DNA polimerase merupakan enzim yang bertanggung jawab untuk mengkatalisis polimerisasi untai baru DNA selama replikasi molekul ini. Fungsi utamanya adalah untuk memasangkan deoksiribonukleotida trifosfat dengan rantai cetakan. Ini juga terlibat dalam perbaikan DNA.
Enzim ini memungkinkan pasangan yang benar antara basa DNA dari untai template dan yang baru, mengikuti skema pasangan A dengan T, dan G dengan C.
Struktur DNA polimerase beta pada manusia. Sumber: Yikrazuul [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], dari Wikimedia Commons
Proses replikasi DNA harus efektif dan harus dilakukan dengan cepat, sehingga DNA polimerase bekerja dengan menambahkan sekitar 700 nukleotida per detik dan hanya membuat satu kesalahan setiap 10 9 atau 10 10 nukleotida yang tergabung.
Ada berbagai jenis DNA polimerase. Ini bervariasi pada eukariota dan prokariota , dan masing-masing memiliki peran spesifik dalam replikasi dan perbaikan DNA.
Ada kemungkinan bahwa salah satu enzim pertama yang muncul dalam evolusi adalah polimerase, karena kemampuan untuk mereplikasi genom secara tepat merupakan persyaratan intrinsik untuk pengembangan organisme.
Penemuan enzim ini dikreditkan ke Arthur Kornberg dan rekan-rekannya. Peneliti ini mengidentifikasi DNA polimerase I (Pol I) pada tahun 1956, saat bekerja dengan Escherichia coli. Demikian pula, Watson dan Crick yang mengusulkan agar enzim ini dapat menghasilkan salinan yang tepat dari molekul DNA.
Indeks artikel
Jenis
prokariota
Organisme prokariotik (organisme tanpa inti sejati, dibatasi oleh membran) memiliki tiga polimerase DNA utama, yang biasa disingkat pol I, II, dan III.
DNA polimerase I berpartisipasi dalam replikasi dan perbaikan DNA dan memiliki aktivitas eksonuklease di kedua arah. Peran enzim ini dalam replikasi dianggap sekunder.
II berpartisipasi dalam perbaikan DNA dan aktivitas eksonukleasenya dalam arti 3′-5 ‘. III berpartisipasi dalam replikasi dan revisi DNA, dan seperti enzim sebelumnya, ia memiliki aktivitas eksonuklease dalam arti 3’-5 ‘.
Eukariota
Eukariota (organisme dengan inti sejati, dibatasi oleh membran) memiliki lima DNA polimerase, dinamai dengan huruf alfabet Yunani: , , , dan .
Polymerase terletak di mitokondria dan bertanggung jawab untuk replikasi materi genetik dalam organel sel ini. Sebaliknya, empat lainnya ditemukan dalam inti sel dan terlibat dalam replikasi DNA inti.
Varian , dan adalah yang paling aktif dalam proses pembelahan sel, menunjukkan bahwa fungsi utamanya terkait dengan produksi salinan DNA.
DNA polimerase , pada bagiannya, menunjukkan puncak aktivitas dalam sel yang tidak membelah, sehingga diasumsikan bahwa fungsi utamanya terkait dengan perbaikan DNA.
Eksperimen yang berbeda telah berhasil memverifikasi hipotesis bahwa mereka sebagian besar mengasosiasikan , dan polimerase dengan replikasi DNA. Jenis , dan memiliki aktivitas eksonuklease 3′-5 ‘.
lengkungan
Metode pengurutan baru telah berhasil mengidentifikasi berbagai macam keluarga DNA polimerase. Di archaea, khususnya, keluarga enzim, yang disebut keluarga D, telah diidentifikasi yang unik untuk kelompok organisme ini.
Fungsi: replikasi dan perbaikan DNA
Apa itu replikasi DNA?
DNA adalah molekul yang membawa semua informasi genetik suatu organisme. Ini terdiri dari gula, basa nitrogen (adenin, guanin, sitosin dan timin) dan gugus fosfat.
Selama proses pembelahan sel, yang terus-menerus terjadi, DNA harus disalin dengan cepat dan akurat – khususnya dalam fase S dari siklus sel. Proses di mana sel menyalin DNA ini dikenal sebagai replikasi.
Secara struktural, molekul DNA terdiri dari dua untai, membentuk heliks. Selama proses replikasi, ini terpisah dan masing-masing bertindak sebagai cetakan untuk pembentukan molekul baru. Dengan demikian, untaian baru lolos ke sel anak dalam proses pembelahan sel.
Karena setiap untai berfungsi sebagai cetakan, replikasi DNA dikatakan semi-konservatif – pada akhir proses, molekul baru terdiri dari untai baru dan untai lama. Proses ini dijelaskan pada tahun 1958 oleh peneliti Meselson dan Stahl, menggunakan isotop.
Replikasi DNA membutuhkan serangkaian enzim yang mengkatalisis proses. Di antara molekul protein ini, DNA polimerase menonjol.
Reaksi
Agar sintesis DNA terjadi, substrat yang diperlukan untuk proses tersebut diperlukan: deoxyribonucleotide triphosphate (dNTP)
Mekanisme reaksi melibatkan serangan nukleofilik dari gugus hidroksil pada ujung 3 ‘dari untai yang tumbuh pada alfa fosfat dari dNTP komplementer, menghilangkan pirofosfat. Langkah ini sangat penting, karena energi untuk polimerisasi berasal dari hidrolisis dNTPs dan pirofosfat yang dihasilkan.
