koncu syntetizovaného vlákna. Vďaka tejto schopnosti hrá DNA polymeráza I rolu v odbúravaní primerov, rekombinácii a pri oprave DNA. 5'-3' exonukleázovú aktivitu zabezpečuje malý fragment, ktorý je možné od zvyšku enzýmu oddeliť miernou proteolýzou. Zvyšok enzýmu (tzv. veľký alebo Klenowov fragment) si v takom prípade zachováva 5'-3' polymerázovú a 3'-5' exonukleázovú aktivitu.[1]

DNA polymeráza II[upraviť | upraviť zdroj]

DNA polymeráza II, narozdiel od DNA polymerázy I, nemá 5'-3' exonukleázovú aktivitu. Skladá sa až zo siedmych podjednotiek, DNA syntetizuje približne 2x rýchlejšie a má tiež niekoľkonásobne vyššiu procesivitu. Napriek tomu však jej vlastnosti nie sú dostatočné pre replikáciu celého genómu baktérie.[1]

DNA polymeráza III[upraviť | upraviť zdroj]

DNA polymeráza III je hlavná DNA polymeráza v E. coli. Podobne, ako DNA polymeráze II, jej chýba 5'-3' exonukleázová aktivita, jej rýchlosť je však asi 100x vyššia, ako rýchlosť DNA polymerázy I, za jednu sekundu teda pripojí k jednému vláknu 250-1000 nukleotidfosfátov. Skladá sa z 13 podjendnotiek označovaných gréckymi písmenami - α podjednotka zodpovedá za polymeráciu a ε podjednotka za 3'-5' exonukleázovú aktivitu. Zvyšné jednotky tvoria telo enzýmu, pričom dôležité sú β podjednotky, ktoré fungujú ako zverák a zabezpečujú, aby sa komplex neoddisocioval od vlákna DNA, čiže vysokú procesivitu.[1][2]

Eukaryotické DNA polymerázy[upraviť | upraviť zdroj]

Eukaryotické DNA polymerázy sú štruktúrne a funkčne podobné polymerázam prokaryotickým. Skladajú sa z viacerých podjednotiek a označujú sa gréckymi písmenami.[1]

DNA polymeráza α[upraviť | upraviť zdroj]

DNA polymeráza α svojou funkciou vybočuje z rady ostatných DNA polymeráz. Nemá 3'-5' exonukleázovú aktivitu a pravdepodobne hrá rolu len v syntéze krátkych primerov, či už z RNA alebo z DNA, tvoriacich Okazakiho fragmenty.[1]

DNA polymeráza β[upraviť | upraviť zdroj]

DNA polymeráza β hrá rolu predovšetkým pri oprave DNA, konkrétne v miestach, na ktorých boli nukleotidové báze chemicky modifikované (oxidáciu, metyláciou a pod.). [1]

DNA polymeráza γ[upraviť | upraviť zdroj]

DNA polymeráza γ je živočíšna DNA polymeráza, ktorá slúži exklúzívne na replikáciu DNA v mitochonriách, v ktorých hrá rolu aj v oprave DNA a v jeho rekombinácii.[3]

DNA polymeráza δ[upraviť | upraviť zdroj]

DNA polymeráza δ je hlavnou eukaryotickou polymerázou. Asociuje s proteínom PCNA (z angl. proliferating cell nuclear antigen), ktorý je štruktúrne veľmi podobný β podjednotke bakteriálnej DNA polymerázy III a tak aj funguje - výrazne zlepšuje procesivitu DNA polymerázy δ. DNA polymeráza δ má schopnosť 3'-5' exonukleázovej aktivity a pri replikácii sa podieľa na syntéze vedúceho aj oneskorujúceho sa vlákna.[1]

DNA polymeráza ε[upraviť | upraviť zdroj]

DNA polymeráza ε v niektorých prípadoch nahradzuje DNA polymerázu δ, predovšetkým pri oprave DNA a pravdepodobne aj pri 5'-3' exonukleázovej aktivite, pri ktorej odbúrava primery (podobne ako prokaryotická DNA polymeráza I).[1]

Reverzná transkriptáza[upraviť | upraviť zdroj]

Reverzná transkriptáza je RNA dependentná DNA polymeráza, syntetizuje nové vlákno DNA komplementárne k existujúcemu vláknu RNA. Navyše má schopnosť odbúravať RNA vlákno, ktoré je komplementárne spárované k DNA vláknu. Reverznú transkriptázu využívajú retrovírusy na prepis svojej RNA do DNA, ktorú následne začleňujú do genómu hostiteľskej bunky. Ide napríklad o vírus hepatitídy B alebo HIV.

Využitie vo výskume[upraviť | upraviť zdroj]

DNA polymeráza je jeden z najdôležitejších enzýmov, ktoré sú vedecky využívané pri práci s DNA, konkrétne pre jej amplifikáciu, klonovanie a sekvenáciu. Pre účely molekulárnej biológie boli izolované termostabilné DNA polymerázy, predovšetkým z bakteriálnych a archeálnych organizmov žijúcich v morských hlbinách. Tieto DNA boli pre vedecké účely ďalej modifikované mutáciami, aby bola ich aktivita zlepšená v prospech daného účelu. Doposiaľ najväčšie využite nachádzajú DNA polymerázy v tzv. polymerázovej reťazovej reakcii, vďaka ktorej môžu vedci amplifikovať z jednej molekuly templátovej DNA ľubovoľný úsek DNA.[1]

Referencie[upraviť | upraviť zdroj]

  1. a b c d e f g h i j k l NELSON, David L.; COX, Michael M.. Lehninger Principles of Biochemistry. 6. vyd. New York : W. H. Freeman and Company, 2013. ISBN 978-1-4641-0962-1. (anglicky)
  2. KOLEKTÍV AUTOROV. Biochemie - Základní kurz. 3. vyd. Praha : Učební texty Univerzity Karlovy v Praze, 2000. (česky)
  3. Kaguni, L. S. (2004). "DNA polymerase gamma, the mitochondrial replicase". Annual review of biochemistry 73: 293-320.

Pozri aj[upraviť | upraviť zdroj]