A enzima DNA polimerase é encontrada em todos os organismos e desempenha um papel importante na biotecnologia.
A DNA polimerase (ou: DNA polimerase dependente de DNA) é uma enzima que catalisa a síntese de DNA a partir de desoxirribonucleotídeos em um molde de DNA. As DNA polimerases desempenham um papel fundamental na replicação do DNA.
DNA polimerase simplesmente explicada
A DNA polimerase é uma enzima responsável pela produção de DNA (ácido desoxirribonucleico) a partir de seus componentes individuais – os nucleotídeos . É encontrado em todos os procariontes e eucariontes e existe em muitos tipos e formas diferentes. Mas você pode imaginar sua estrutura como algo como uma mão direita aberta.
As DNA polimerases desempenham um papel central na replicação do DNA , ou seja, na produção de cópias idênticas de DNA. Isso é importante para que a informação genética possa ser transmitida durante o crescimento e reprodução celular. Também na biotecnologia, como na chamada reação em cadeia da polimerase (PCR) , seções de DNA podem ser duplicadas com sua ajuda.
As RNA polimerases , por outro lado, são responsáveis pela síntese de fitas de RNA e desempenham um papel relevante na transcrição da biossíntese de proteínas . Definição de DNA polimerase
As DNA polimerases são enzimas que catalisam a formação de fitas de DNA usando um molde. Eles desempenham um papel importante na replicação do DNA.
Montagem da DNA polimerase
A composição e estrutura das DNA polimerases varia muito dependendo da espécie. Eles existem, por exemplo, como uma única enzima ou como um complexo enzimático maior.
No entanto, também há semelhanças em sua estrutura: sua subunidade catalítica, responsável por acelerar a reação, tem o formato de uma mão aberta e envolve a fita de DNA. Suas respectivas áreas, na verdade, levam os nomes das partes de uma mão: polegar ( polegar ), dedos ( dedo ) e palma ( palma ).
Além disso, você pode encontrar o centro ativo em todas as DNA polimerases na área da palma.
Função da DNA polimerase
Agora vamos ver as funções das DNA polimerases. Por um lado, eles podem catalisar a síntese de DNA e, por outro lado, também podem fazer correções no DNA.
Polimerização de DNA
A função central das DNA polimerases é a polimerização do DNA . A polimerização pode geralmente ser entendida como significando que os blocos de construção individuais (monômeros) se conectam para formar uma longa cadeia (polímero; “poli” = “muitos”). Aqui o polímero representa o DNA e os monômeros são os nucleotídeos . Cada nucleotídeo consiste em um bloco de construção de açúcar (aqui: desoxirribose), uma base orgânica e grupo(s) fosfato.
As DNA polimerases geralmente usam uma única fita de DNA como molde para esta ligação. As 4 bases de DNA contidas nos nucleotídeos 
sempre pareiam umas com as outras apenas em uma certa combinação (= pareamento de bases complementares ) (adenina com timina e guanina com citosina). Como resultado, a DNA polimerase também “sabe” qual nucleotídeo deve ser adicionado em seguida.
O mecanismo químico por trás do encadeamento dos nucleotídeos individuais é a chamada substituição nucleofílica . O grupo álcool (-OH) no final da fita de DNA ataca o primeiro átomo de fósforo de um nucleotídeo, fazendo com que os outros dois grupos fosfato sejam separados. A energia liberada aqui é a força motriz por trás dessa reação. Uma ligação éster (aqui mais precisamente: ligação fosfodiéster) é agora formada entre dois nucleotídeos.
