ДНК-полімераза

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Тривимірна структура ДНК-зв'язуючих спірально-шпилькових ділянок в людській бета-ДНК-полімеразі

ДНК-полімераза — це фермент, що бере участь у реплікації ДНК. Ферменти цього класу каталізують полімеризацію дезоксирибонуклеотидів уздовж ланцюжка ДНК, який фермент «зчитує» і використовує як шаблон. Тип нового нуклеотиду визначається за принципом комплементарності до матриці, з якої ведеться зчитування. Молекула ДНК, що синтезується, є комплементарною до матричного ланцюга й ідентична з одним із ланцюгів другої подвійної спіралі.

Розрізняють ДНК-залежну ДНК-полімеразу (КФ 2.7.7.7), що використовує як матрицю один з ланцюгів ДНК, і РНК-залежну ДНК-полімеразу (інша назва — зворотна транскриптаза КФ 2.7.7.49), здатну до зчитування інформації з РНК (зворотна транскрипція). ДНК-полімераза є голоферментом, оскільки для нормального функціонування вона потребує присутності іонів магнію як кофактора. При відсутності іонів магнію про неї можна говорити як про апофермент.

Дія ДНК-полімерази

[ред. | ред. код]
Схематичне зображення реплікації ДНК

ДНК-полімераза додає вільні нуклеотиди до 3’-кінця ланцюга, що збирається. Це призводить до елонгації ланцюгу в напрямку 5'-3'.

Жодна з відомих ДНК-полімераз не може створити ланцюг «з нуля»: вони в змозі лише додавати нуклеотиди до вже існуючої 3'-гідроксильної групи. З цієї причини ДНК-полімераза потребує праймера, до якого вона могла б додати перший нуклеотид. Праймери складаються з основ РНК і ДНК, при цьому перші дві основи завжди є РНК-основами. Праймери синтезуються іншим ферментом — праймазою. Ще один фермент — геліказа - необхідний для розкручування подвійної спіралі ДНК з формуванням одноланцюжкової структури, яка забезпечує реплікацію обох ланцюжків відповідно до напівконсервативної моделі реплікації ДНК.

Деякі ДНК-полімерази також мають здатність виправляти помилки в тільки що зібраному ланцюжку ДНК. Якщо відбувається виявлення неправильної пари нуклеотидів, ДНК-полімераза відкатується на один крок назад. Завдяки своїй екзонуклеазній активності, ДНК-полімераза може вилучити неправильний нуклеотид з ланцюжка і вставити на його місце правильний, після чого реплікація продовжується в нормальному режимі.

Різноманіття ДНК-полімераз

[ред. | ред. код]

Структура ДНК-полімераз досить жорстко фіксована. Їхні каталітичні субодиниці дуже мало відрізняються в різних видах живих клітин. Така фіксація структури зазвичай з'являється там, де відсутність різноманітності обумовлена величезною важливістю або навіть незамінністю для функціонування клітини.

Генами деяких вірусів теж кодується особлива ДНК-полімераза, яка може вибірково реплікувати вірусну ДНК. Ретровіруси мають ген незвичайної ДНК-полімерази, що є РНК-залежною ДНК-полімеразою, котра називається зворотною транскриптазою і що здійснює збирання ДНК, на основі шаблонної РНК.

ДНК-полімераза I (кільцеподібна структура, що складається з декількох однакових молекул білка, показаних різними кольорами), що лігує пошкоджений ланцюжок ДНК

Родини ДНК-полімераз

[ред. | ред. код]

На основі своєї структури ДНК-полімерази можуть бути розбиті на сім різних родин: A, B, C, D, X, Y, і RT.

Родина A

[ред. | ред. код]

Родина A містить реплікативні і відновні ДНК-полімерази. Реплікативні члени цього сімейства представлені, наприклад, добре дослідженою ДНК-полімеразою вірусу Т7 або еукаріотичною мітохондріальною ДНК-полімеразою γがんま. Серед відновних полімераз є такі приклади як полімераза I (Pol I) E. coli , Pol I Thermus aquaticus або Pol IBacillus stearothermophilus . Відновні полімерази беруть участь в процесі усунення помилок в ДНК, що збирається, а також в обробці фрагментів Окадзакі.