Pol III atau alfa mengikat primer (lihat sifat-sifat polimerase) dan mulai menambahkan nukleotida. Epsilon memanjangkan rantai timbal, dan delta memanjangkan untai terbelakang.
Sifat DNA polimerase
Semua DNA polimerase yang diketahui memiliki dua sifat penting yang terkait dengan proses replikasi.
Pertama, semua polimerase mensintesis untai DNA dalam arah 5′-3′, menambahkan dNTPs ke gugus hidroksil dari rantai yang sedang tumbuh.
Kedua, DNA polimerase tidak dapat mulai mensintesis untai baru dari udara tipis. Mereka membutuhkan unsur tambahan yang dikenal sebagai primer atau primer, yang merupakan molekul yang terdiri dari beberapa nukleotida yang menyediakan gugus hidroksil bebas, di mana polimerase dapat berlabuh dan memulai aktivitasnya.
Ini adalah salah satu perbedaan mendasar antara DNA dan RNA polimerase, karena yang terakhir mampu memulai sintesis rantai de novo.
Fragmen Okazaki
Sifat pertama DNA polimerase yang disebutkan di bagian sebelumnya merupakan komplikasi untuk replikasi semi-konservatif. Karena dua untai DNA berjalan antiparalel, salah satunya disintesis secara terputus-putus (salah satu yang perlu disintesis dalam arti 3′-5 ‘).
Dalam untai tertunda, sintesis terputus terjadi melalui aktivitas polimerase normal, 5′-3 ‘, dan fragmen yang dihasilkan – dikenal dalam literatur sebagai fragmen Okazaki – dihubungkan oleh enzim lain, ligase.
perbaikan DNA
DNA terus-menerus terpapar oleh faktor-faktor, baik endogen maupun eksogen, yang dapat merusaknya. Kerusakan ini dapat memblokir replikasi dan menumpuk, mempengaruhi ekspresi gen, menghasilkan masalah dalam berbagai proses seluler.
Selain perannya dalam proses replikasi DNA, polimerase juga merupakan komponen kunci dari mekanisme perbaikan DNA. Mereka juga dapat bertindak sebagai sensor dalam siklus sel yang mencegah masuk ke fase pembelahan jika DNA rusak.
Struktur
Saat ini, berkat studi kristalografi, struktur berbagai polimerase telah dijelaskan. Berdasarkan urutan utamanya, polimerase dikelompokkan menjadi keluarga: A, B, C, X, dan Y.
Beberapa aspek yang umum untuk semua polimerase, terutama yang berhubungan dengan pusat katalitik enzim.
Ini termasuk dua situs aktif utama yang memiliki ion logam, dengan dua residu aspartat dan satu residu variabel – baik aspartat atau glutamat, yang mengoordinasikan logam. Ada rangkaian residu bermuatan lain yang mengelilingi pusat katalitik dan disimpan dalam polimerase yang berbeda.
Pada prokariota, DNA polimerase I adalah polipeptida 103 kd, II adalah polipeptida 88 kd, dan III terdiri dari sepuluh subunit.
Pada eukariota, enzim lebih besar dan lebih kompleks: terdiri dari lima unit, dan satu subunit, dua subunit, dan 5.
Kegunaan
RRC
Reaksi berantai polimerase (PRC) adalah metode yang digunakan di semua laboratorium biologi molekuler, berkat kegunaan dan kesederhanaannya. Tujuan dari metode ini adalah untuk secara besar-besaran mengamplifikasi molekul DNA yang diinginkan.
Untuk mencapai hal ini, ahli biologi menggunakan DNA polimerase yang tidak rusak oleh panas (suhu tinggi sangat penting untuk proses ini) untuk memperkuat molekul. Hasil dari proses ini adalah sejumlah besar molekul DNA yang dapat digunakan untuk tujuan yang berbeda.
Salah satu kegunaan klinis yang paling menonjol dari teknik ini adalah penggunaannya dalam diagnosis medis. PRC dapat digunakan untuk memeriksa pasien untuk bakteri dan virus patogen.
Antibiotik dan obat antitumor
Sejumlah besar obat ditujukan untuk memotong mekanisme replikasi DNA pada organisme patogen, baik itu virus atau bakteri.
Dalam beberapa di antaranya, targetnya adalah penghambatan aktivitas DNA polimerase. Misalnya, obat kemoterapi sitarabin, juga disebut sitosin arabinosida, menonaktifkan DNA polimerase.
Referensi
- Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Biologi sel esensial . Ilmu Garland.
- Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Replikasi DNA Archaeal: mengidentifikasi potongan-potongan untuk memecahkan teka-teki. Genetika , 152 (4), 1249-67.
- Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). Sel: Pendekatan molekuler . Medicinska naklada.
- Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Beberapa fungsi DNA polimerase. Tinjauan kritis dalam ilmu tanaman , 26 (2), 105-122.
- Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Fungsi DNA polimerase eukariotik. SAGE KE IPA , 2003 (8), 3.
- Steitz, TA (1999). DNA polimerase: keragaman struktural dan mekanisme umum. Jurnal Kimia Biologi , 274 (25), 17395-17398.
- Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013). Perbandingan struktural arsitektur DNA polimerase menunjukkan gerbang nukleotida ke situs aktif polimerase. Ulasan Kimia , 114 (5), 2759-74.
