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DNA 聚合酶 - 定义、结构、类型(什么是 DNA 聚合酶)

2022-01-21 09:50:03
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  DNA聚合酶是一组用于复制DNA模板的酶,主要用于DNA复制机制。这些酶从现有模板中制造出新的 DNA 拷贝,并通过修复合成的 DNA 来防止突变。DNA聚合酶催化构成DNA分子骨架的磷酸二酯键的形成。它使用具有催化活性的镁离子来平衡磷酸基团的电荷。

DNA 聚合酶 - 定义、结构、类型(什么是 DNA 聚合酶)

  什么是 DNA 聚合酶?

  1956 年,Arthur Kornberg 在大肠杆菌的裂解物中首次鉴定出 DNA 聚合酶。

  该酶被发现并用于原核和真核细胞的 DNA 复制。

  已经发现了几种类型的 DNA 聚合酶,其中第一种被称为 DNA 聚合酶 I。

  这些类型中的每一种都在复制和 DNA 修复机制中发挥重要作用。

  然而,DNA聚合酶不用于启动新链的合成,而是用于延伸与模板链配对的已经存在的DNA或RNA链。

  DNA 聚合酶在作为引物的短 RNA 片段被创建并与模板 DNA 链配对后开始其机制。

  DNA 聚合酶通过添加与模板匹配的新核苷酸来合成新的 DNA 链,从而延长模板链的 3' 端。每个核苷酸都与一个磷酸二酯键相连。

  DNA聚合酶利用磷酸酐键水解产生的能量,该键位于与每个游离碱基(核苷酸)相连的三个磷酸(核苷三磷酸)之间。

  将核苷酸添加到正在生长的 DNA 链上,使用水解的高能磷酸键在核苷酸的磷酸盐与生长链之间形成磷酸二酯键,从而释放出两个称为焦磷酸盐的远端磷酸盐。

  DNA聚合酶的机制非常准确,每10 7个核苷酸误差小于1个。

  某些类型的 DNA 聚合酶具有校对和去除不匹配的核苷酸碱基并纠正它们的能力。

  他们还通过监测和修复错误,通过区分新链的错配与模板链序列来纠正复制后的错配。

  真核细胞含有五种DNA聚合酶α、β、γ、δ和ε。聚合酶γ存在于细胞线粒体中,它主动复制线粒体DNA,而聚合酶α、β、δ存在于细胞核中,因此参与核DNA复制。

  聚合酶 α 和 δ 主要应用于潜水细胞并具有活性,因此参与复制,而聚合酶 β 在潜水和非分裂细胞中均具有活性,因此它参与 DNA 损伤的修复。

聚合酶

  DNA聚合酶的结构

  DNA聚合酶通常具有保守的结构,因此定义了其在细胞功能中不可替代的重要作用。

  DNA聚合酶由类似于手掌、手指和拇指的开放右手的亚结构域组成。

  棕榈的活性位点含有催化必需氨基酸。

  手指在核苷酸识别和结合中起主要作用。

  拇指用于结合 DNA 底物

  在手指和拇指之间发现了一个称为口袋的区域,它由两个区域组成,即插入部位和插入后部位。

  传入的核苷酸与插入位点结合,而新的碱基对则与插入后位点结合。

  与这些域一起的其他子域对每个家族都是特定的,并且每个子域在 DNA 复制中都具有基本功能。

  然而,这些亚结构域对于每种聚合酶是不同的。

  家庭A的结构

  除了已经讨论过的亚结构域之外,A 族聚合酶还具有 5' 到 3' 外切核酸酶,用于从冈崎片段中去除 RNA 引物。

  一些家族 A 组还具有 3' 到 5' 外切核酸酶活性,可用于校对 DNA。

  家庭B的结构

  它们还具有具有极其活跃的 3' 至 5 的基本子域;核酸外切酶以纠正 DNA 复制的错误。X家族的结构

  这些家族群具有拇指、手掌和手指亚结构域,它们在结构上是 N 端或 31-kDA 聚合酶片段的一部分。

  该家族中的手掌包含三个天冬氨酸基序,手指具有含有氨基酸残基的螺旋 M 和 N。

  N-末端连接到一个 8kDa 氨基末端结构域,该结构域包含一个 5' 脱氧核糖磷酸裂解酶,这在碱基切除修复中是必不可少的。

  Y家庭的结构

  该组的 N 端包含手掌、手指和拇指的催化核心。

  它们还具有一个 C 末端,该末端具有四链 β 片层的保守三级结构,其一侧由两个 α 螺旋支撑,也称为小指结构域。它们在 DNA 结合中发挥作用,对于完全聚合酶活性至关重要。