Родина B

[ред. | ред. код]

До родини B переважно входять відновні полімерази, зокрема основні еукаріотичні ДНК-полімерази αあるふぁ, δでるた, εいぷしろん, а також ДНК-полімераза ζぜーた. До цієї родини також відносять ДНК-полімерази деяких бактерій і бактеріофагів, наприклад бактеріофагів T4, Phi29 і RB69. Ці ферменти використовуються в синтезі і 3’→5’, і 5’→3’ ланцюгів ДНК. Помітною особливістю полімераз цієї родини є чудова точність реплікації. Багато представників також володіє сильною 3’-5’-екзонуклеазною активністю (за винятком ДНК-полімераз αあるふぁ і ζぜーた, які не мають здатності коректувати помилки).

Родина C

[ред. | ред. код]

Полімерази цієї родини — переважно бактеріальні хромосомні реплікативні ферменти, що мають, крім того, 3’-5’-екзонуклеазну активність.

Родина D

[ред. | ред. код]

Полімерази цієї родини недостатньо вивчені. Всі відомі зразки вважаються реплікативними полімеразами і виявлені у архей типу Euryarchaeota.

Родина X

[ред. | ред. код]

До родини Х належить широко знана еукаріотична ДНК-полімераза βべーた (Pol βべーた), а також σしぐま, λらむだ, μみゅー і кінцева дезоксинуклеотидил-трансфераза (TDT). ДНК-полімераза βべーた необхідна для здійснення процесу відновлення пошкоджених ділянок ДНК. Полімерази λらむだ і μみゅー беруть участь у негомологічному з'єднанні кінців — процесі відновлення розривів подвійної спіралі. TDT експрессуєтся тільки в лімфоїдній тканині і додає «N нуклеотідов» до розривів подвійної спіралі, що утворюються під час В(Р)С-рекомбінації. Дріжджі Saccharomyces cerevisiae мають лише одну полімеразу X, Pol 4, що бере участь у негомологічному з'єднанні.

Родина Y

[ред. | ред. код]

Полімерази цієї родини відрізняються від інших низькою продуктивністю на цілісних шаблонах, а також здатністю здійснювати реплікацію на шаблонах пошкодженої ДНК. Внаслідок цього члени сімейства називаються полімеразами транслезійного синтезу (ТЛС-полімеразами). Залежно від характеру пошкодження (лезії) ТЛС-полімерази можуть відновити початковий ланцюжок. Помилка може і не бути відновлена, що приводить до мутацій. Наприклад, пацієнти, які страждають від пігментної скенодерми, мають у своєму геномі мутантну ДНК-полімеразу ηいーた (ета), що може без помилок відновлювати пошкодження, викликані ультрафіолетом, проте інші полімерази, наприклад ζぜーた (що належить до родини B), приводять до помилок, що, як вважається, приводить до схильності до онкологічних захворювань.

Інші члени цієї родини — людські полімерази ιいおた, κかっぱ, а також кінцева дезоксинуклеотидил-трансфераза Rev1. У E. coli є дві ТЛС-полімерази: IV (DINB) і V (UMUC).

Родина RT

[ред. | ред. код]

Родина зворотних транскриптаз (назва сімейства походить від англ. reverse transcriptase) містить полімерази, виявлені як у ретровірусів, так і у еукаріотів. Еукаріотичні полімерази переважно представлені теломеразами. Ці полімерази використовують РНК як матрицю для синтезу ланцюжка ДНК.

