DNA POLYMERASE: LOẠI, CHỨC NĂNG VÀ CẤU TRÚC - SINH HỌC - 2026

Các DNA polymerase là một enzyme có nhiệm vụ xúc tác cho trùng hợp của sợi DNA mới khi sao chép của phân tử này. Chức năng chính của nó là ghép nối các deoxyribonucleotide triphosphat với các deoxyribonucleotide của chuỗi khuôn mẫu. Nó cũng tham gia vào quá trình sửa chữa DNA.

Enzyme này cho phép bắt cặp chính xác giữa các cơ sở DNA của chuỗi khuôn mẫu và chuỗi mới, theo sơ đồ cặp A với T và G với C.

Cấu trúc của DNA polymerase beta ở người.
Nguồn: Yikrazuul, từ Wikimedia Commons

Quá trình sao chép DNA phải hiệu quả và phải được thực hiện nhanh chóng, vì vậy DNA polymerase hoạt động bằng cách thêm khoảng 700 nucleotide mỗi giây và chỉ mắc một lỗi sau mỗi 10 ⁹ hoặc 10 ¹⁰ nucleotide được kết hợp.

Có nhiều loại DNA polymerase khác nhau. Chúng khác nhau ở cả sinh vật nhân thực và sinh vật nhân sơ, và mỗi loại có một vai trò cụ thể trong quá trình sao chép và sửa chữa DNA.

Có thể một trong những enzym đầu tiên xuất hiện trong quá trình tiến hóa là polymerase, vì khả năng sao chép chính xác bộ gen là một yêu cầu nội tại cho sự phát triển của sinh vật.

Arthur Kornberg và các đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra loại enzyme này. Nhà nghiên cứu này đã xác định DNA polymerase I (Pol I) vào năm 1956, trong khi làm việc với Escherichia coli. Tương tự như vậy, chính Watson và Crick đã đề xuất rằng enzym này có thể tạo ra các bản sao trung thực của phân tử DNA.

Các loại

Sinh vật nhân sơ

Sinh vật nhân sơ (sinh vật không có nhân thực, được bao bọc bởi màng) có ba DNA polymerase chính, thường được viết tắt là pol I, II và III.

DNA polymerase I tham gia vào quá trình sao chép và sửa chữa DNA và có hoạt tính exonuclease theo cả hai hướng. Vai trò của enzym này trong sự sao chép được coi là thứ yếu.

II tham gia vào quá trình sửa chữa DNA và hoạt động exonuclease của nó theo nghĩa 3'-5 ". III tham gia vào quá trình sao chép và sửa đổi DNA, và giống như enzyme trước, nó thể hiện hoạt tính exonuclease theo nghĩa 3'-5 '.

Sinh vật nhân chuẩn

Sinh vật nhân chuẩn (sinh vật có nhân thật, được phân tách bằng màng) có năm DNA polymerase, được đặt tên bằng các chữ cái trong bảng chữ cái Hy Lạp: α, β, γ, δ và ε.

Polymerase γ nằm trong ty thể và chịu trách nhiệm sao chép vật chất di truyền trong bào quan của tế bào này. Ngược lại, bốn chất còn lại được tìm thấy trong nhân tế bào và tham gia vào quá trình sao chép DNA nhân.

Các biến thể α, δ và ε hoạt động tích cực nhất trong quá trình phân chia tế bào, cho thấy rằng chức năng chính của chúng liên quan đến việc sản xuất các bản sao DNA.

Về phần mình, DNA polymerase β thể hiện đỉnh hoạt động trong các tế bào không phân chia, vì vậy người ta cho rằng chức năng chính của nó liên quan đến việc sửa chữa DNA.

Các thí nghiệm khác nhau đã có thể xác minh giả thuyết rằng chúng hầu hết liên kết các polymerase α, δ và ε với quá trình sao chép DNA. Các loại γ, δ và ε hiển thị hoạt động exonuclease 3'-5 '.

