Polimerase de DNA: tipos, função e estrutura

A polimerase de ADN é uma enzima que é responsável por catalisar a polimerização de nova cadeia de ADN durante a replicação desta molécula. Sua principal função é combinar o trifosfato desoxirribonucleotídico com os da cadeia modelo. Também participa do reparo do DNA.

Essa enzima permite o emparelhamento correto entre as bases de DNA da cadeia modelo 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 polimerase do DNA atue adicionando cerca de 700 nucleotídeos por segundo e cometa apenas um erro a cada 10 ⁹ ou 10 ¹⁰ nucleotídeos incorporados.

Existem diferentes tipos de DNA polimerase. Eles variam tanto em eucariotos quanto em 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 tenha sido a polimerase, uma vez que a capacidade de replicar com precisão o genoma é um requisito intrínseco ao desenvolvimento de organismos.

A descoberta desta enzima é atribuída 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, foi Watson e Crick quem propôs que essa enzima pudesse produzir cópias fiéis da molécula de DNA.

Tipos

Procariontes

Organismos procarióticos (organismos sem um núcleo verdadeiro, delimitado por uma membrana) têm três principais polimerases de DNA, comumente abreviadas como pol I, II e III.

A DNA polimerase I participa da replicação e 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, exibe atividade de exonucleases no sentido 3 ‘-5’.

Eucariotos

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

Γ A polimerase está localizada nas mitocôndrias e é responsável pela replicação do material genético nessa organela celular. Por outro lado, os outros quatro estão 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 principal função está associada à produção de cópias de DNA.

A DNA polimerase β, enquanto isso, tem picos de atividade nas células que não estão se dividindo, portanto, assume-se que sua principal função esteja associada ao reparo do DNA.

Diferentes experiências foram capazes de verificar a hipótese que associa principalmente as polimerases α, δ e ε com a replicação do DNA. Os tipos γ, δ e ε possuem atividade de exonuclease 3 ‘-5’.

Arcos

Os novos métodos de sequenciamento conseguiram identificar uma enorme variedade de famílias de DNA polimerase. Na arquéia, especificamente, foi identificada uma família de enzimas, denominada família D, únicas para esse grupo de organismos.

Funções: replicação e reparo de DNA

O que é replicação de DNA?

O DNA é a molécula que carrega toda a informação genética de um organismo. É formado por um açúcar, uma base de nitrogênio (adenina, guanina, citosina e timina) e um grupo fosfato.

Durante os processos de divisão celular, que ocorrem constantemente, o DNA deve ser copiado com rapidez e precisão – especificamente na fase S do ciclo celular. Esse processo em que a célula copia o DNA é conhecido como replicação.

Estruturalmente, a molécula de DNA é formada por duas cadeias, formando uma hélice. Durante o processo de replicação, eles se separam e cada um age como um temperamento para a formação de uma nova molécula. Assim, os novos filamentos passam para as células filhas no processo de divisão celular.

Como cada fita serve como um temperamento, diz-se que a replicação do DNA é semi-conservadora – no final do processo, a nova molécula consiste em uma nova e uma antiga. Esse processo foi descrito em 1958 pelos pesquisadores Meselson e Stahl, usando isótopos.

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

Reacção

Para a síntese de DNA, são necessários os substratos necessários para o processo: trifosfato de desoxirribonucleotídeo (dNTP)

O mecanismo da reação envolve um ataque nucleofílico do grupo hidroxila na extremidade 3 ‘da fita em crescimento no fosfato alfa dos dNTPs complementares, eliminando um pirofosfato. Este passo é muito importante, uma vez que a energia para polimerização provém da hidrólise dos dNTPs e do pirofosfato resultante.

Pol III ou alfa se liga ao primeiro (ver propriedades da polimerase) e começa a adicionar nucleotídeos. O epsilon alonga a cadeia principal e o delta alonga o fio atrasado.

Propriedades das polimerases de DNA

Todas as polimerases de DNA 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 crescente.

Segundo, as polimerases de DNA não podem começar a sintetizar uma nova cadeia do nada. Eles precisam de um elemento adicional conhecido como primeiro ou iniciador, que é uma molécula formada por alguns nucleotídeos que concede um grupo hidroxila livre, onde a polimerase pode ancorar e iniciar sua atividade.

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

Fragmentos de Okazaki

A primeira propriedade das polimerases de DNA mencionadas na seção anterior é uma complicação para a replicação semi-conservadora. Como as duas cadeias de DNA são antiparalelas, uma delas é sintetizada descontinuamente (que precisaria ser sintetizada no sentido 3′-5 ‘).

Na cadeia retardada, a síntese descontínua ocorre através da atividade normal da polimerase, 5′-3 ‘, e os fragmentos resultantes – conhecidos na literatura como fragmentos de Okazaki – são unidos por outra enzima, a ligase.

Reparo de DNA

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

Além de seu papel no processo de replicação do DNA, a polimerase também é um componente essencial 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, foi possível elucidar as estruturas de várias polimerases. Com base em sua sequência primária, as polimerases são agrupadas em famílias: A, B, C, X e Y.

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

Isso inclui dois locais ativos chave 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.

Nos procariontes, 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 formado por cinco unidades, β e γ por uma subunidade, δ por duas subunidades e ε por 5.

Aplicações

RPC

A reação em cadeia da polimerase (RPC) é um método usado 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 conseguir isso, os biólogos usam uma polimerase de DNA que não é danificada pelo calor (altas temperaturas são indispensáveis ​​para esse processo) para amplificar a molécula. O resultado desse processo é um grande número de moléculas de DNA que podem ser usadas para diferentes fins.

Uma das utilidades clínicas mais importantes da técnica é seu uso no diagnóstico médico. A RPC pode ser usada para verificar a presença de bactérias e vírus patogênicos nos pacientes.

Antibióticos e medicamentos antitumorais

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

Em parte disso, o alvo é a inibição da atividade da DNA polimerase. Por exemplo, a droga quimioterapêutica citarabina, também chamada citosina arabinosídeo, desativa a DNA polimerase.

Referências

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