Прокаріотичні ДНК-полімерази

[ред. | ред. код]

У бактерій виявлено п'ять ДНК-полімераз:

  • ДНК-полімераза I — задіяна у відновленні ДНК, має як 5'-3', так і 3'-5'-екзонуклеазну активність;
  • ДНК-полімераза II — бере участь в реплікації пошкодженої ДНК. Має здатність 5'-3'-елонгації і 3'-5'-екзонуклеазну активність;
  • ДНК-полімераза III — основна полімераза бактерій, що має також 3'-5'-екзонуклеазну активність;
  • ДНК-полімераза IV — ДНК-полімераза сімейства Y;
  • ДНК-полімераза V — ДНК-полімераза сімейства Y, що бере участь в пропуску пошкоджених ділянок ДНК.

Еукаріотичні ДНК-полімерази

[ред. | ред. код]

Еукаріоти містять щонайменше п'ятнадцять видів ДНК-полімераз[1]:

  • ДНК-полімераза αあるふぁ формує комплекс з праймазою, яка синтезуює праймер ДНК, після чого полімераза приєднує до цього праймеру нуклеотиди. Після того, як довжина ланцюжка досягне близько 20 нуклеотидів[2], до транскрипції приступають полімерази δでるた і εいぷしろん;
  • ДНК-полімераза βべーた задіяна у відновленні ДНК;
  • ДНК-полімераза γがんま, що здійснює реплікацію мітохондріальної ДНК;
  • ДНК-полімераза δでるた — основна полімераза еукаріотів. Вона високопродуктивна, а також має 3'-5'-екзонуклеазну активність;
  • ДНК-полимераза εいぷしろん, що іноді заміщає ДНК-полімеразу δでるた під час синтезу 3’-5’-ланцюжка. Основне призначення цієї полімерази неясне;
  • ДНК-полімерази ηいーた, ιいおた, κかっぱ і Rev1 з сімейства Y, а також ζぜーた з сімейства B. Ці полімерази задіяні в пропуску пошкоджених ділянок ДНК[3].
  • Існують також інші еукаріотичні ДНК-полімерази, які поки що недостатньо вивчені: θしーた, λらむだ, φふぁい, σしぐま і μみゅー, та деякі інші.

Жодна еукаріотична полімераза не може відщеплювати праймери, тобто не має 5-3'-екзонуклеазної активності. Цю функцію виконують інші ферменти. Тільки полімерази, що здійснюють елонгацію (γがんま, δでるた і εいぷしろん) мають 3'-5'-екзонукеазну активність.

Див. також

[ред. | ред. код]

Примітки

[ред. | ред. код]
  1. ↑ I. Hubscher, U.; Maga, G.; Spadari, S. (2002) Eukaryotic DNA polymerases. Annual Review of Biochemistry 71, 133-63.
  2. ↑ J. M. Berg; J. L. Tymoczko; L. Stryer «Biochemie», Springer, Heidelberg/Berlin 2003
  3. ↑ I. Prakash, S.; Johnson, R. E.; Prakash, L. (2005) Eukaryotic translesion synthesis DNA polymerases: specificity of structure and function. Annual Review of Biochemistry 74, 317-53.

Посилання

[ред. | ред. код]
  • PubMed [Архівовано 11 квітня 2013 у Wayback Machine.]
  • Burgers P, Koonin E, Bruford E та ін. (2001). Eukaryotic DNA polymerases: proposal for a revised nomenclature. J. Biol. Chem. 276 (47): 43487—90. PMID 11579108. Архів оригіналу за 31 березня 2009. Процитовано 11 листопада 2007. {{cite journal}}: Явне використання «та ін.» у: |author= (довідка)
  • DNA Polymerases: Custom Search Engine[недоступне посилання з квітня 2019] at custom-search-engine.com
  • Annual Review of Biochemistry: EUKARYOTIC DNA POLYMERASES [Архівовано 14 грудня 2007 у Wayback Machine.] at annualreviews.org
  • Unusual repair mechanism in DNA polymerase lambda, Ohio State University, July 25, 2006.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=ДНК-полімераза&oldid=40806887