DNA polimerase: tipos, função e estrutura - Ciência - 2023

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o Polimerase de DNA É uma enzima responsável por catalisar a polimerização da nova fita de DNA durante a replicação dessa molécula. Sua principal função é emparelhar os desoxirribonucleotídeos trifosfato com aqueles da cadeia molde. Também está envolvido no reparo do DNA.

Esta enzima permite o emparelhamento correto entre as bases de DNA da fita molde e a nova, seguindo o esquema de pares A com T e G com C.

O processo de replicação do DNA deve ser eficaz e deve ser realizado rapidamente, para que a DNA polimerase funcione adicionando cerca de 700 nucleotídeos por segundo e cometa apenas um erro a cada 109 ou 1010 nucleotídeos incorporados.

Existem diferentes tipos de DNA polimerase. Eles variam em eucariotos e procariontes, e cada um tem um papel específico na replicação e reparo do DNA.


É possível que uma das primeiras enzimas a aparecer na evolução tenham sido as polimerases, já que a capacidade de replicar o genoma com precisão é um requisito intrínseco para o desenvolvimento dos organismos.

A descoberta desta enzima é creditada a Arthur Kornberg e seus colegas. Este pesquisador identificou a DNA polimerase I (Pol I) em 1956, enquanto trabalhava com Escherichia coli. Da mesma forma, foram Watson e Crick que propuseram que essa enzima poderia produzir cópias fiéis da molécula de DNA.

Tipos

Procariontes

Os organismos procarióticos (organismos sem um núcleo verdadeiro, delimitados por uma membrana) possuem três DNA polimerases principais, comumente abreviadas como pol I, II e III.

A DNA polimerase I participa da replicação e do reparo do DNA e possui atividade de exonuclease em ambas as direções. O papel desta enzima na replicação é considerado secundário.


II participa do reparo do DNA e sua atividade de exonuclease é no sentido 3'-5 '. III participa da replicação e revisão do DNA e, como a enzima anterior, tem atividade exonuclease no sentido 3'-5 '.

Eucariotos

Os eucariotos (organismos com núcleo verdadeiro, delimitado por uma membrana) possuem cinco DNA polimerases, denominadas com letras do alfabeto grego: α, β, γ, δ e ε.

A polimerase γ está localizada na mitocôndria e é responsável pela replicação do material genético nesta organela celular. Em contraste, os outros quatro são encontrados no núcleo das células e estão envolvidos na replicação do DNA nuclear.

As variantes α, δ e ε são as mais ativas no processo de divisão celular, sugerindo que sua função principal está associada à produção de cópias de DNA.

A DNA polimerase β, por sua vez, exibe picos de atividade em células que não se dividem, portanto, presume-se que sua função principal esteja associada ao reparo do DNA.


Diferentes experimentos têm conseguido verificar a hipótese de que associam principalmente as polimerases α, δ e ε com a replicação do DNA. Os tipos γ, δ e ε têm atividade de exonuclease 3'-5 '.

Arcos

Novos métodos de sequenciamento conseguiram identificar uma grande variedade de famílias de DNA polimerase. Em archaea, especificamente, uma família de enzimas, chamada família D, foi identificada como única para este grupo de organismos.

Funções: replicação e reparo de DNA

O que é replicação de DNA?

O DNA é a molécula que carrega todas as informações genéticas de um organismo. É composto por um açúcar, uma base nitrogenada (adenina, guanina, citosina e timina) e um grupo fosfato.

Durante os processos de divisão celular, que ocorrem constantemente, o DNA deve ser copiado de forma rápida e precisa - especificamente na fase S do ciclo celular. Este processo em que a célula copia o DNA é conhecido como replicação.

Estruturalmente, a molécula de DNA é composta por duas fitas, formando uma hélice. Durante o processo de replicação, eles se separam e cada um atua como um modelo para a formação de uma nova molécula. Assim, as novas fitas passam para as células filhas no processo de divisão celular.

Uma vez que cada fita serve como modelo, a replicação do DNA é considerada semiconservadora - no final do processo, a nova molécula consiste em uma fita nova e uma velha.Esse processo foi descrito em 1958 pelos pesquisadores Meselson e Stahl, usando isopotas.

A replicação do DNA requer uma série de enzimas que catalisam o processo. Dentre essas moléculas de proteínas, destaca-se a DNA polimerase.