Vòm

Các phương pháp giải trình tự mới đã thành công trong việc xác định rất nhiều họ DNA polymerase. Đặc biệt, trong vi khuẩn cổ, một họ enzyme, được gọi là họ D, đã được xác định là duy nhất cho nhóm sinh vật này.

Chức năng: Sao chép và sửa chữa DNA

Sao chép DNA là gì?

DNA là phân tử mang tất cả thông tin di truyền của một sinh vật. Nó được tạo thành từ đường, một bazơ nitơ (adenin, guanin, cytosine và thymine) và một nhóm phốt phát.

Trong quá trình phân chia tế bào liên tục xảy ra, DNA phải được sao chép nhanh chóng và chính xác - cụ thể là trong pha S của chu kỳ tế bào. Quá trình này mà tế bào sao chép DNA được gọi là sao chép.

Về mặt cấu trúc, phân tử DNA được tạo thành từ hai sợi, tạo thành một chuỗi xoắn. Trong quá trình sao chép, chúng tách biệt và mỗi hoạt động như một khuôn mẫu để hình thành một phân tử mới. Như vậy, các sợi mới truyền cho các tế bào con trong quá trình phân chia tế bào.

Vì mỗi sợi đóng vai trò như một khuôn mẫu, quá trình sao chép DNA được cho là bán bảo toàn - vào cuối quá trình, phân tử mới bao gồm một sợi mới và một sợi cũ. Quá trình này được mô tả vào năm 1958 bởi các nhà nghiên cứu Meselson và Stahl, sử dụng đồng vị.

Quá trình sao chép DNA đòi hỏi một loạt các enzym xúc tác. Trong số các phân tử protein này, DNA polymerase nổi bật.

Phản ứng

Để quá trình tổng hợp DNA xảy ra, cần có các chất nền cần thiết cho quá trình: deoxyribonucleotide triphosphate (dNTP)

Cơ chế phản ứng bao gồm một cuộc tấn công nucleophin bởi nhóm hydroxyl ở đầu 3 'của sợi đang phát triển trên alpha phosphate của các dNTP bổ sung, loại bỏ một pyrophosphate. Bước này rất quan trọng, vì năng lượng cho quá trình trùng hợp đến từ quá trình thủy phân các dNTP và tạo thành pyrophosphat.

Pol III hoặc alpha liên kết với mồi (xem đặc tính của polymerase) và bắt đầu thêm nucleotide. Epsilon kéo dài chuỗi chì, và delta kéo dài chuỗi chậm phát triển.

Tính chất của DNA polymerase

Tất cả các polymerase DNA đã biết đều có chung hai đặc tính thiết yếu liên quan đến quá trình sao chép.

Đầu tiên, tất cả các polymerase tổng hợp chuỗi DNA theo hướng 5'-3 ', thêm các dNTP vào nhóm hydroxyl của chuỗi đang phát triển.

Thứ hai, các polymerase DNA không thể bắt đầu tổng hợp một sợi mới từ đầu. Chúng cần một phần tử bổ sung được gọi là mồi hoặc mồi, là một phân tử được tạo thành từ một vài nucleotide cung cấp nhóm hydroxyl tự do, nơi polymerase có thể neo đậu và bắt đầu hoạt động của nó.

Đây là một trong những điểm khác biệt cơ bản giữa DNA và RNA polymerase, vì DNA polymerase có khả năng bắt đầu tổng hợp chuỗi de novo.

Những mảnh vỡ của Okazaki

Tính chất đầu tiên của DNA polymerase được đề cập trong phần trước thể hiện một sự phức tạp cho quá trình sao chép bán bảo tồn. Khi hai sợi DNA chạy đối đầu, một trong số chúng được tổng hợp không liên tục (sợi DNA cần được tổng hợp theo nghĩa 3'-5 ").

Trong sợi chậm, sự tổng hợp không liên tục xảy ra thông qua hoạt động bình thường của polymerase, 5'-3 ', và các đoạn tạo thành - được gọi là đoạn Okazaki - được liên kết bởi một enzym khác, ligase.

