DNA POLIMERASI: TIPI, FUNZIONE E STRUTTURA - BIOLOGIA - 2024

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 accoppiare i desossiribonucleotidi trifosfato con quelli della catena stampo. È anche coinvolto nella riparazione del DNA.

Questo enzima consente il corretto accoppiamento tra le basi del DNA della catena stampo e quella nuova, seguendo lo schema di A coppie con T e G con C.

Struttura della DNA polimerasi beta nell'uomo.
Fonte: Yikrazuul, da Wikimedia Commons

Il processo di replicazione del DNA deve essere efficace e deve essere eseguito rapidamente, quindi la DNA polimerasi funziona aggiungendo circa 700 nucleotidi al secondo e commette un solo errore ogni 10 ⁹ o 10 ¹⁰ nucleotidi incorporati.

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

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

La scoperta di questo enzima è attribuita ad 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 di DNA.

tipi

I procarioti

Gli organismi procarioti (organismi senza un vero nucleo, delimitati da una membrana) possiedono tre principali DNA polimerasi, comunemente abbreviate come pol I, II e III.

La DNA polimerasi I partecipa alla replicazione e alla riparazione del DNA e ha attività esonucleasica in entrambe le direzioni. Il ruolo di questo enzima nella replicazione è considerato secondario.

II partecipa alla riparazione del DNA e la sua attività esonucleasica è nel senso 3'-5 '. III partecipa alla replicazione e alla revisione del DNA e, come l'enzima precedente, mostra attività esonucleasica nel senso 3'-5 '.

eucarioti

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

La polimerasi γ 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 di DNA.

La DNA polimerasi β, da parte sua, mostra picchi di attività nelle 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 associno principalmente α, δ e ε polimerasi alla replicazione del DNA. I tipi γ, δ e ε mostrano un'attività esonucleasica 3'-5 '.

archi

Nuovi metodi di sequenziamento sono riusciti a identificare un'enorme varietà di famiglie di DNA polimerasi. In archaea, in particolare, è stata identificata una famiglia di enzimi, chiamata famiglia D, unica 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. È costituito da 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 in modo rapido e accurato, in particolare nella fase S del ciclo cellulare. Questo processo in cui la cellula copia il DNA è noto come replicazione.

Strutturalmente, la molecola di DNA è composta da due filamenti, che formano un'elica. Durante il processo di replicazione, questi si separano e ciascuno funge da modello per la formazione di una nuova molecola. Pertanto, i nuovi filamenti passano alle cellule figlie nel processo di divisione cellulare.

Poiché ogni filamento funge da modello, si dice che la replicazione del DNA sia semi-conservativa: alla fine del processo, la nuova molecola è costituita da un nuovo e da un vecchio filamento. Questo processo è stato descritto nel 1958 dai ricercatori Meselson e Stahl, utilizzando isopoti.

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: desossiribonucleotide trifosfato (dNTP)

Il meccanismo di reazione prevede un attacco nucleofilo da parte del gruppo idrossile all'estremità 3 'del filamento in crescita sull'alfa fosfato dei dNTP complementari, eliminando un pirofosfato. Questo passaggio è molto importante, poiché l'energia per la polimerizzazione proviene dall'idrolisi dei dNTP e dal pirofosfato risultante.

Il pol III o alfa si lega al primer (vedi proprietà delle polimerasi) e inizia ad aggiungere nucleotidi. L'epsilon allunga la catena dell'elettrocatetere 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.

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

In secondo luogo, le DNA polimerasi non possono iniziare a sintetizzare un nuovo filamento da zero. Hanno bisogno di un elemento aggiuntivo noto come primer o primer, che è una molecola composta da pochi nucleotidi che fornisce un gruppo idrossile libero, dove la polimerasi può ancorarsi e iniziare la sua attività.

Questa è una delle differenze fondamentali tra DNA e RNA polimerasi, poiché quest'ultima 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 rappresenta una complicazione per la replicazione semi-conservativa. Poiché i due filamenti di DNA sono antiparalleli, uno di essi viene sintetizzato in modo discontinuo (quello 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, influenzando l'espressione dei geni, causando 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 agire come sensori nel ciclo cellulare che impediscono l'ingresso nella fase di divisione se il DNA è danneggiato.

Struttura

Attualmente, grazie agli studi di cristallografia, sono state chiarite le strutture di varie polimerasi. In base alla 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 quelli relativi ai centri catalitici dell'enzima.

Questi includono due siti attivi chiave che possiedono 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 carichi che circondano il centro catalitico e si conservano nelle diverse polimerasi.

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

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

applicazioni

PRC

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

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

Una delle utilità cliniche più importanti della tecnica è il suo utilizzo nella diagnosi medica. La PRC può essere utilizzata per controllare i pazienti per batteri e virus patogeni.

Antibiotici e farmaci antitumorali

Un numero significativo di farmaci mira a 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, il farmaco chemioterapico citarabina, chiamato anche citosina arabinoside, disabilita la DNA polimerasi.

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