Existem diferenças entre as várias DNA polimerases quanto a quantos nucleotídeos podem ser ligados em uma peça antes de “cair” do DNA. Você também pode se referir a isso como processividade .
atividade da polimerase
A polimerase permite a ligação química de moléculas individuais ( monômeros ) para formar uma cadeia ( polímero ). No caso da DNA polimerase, o polímero formado é o ácido desoxirribonucleico (DNA), e os desoxirribonucleotídeos servem como monômeros, também chamados de desoxinucleosídeos trifosfatos (dNTPs). A DNA polimerase sempre usa uma fita simples de DNA já existente como molde (modelo) para a síntese de uma nova fita complementar, cuja sequência de nucleotídeos é assim determinada pelo molde. Essa preservação da sequência de DNA é crucial para a capacidade da DNA polimerase de copiar a informação genética codificada no DNA. A cópia correta do molde é conseguida através do pareamento de bases complementares das bases nucleotídicas embutidas com as bases do molde de DNA, mediado por ligações de hidrogênio . A nova fita de DNA é sintetizada da extremidade 5′ para a extremidade 3′. Do ponto de vista químico, um nucleofílico. O grupo 3′-OH terminal da fita de DNA ataca o α-fosfato do dNTP, liberando pirofosfato. Esta etapa é catalisada pela polimerase.
Ao contrário das RNA polimerases , a síntese da fita complementar de DNA nas DNA polimerases só pode ocorrer se a polimerase tiver uma extremidade 3′-OH livre à sua disposição. O primeiro nucleotídeo é então ligado a este. Na reação em cadeia da polimerase (PCR), uma única fita de DNA ( primer ) com aproximadamente 15-20 nucleotídeos de comprimento é usada como ponto de partida da reação. As DNA polimerases geralmente requerem íons de magnésio como cofator.
Atividade Exonuclease
Muitas polimerases também têm outras funções enzimáticas. Para garantir que não haja erros na leitura do molde de DNA, eles têm a chamada função de leitura de prova , ou seja, são capazes de reconhecer a incorporação de um nucleotídeo inadequado e corrigi-lo novamente para ser removido do DNA. Esta capacidade é referida como atividade de exonuclease 3’→5′ . Algumas polimerases mostram atividade de endonuclease 5’→3′. Isso permite que uma fita existente de DNA ou RNA que já está emparelhada com a fita modelo seja quebrada enquanto uma nova fita é formada. O resultado é uma troca do fio antigo por um novo.
Várias DNA polimerases
Em bactérias como a Escherichia coli existem três polimerases diferentes. Uma delas, a DNA polimerase I (Pol I), foi isolada por Arthur Kornberg em 1955 e foi a primeira polimerase a ser descoberta. No entanto, esta não é a polimerase mais importante para replicação em E. coli , pois catalisa apenas cerca de 20 etapas de síntese. (Diz-se que tem baixa processividade .) As outras duas DNA polimerases (II e III) em E. coli não foram isoladas até 15 anos após a descoberta da DNA polimerase I, após E. coli-Mutantes com um defeito no gene da polimerase I demonstraram, no entanto, serem competentes para a replicação. No entanto, esses mutantes foram particularmente suscetíveis à radiação UV e substâncias alquilantes, razão pela qual se supõe que a DNA polimerase I assume principalmente tarefas de reparo. A polimerase III, que realiza a replicação real em E. coli , é composta por um total de sete subunidades e ocorre apenas em muito poucas cópias por célula bacteriana.
Cinco DNA polimerases são encontradas em mamíferos. DNA polimerase α, β, γ, δ e ε. As polimerases δ e ε parecem ser decisivas para a replicação, que se caracterizam por alta processabilidade e função de revisão. Em contraste, as polimerases α e β mostram apenas baixa processabilidade e nenhuma função de revisão. A polimerase γ ocorre apenas nas mitocôndrias.
Significado Biológico
As DNA polimerases são centrais para a replicação do DNA. Eles possibilitam a cópia fiel da informação genética na forma de DNA, sendo um passo decisivo na reprodução e reprodução dos seres vivos. As DNA polimerases também desempenham um papel importante nos processos associados ao reparo do DNA.