Sửa chữa DNA

DNA thường xuyên tiếp xúc với các yếu tố, cả nội sinh và ngoại sinh, có thể làm hỏng nó. Những thiệt hại này có thể ngăn chặn sự sao chép và tích tụ, ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen, gây ra các vấn đề trong các quá trình tế bào khác nhau.

Ngoài vai trò trong quá trình sao chép DNA, polymerase còn là thành phần chủ yếu của cơ chế sửa chữa DNA. Chúng cũng có thể hoạt động như các cảm biến trong chu kỳ tế bào ngăn cản sự xâm nhập vào giai đoạn phân chia nếu DNA bị hỏng.

Kết cấu

Hiện nay, nhờ các nghiên cứu về tinh thể học, cấu trúc của các polymerase khác nhau đã được làm sáng tỏ. Dựa trên trình tự chính của chúng, các polymerase được nhóm thành các họ: A, B, C, X và Y.

Một số khía cạnh chung cho tất cả các polymerase, đặc biệt là những khía cạnh liên quan đến các trung tâm xúc tác của enzym.

Chúng bao gồm hai vị trí hoạt động chính có các ion kim loại, với hai gốc aspartat và một dư lượng thay đổi - hoặc là aspartat hoặc glutamat, phối hợp các kim loại. Có một loạt cặn tích điện khác bao quanh tâm xúc tác và được bảo tồn trong các polymerase khác nhau.

Ở sinh vật nhân sơ, DNA polymerase I là polypeptide 103 kd, II là polypeptide 88 kd, và III bao gồm mười đơn vị con.

Ở sinh vật nhân chuẩn, các enzym lớn hơn và phức tạp hơn: α được tạo thành từ năm đơn vị, β và γ của một tiểu đơn vị, δ gồm hai tiểu đơn vị và ε là 5.

Các ứng dụng

CHND Trung Hoa

Phản ứng chuỗi polymerase (PRC) là một phương pháp được sử dụng trong tất cả các phòng thí nghiệm sinh học phân tử, nhờ tính tiện ích và đơn giản của nó. Mục tiêu của phương pháp này là khuếch đại hàng loạt một phân tử DNA quan tâm.

Để đạt được điều này, các nhà sinh học sử dụng một DNA polymerase không bị nhiệt làm hỏng (nhiệt độ cao rất cần thiết cho quá trình này) để khuếch đại phân tử. Kết quả của quá trình này là một số lượng lớn các phân tử DNA có thể được sử dụng cho các mục đích khác nhau.

Một trong những tiện ích lâm sàng nổi bật nhất của kỹ thuật này là sử dụng trong chẩn đoán y tế. PRC có thể được sử dụng để kiểm tra bệnh nhân về vi khuẩn và vi rút gây bệnh.

Thuốc kháng sinh và thuốc chống u

Một số lượng đáng kể các loại thuốc nhằm mục đích cắt ngắn các cơ chế sao chép DNA trong sinh vật gây bệnh, có thể là vi rút hoặc vi khuẩn.

Trong một số trường hợp này, mục tiêu là ức chế hoạt động của DNA polymerase. Ví dụ, thuốc hóa trị liệu cytarabine, còn được gọi là cytosine arabinoside, vô hiệu hóa DNA polymerase.

Người giới thiệu

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Sinh học tế bào cần thiết. Khoa học Garland.
2. Cann, IK & Ishino, Y. (1999). Sao chép DNA cổ: xác định các mảnh để giải một câu đố. Di truyền học, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM và Hausman, RE (2004). Tế bào: Cách tiếp cận phân tử. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Nhiều chức năng của DNA polymerase. Các bài phê bình trong khoa học thực vật, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Chức năng của DNA polymerase của sinh vật nhân thực. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA polymerase: sự đa dạng về cấu trúc và các cơ chế chung. Tạp chí Hóa học Sinh học, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG và Wilson, SH (2013). So sánh cấu trúc của cấu trúc DNA polymerase cho thấy một cửa ngõ nucleotide đến vị trí hoạt động của polymerase. Nhận xét về hóa chất, 114 (5), 2759-74.