DNA-polymerase er et enzym involveret i DNA-replikation . Enzymer af denne klasse katalyserer polymeriseringen af deoxyribonukleotider langs DNA -nukleotidkæden , som enzymet "læser" og bruger som skabelon. Typen af et nyt nukleotid bestemmes af princippet om komplementaritet med den skabelon, hvorfra aflæsningen udføres. Det samlede molekyle er komplementært til skabelonen monocoil og identisk med den anden komponent af dobbelthelixen. [en]
DNA-afhængig DNA-polymerase isoleres ( EC 2.7.7.7 Arkiveret 29. september 2007 på Wayback Machine ) ved hjælp af en af DNA-strengene som skabelon og RNA-afhængig DNA-polymerase (et andet navn er revers transkriptase , EC 2.7.7.49 Arkivkopi dateret 29. september 2007 på Wayback Machine ), som også er i stand til at læse information fra RNA ( omvendt transkription ) [2] .
DNA-polymerase betragtes som et holoenzym , fordi det kræver tilstedeværelsen af magnesiumioner som en cofaktor for at fungere korrekt . I mangel af magnesiumioner kan det omtales som et apoenzym .
DNA-polymerase begynder DNA-replikation ved at binde sig til et segment af en kæde af nukleotider. Det gennemsnitlige antal nukleotider, der er bundet af DNA-polymerase-enzymet i en bindings-/dissociationsakt med skabelonen, kaldes processivitet .
Som du ved, er de to strenge i DNA-molekylet antiparallelle. De forskellige ender af den samme streng kaldes 3'-enden og 5'-enden. Replikation sker ved kontinuerlig vækst nukleotid for nukleotid af begge nye kæder samtidigt. Skabelonen aflæses kun af DNA-polymerase i 3'-5'-retningen, hvilket tilføjer frie nukleotider til 3'-enden af den samlede kæde. Derfor sker DNA-syntese kontinuerligt kun på en af skabelonstrengene, kaldet " ledende ". I den anden streng (" lagging ") forekommer syntese i korte fragmenter .
Ingen af de kendte DNA-polymeraser kan skabe en kæde fra bunden: de er kun i stand til at tilføje nukleotider til en allerede eksisterende 3'-hydroxylgruppe. Af denne grund har DNA-polymerase brug for en primer , hvortil den kan tilføje det første nukleotid. Primere er sammensat af RNA- og DNA-baser, hvor de to første baser altid er RNA-baser. Primere syntetiseres af et andet enzym- primase . Et andet enzym, helicase , er påkrævet for at afvikle DNA-dobbelthelixen for at danne en enkeltstrenget struktur, der sikrer replikation af begge strenge i overensstemmelse med den semi-konservative model for DNA-replikation.
Nogle DNA-polymeraser har også evnen til at rette fejl i den nyligt sammensatte DNA-streng. Hvis der påvises et forkert basepar, ruller DNA-polymerase et trin tilbage. På grund af dets 3'-5'- exonuklease hydrolytiske aktivitet kan DNA polymerase fjerne det forkerte nukleotid fra kæden og derefter indsætte det korrekte i stedet, hvorefter replikationen fortsætter normalt.
Strukturen af DNA-polymeraser er ret stift fikseret. Deres katalytiske underenheder adskiller sig meget lidt i forskellige typer af levende celler. Denne fiksering af struktur optræder normalt, hvor manglen på mangfoldighed skyldes dens store betydning eller endda uundværlig for cellens funktion.
Generne fra nogle vira koder også for specielle DNA-polymeraser, der selektivt kan replikere viralt DNA. Retrovira har et usædvanligt DNA-polymerasegen, også kaldet revers transkriptase , som er en RNA-afhængig DNA-polymerase, der samler DNA baseret på skabelon-RNA.
Baseret på deres struktur kan DNA-polymeraser klassificeres i syv forskellige familier: A, B, C, D, X, Y og RT.