  然而,与其他家庭不同,这个家庭缺乏灵活性。

  DNA聚合酶类型

  基本上,DNA聚合酶的类型也根据拥有它们的生物体进行划分,即真核和原核DNA聚合酶。这些类型的 DNA 聚合酶根据其特征(包括结构序列和功能)进行分类。

  真核 DNA 聚合酶类型

  聚合酶γ

  聚合酶γ是一种A型聚合酶,主要功能是复制和修复线粒体DNA。

  它还通过校对 3' 到 5' 核酸外切酶活性来发挥作用。

  Poly γ 上的突变会显着影响线粒体 DNA,从而导致常染色体线粒体疾病。

  聚合酶 α、聚合酶 δ 和聚合酶 ε

  这些是 B 型聚合酶,它们是用于 DNA 复制的主要聚合酶。

  Pol α 通过与引发酶结合而发挥作用,形成一个复合物,它们都在启动复制中发挥作用。Primase 酶产生并放置一个短 RNA 引物,使 Pol α 开始复制过程。

  Pol δ 从 Pol α 开始合成滞后链,而 Pol ε 被认为在复制过程中合成前导链。

  研究表明 Pol δ 复制了滞后链和前导链。

  Pol δ 和 ε 还具有 3' 到 5' 外切核酸酶活性。

  聚合酶 β、聚合酶 μ 和聚合酶 λ

  这些是聚合酶的 3 型或 X 家族。

  Pol β 具有短补丁碱基切除修复机制,可修复烷基化或氧化碱基。

  Pol λ 和 Pol μ 分别对于重新连接由于过氧化氢和电离辐射引起的 DNA 双链断裂很重要。

  聚合酶 η、聚合酶 ι 和聚合酶 κ

  它们是 4 型或 Y 族聚合酶,主要用于通过称为跨损伤合成的机制修复 DNA。

  它们在 DNA 合成过程中容易出错。

  Pol η 通过准确确保由紫外线辐射引起的 DNA 损伤的跨损伤合成来发挥作用。

  Pol κ 仍在研究中,但其已知功能之一是在某些 DNA 损伤处扩展或插入特定碱基。

  跨损伤合成聚合酶被停滞的复制 DNA 聚合酶激活。

  末端脱氧核苷酸转移酶 (TdT)

  TdT 通过催化脱氧核苷三磷酸聚合到预先形成的多核苷酸链的 3'-羟基上而发挥作用。

  TdT 是一种非模板导向的 DNA 聚合酶。

  它首先在胸腺中被发现。

  原核DNA聚合酶类型

  DNA聚合酶I

  这是一种 A 型或家族 A 聚合酶,最初是从大肠杆菌中分离出来的,并且在大肠杆菌中含量最多。

  其主要功能是将DNA链从3'-5'方向切除修复至5'-3方向,作为核酸外切酶。

  它还有助于冈崎片段的成熟,冈崎片段是在 DNA 复制过程中构成滞后链的短 DNA 链。

  它在复制过程中的作用是在 RNA 引物上添加核苷酸并沿 5'-3' 方向移动。

  DNA 聚合酶 I 的结合位点称为辛基葡糖苷。

  DNA聚合酶Ⅱ

  它属于聚合酶的B型或B族。

  它的主要功能是 3' - 5' 核酸外切酶活性,并在复制因 DNA 链损伤而停止后重新开始复制。

  DNA聚合酶II存在于复制叉中,有助于指导其他聚合酶的活性。

  DNA聚合酶III

  这是用于 DNA 复制的主要酶,属于 C 族或 C 型。

  它负责通过向引物的 3'-OH 基团添加核苷酸来合成新链。

  它具有 3'-5' 核酸外切酶活性,因此它还可以校对 DNA 链复制过程中可能出现的错误。

  DNA聚合酶IV

  它属于Y家族,参与非靶向诱变。

  它的激活基于复制叉的停止活动。

  当它被激活时,它会创建一个检查点,停止复制,并有时间正确修复新 DNA 链中的损伤。

  它还参与跨病灶合成的修复机制。

  它没有核酸酶活性,因此在 DNA 复制中容易出错。

  DNA聚合酶V

  它属于 Y 家族,具有高度的监管活动。

  它仅在 DNA 受损且需要跨病灶合成时产生。

  它还缺乏外切核酸酶功能,因此无法校对 DNA 复制品的合成,从而降低了效率。

  Taq DNA 聚合酶

  Taq 聚合酶是一种热稳定类型的 DNA 聚合酶 1,最初是从一种称为水生栖热菌的嗜热真细菌中分离出来的。

  它缩写为 Taq 或 Taq pol。

  它通常用于聚合酶链式反应以扩增短链 DNA。

  由于其嗜热性质,它能够承受 PCR 过程中所需的变性,因此它取代了来自大肠杆菌的 DNA 聚合酶。

  DNA聚合酶的机制

  DNA聚合酶的机制被称为双金属离子机制,即两个金属离子充当稳定复制传递的活性位点。第一种金属离子通过活化攻击 dNTP 磷酸基团的羟基而起作用,第二种金属离子稳定负电荷并建立在左侧氧和螯合磷酸基团上。

  DNA聚合酶与RNA聚合酶

DNA聚合酶与RNA聚合酶


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