Importância biotecnológica
No laboratório, as DNA polimerases são frequentemente usadas para a reação em cadeia da polimerase. Um grande número de polimerases diferentes, algumas das quais foram geneticamente modificadas, são usadas. Além da estabilidade em altas temperaturas, a função de revisão é de grande importância, pois o DNA não deve ser alterado durante a PCR. Não menos importante no sequenciamento de DNA, o uso de DNA polimerases é de grande importância.
Atividade de exonuclease
No entanto, a replicação do DNA nem sempre é livre de erros e influências externas também podem causar danos ou alterações no material genético. Algumas polimerases também são capazes de reconhecer e reparar este dano (= leitura de prova ). Você pode comparar isso com um programa de correção que verifica o texto digitado em busca de erros de ortografia e os corrige, se necessário.
Você pode chamar a remoção de bases incompatíveis pela atividade exonuclease das polimerases . Esse reparo de DNA é muito importante porque erros no DNA podem ter sérias consequências para a funcionalidade da célula ou de todo o organismo.
Formas de DNA polimerase
Como você já aprendeu, existem inúmeras formas de DNA polimerase. Dependendo de qual modelo eles trabalham, você pode dividi-los nos grupos DNA polimerases dependentes de DNA, dependentes de RNA e independentes de modelo . Com base em sua estrutura, eles também são divididos em famílias A, B, C, X, Y.
DNA polimerases dependentes de DNA
Vamos começar com as DNA polimerases dependentes de DNA. Como o nome já diz, eles usam o DNA como modelo para a síntese. Os procariontes possuem 5 DNA polimerases diferentes:
- DNA polimerase 1 (I)
- DNA polimerase 2 (II)
- DNA polimerase 3 (III)
- DNA polimerase 4 (IV)
- DNA polimerase 5 (V)
A DNA polimerase 1 foi a primeira polimerase a ser descoberta, no organismo modelo E. coli. A polimerase 2 e a polimerase 3 não foram identificadas na bactéria até muitos anos depois. A polimerase III é a principal responsável pela replicação do DNA.
As DNA polimerases eucarióticas são nomeadas com letras gregas (α, β, …). As polimerases alfa (α), delta (δ) e épsilon (ε) são responsáveis pela extensão da cadeia na replicação do DNA em organismos eucarióticos.
Polimerases de DNA dependentes de RNA
Vamos continuar com as polimerases de DNA dependentes de RNA : elas usam o RNA (ácido ribonucleico) como modelo de cópia. Você também pode chamá-los de transcriptases reversas. Um exemplo bem conhecido é a telomerase , que impede o encurtamento das extremidades dos cromossomos durante a divisão celular.
DNA polimerase independente de modelo
Sob as polimerases de DNA independentes de molde, você pode entender que elas não precisam de um molde para a síntese de DNA. Apenas um representante é conhecido aqui, a chamada desoxirribonucleotidil transferase terminal . Está principalmente envolvido na maturação de certas células-tronco.
Uso em biotecnologia
As DNA polimerases também desempenham um papel importante na biotecnologia.
Eles são usados, por exemplo, na reação em cadeia da polimerase (PCR; reação em cadeia da polimerase). Você pode pensar nisso como um método que amplifica seções selecionadas de DNA para gerar cópias ilimitadas dessa seção de DNA. Isto é relevante sobretudo na medicina para a detecção de infecções virais ou bacterianas ou também na ciência forense (por exemplo, impressões digitais genéticas). Uma vez que altas temperaturas são usadas na PCR, são usadas polimerases de DNA particularmente termoestáveis (por exemplo, Taq polimerase) de bactérias ou archaea.
Outra aplicação importante das polimerases de DNA é o sequenciamento de DNA (por exemplo , sequenciamento de Sanger ). Isso significa que o arranjo dos respectivos nucleotídeos no DNA pode ser determinado. O sequenciamento de DNA abre muitas novas possibilidades para a engenharia genética, como identificar certas doenças hereditárias