Familie A inkluderer replikative og reparations-DNA-polymeraser. Replikative medlemmer af denne familie er for eksempel den velundersøgte T7-virus DNA-polymerase eller den eukaryote mitokondrielle DNA-polymerase y . Blandt de reduktive polymeraser finder vi eksempler som E. coli DNA polymerase I , Thermus aquaticus polymerase I eller Bacillus stearothermophilus polymerase I. Restorative polymeraser er involveret i processen med debugging af det samlede DNA samt bearbejdning af Okazaki-fragmenter .
Familie B omfatter hovedsageligt reduktive polymeraser, herunder de vigtigste eukaryote DNA-polymeraser α, δ og ε, og DNA-polymerase ζ. Denne familie inkluderer også DNA-polymeraserne fra nogle bakterier og bakteriofager , såsom bakteriofager T4, Phi29 og RB69. Disse enzymer anvendes i syntesen af både 3'-5' og 5'-3' DNA monostrenge. Et karakteristisk træk ved polymeraserne i denne familie er den bemærkelsesværdige troskab af replikation. Mange har også en stærk 3'-5'-exonukleaseaktivitet (med undtagelse af DNA-polymeraser α og ζ, som ikke har evnen til at rette fejl) [3] .
Polymeraserne i denne familie er hovedsageligt bakterielle kromosomale replikative enzymer, som desuden har en 3'-5'-exonukleaseaktivitet.
Polymeraserne i denne familie er ikke blevet tilstrækkeligt undersøgt. Alle kendte prøver betragtes som replikative polymeraser og findes i archaea af Euryarchaeota- underdomænet [4] .
Familie X inkluderer den velkendte eukaryote DNA-polymerase β, såvel som andre såsom σ, λ, μ og terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT). DNA-polymerase β er nødvendig for processen med at reparere beskadigede DNA-sektioner . Polymeraser λ og μ er involveret i en ikke-homolog forbindelse - processen med at reparere dobbelt helix brud.TdT udtrykkes kun i lymfoidt væv og tilføjer "n nukleotider" til dobbelt helix brud dannet under B (P) C rekombination . Gæren Saccharomyces cerevisiae har kun én polymerase X, Pol4 , involveret i den ikke-homologe forbindelse [5] .
Polymeraser af denne familie adskiller sig fra andre i deres lave produktivitet på intakte skabeloner, såvel som evnen til at replikere på beskadigede DNA-skabeloner. Som et resultat kaldes medlemmer af familien translesionale syntesepolymeraser. Afhængigt af arten af skaden (læsionen), kan TLS-polymeraser genoprette den oprindelige kæde. Fejlen kan muligvis ikke gendannes, hvilket fører til mutationer. Xeroderma pigmentosum - patienter har for eksempel et muteret η (eta) DNA-polymerasegen, der er skadetolerant, men andre polymeraser, såsom ζ (der tilhører B-familien), lider af mutationer, der menes at føre til kræftdisposition.
Andre medlemmer af denne familie er de humane ι og κ polymeraser, såvel som den terminale deoxynucleotidyl transferase Rev1. E. coli har to TLS-polymeraser: IV (DINB) og V (UMUC) [6] .
Reverse transcriptase-familien (navnet på familien kommer fra engelsk. reverse transcriptase ) indeholder polymeraser, der findes i både retrovira og eukaryoter. De er RNA-afhængige DNA-polymeraser, det vil sige, i modsætning til de ovenfor beskrevne enzymer, bruges de som skabelon til syntese af RNA, ikke DNA. Eukaryote reverse transkriptaser er hovedsageligt repræsenteret af telomeraser . Disse polymeraser bruger skabelon-RNA til at syntetisere en DNA-streng.
Bakterier har fem DNA-polymeraser:
Eukaryoter indeholder mindst femten typer DNA-polymeraser [7] :
Andre eukaryote polymeraser er også blevet fundet.
Ikke en eneste eukaryotisk polymerase kan spalte primere, det vil sige, at den ikke har en 5'-3'-exonukleaseaktivitet. Denne funktion udføres af andre enzymer. Kun polymeraser, der udfører forlængelse (γ, δ og ε), har 3'-5'-exonuklease-egenskaber.