Reação

Para que a síntese de DNA ocorra, são necessários os substratos necessários ao processo: trifosfato de desoxirribonucleotídeo (dNTP)

O mecanismo da reação envolve um ataque nucleofílico do grupo hidroxila na extremidade 3 'da fita em crescimento no alfa fosfato dos dNTPs complementares, eliminando um pirofosfato. Essa etapa é muito importante, pois a energia de polimerização vem da hidrólise dos dNTPs e do pirofosfato resultante.

A pol III ou alfa se liga ao primer (ver propriedades das polimerases) e começa a adicionar os nucleotídeos. O épsilon alonga a fita de chumbo e o delta alonga a fita retardada.

Propriedades de DNA polimerases

Todas as DNA polimerases conhecidas compartilham duas propriedades essenciais associadas ao processo de replicação.

Primeiro, todas as polimerases sintetizam a fita de DNA na direção 5'-3 ', adicionando os dNTPs ao grupo hidroxila da cadeia em crescimento.

Em segundo lugar, as polimerases de DNA não podem começar a sintetizar uma nova fita do zero. Eles precisam de um elemento adicional conhecido como primeiro ou primer, que é uma molécula composta de alguns nucleotídeos que fornece um grupo hidroxila livre, onde a polimerase pode se ancorar e iniciar sua atividade.

Esta é uma das diferenças fundamentais entre as polimerases de DNA e RNA, uma vez que esta última é capaz de iniciar a síntese de uma cadeia. de novo.

Fragmentos de Okazaki

A primeira propriedade das DNA polimerases mencionadas na seção anterior representa uma complicação para a replicação semiconservativa. Como as duas fitas de DNA são antiparalelas, uma delas é sintetizada descontinuamente (aquela que precisaria ser sintetizada no sentido 3'-5 ').

Na fita retardada, a síntese descontínua ocorre por meio da atividade normal da polimerase, 5'-3 ', e os fragmentos resultantes - conhecidos na literatura como fragmentos de Okazaki - são ligados por outra enzima, ligase.

Reparo de DNA

O DNA está constantemente exposto a fatores, tanto endógenos quanto exógenos, que podem danificá-lo. Esses danos podem bloquear a replicação e se acumular, afetando a expressão dos genes, gerando problemas nos diversos processos celulares.

Além de seu papel no processo de replicação do DNA, a polimerase também é um componente-chave dos mecanismos de reparo do DNA. Eles também podem atuar como sensores no ciclo celular que impedem a entrada na fase de divisão se o DNA for danificado.

Estrutura

Atualmente, graças aos estudos de cristalografia, as estruturas de várias polimerases foram elucidadas. Com base em sua sequência primária, as polimerases são agrupadas nas famílias: A, B, C, X e Y.

Alguns aspectos são comuns a todas as polimerases, particularmente aqueles relacionados aos centros catalíticos da enzima.

Isso inclui dois sítios ativos principais que possuem íons metálicos, com dois resíduos de aspartato e um resíduo variável - aspartato ou glutamato, que coordena os metais. Há outra série de resíduos carregados que circundam o centro catalítico e são conservados nas diferentes polimerases.

Em procariotas, a DNA polimerase I é um polipeptídeo de 103 kd, II é um polipeptídeo de 88 kd e III consiste em dez subunidades.

Nos eucariotos, as enzimas são maiores e mais complexas: α é composta de cinco unidades, β e γ de uma subunidade, δ de duas subunidades e ε de 5.

Formulários

PRC

A reação em cadeia da polimerase (PRC) é um método utilizado em todos os laboratórios de biologia molecular, graças à sua utilidade e simplicidade. O objetivo deste método é amplificar massivamente uma molécula de DNA de interesse.

Para isso, os biólogos usam uma DNA polimerase que não é danificada pelo calor (altas temperaturas são essenciais para esse processo) para amplificar a molécula. O resultado desse processo é um grande número de moléculas de DNA que podem ser usadas para diversos fins.

Uma das utilidades clínicas mais destacadas da técnica é seu uso no diagnóstico médico. O PRC pode ser usado para verificar se há bactérias e vírus patogênicos nos pacientes.

Antibióticos e drogas antitumorais

Um número significativo de medicamentos visa truncar os mecanismos de replicação do DNA no organismo patogênico, seja ele um vírus ou uma bactéria.

Em alguns deles, o alvo é a inibição da atividade da DNA polimerase. Por exemplo, o quimioterápico citarabina, também denominado citosina arabinósido, desativa a DNA polimerase.

Referências

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