DNA polimerases – Os poderosos escritores do genoma

DNA-polimerase

Definição de DNA polimerase

As DNA polimerases são enzimas que catalisam a síntese de moléculas de DNA a partir de desoxirribonucleotídeos. As DNA polimerases desempenham um papel fundamental na replicação do DNA, permitindo a passagem de informações genéticas para células-filhas de geração em geração.

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Editado por Christina Swords, Ph.D.

Aspectos bioquímicos das DNA polimerases

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 desoxirribonucléico (DNA). Os monômeros são desoxirribonucleotídeos, mais precisamente trifosfatos de desoxinucleosídeos (dNTPs). A DNA polimerase dependente de DNA sempre usa uma fita simples de DNA já existente como molde para a síntese de uma nova fita complementar, cuja sequência de nucleotídeos é assim determinada pelo molde. Essa preservação da sequência do DNA é decisiva para a capacidade da DNA polimerase de copiar a informação genética codificada no DNA. A cópia correta do molde é obtida pelo emparelhamento de bases complementares das bases do nucleotídeo incorporado com as bases do molde de DNA, mediado por ligações de hidrogênio. A síntese da nova fita de DNA ocorre da extremidade 5 ‘à extremidade 3’. Quimicamente, ocorre um ataque nucleofílico do grupo 3′-hidroxi terminal da fita de DNA no α fosfato do dNTP, liberando pirofosfato. Esta etapa é catalisada pela polimerase.

Em contraste com as RNA polimerases (produz RNA que é usado para sintetizar proteínas a partir de aminoácidos), a síntese da fita de DNA complementar em DNA polimerases só pode ocorrer se uma extremidade 3′-hidroxi livre estiver disponível para a polimerase. O primeiro nucleotídeo é então anexado a esta extremidade. Na reação em cadeia da polimerase (PCR), uma fita simples de DNA (primer) de cerca de 15-20 nucleotídeos de comprimento é usada como o ponto de partida da reação. As enzimas geralmente requerem íons de magnésio como cofator.

A catálise da formação da ligação diéster é funcionalmente análoga à reação correspondente de RNA polimerases. O último nucleotídeo da seção já sintetizado e o nucleotídeo a ser adicionado são coordenados a um dos dois íons de magnésio cada no centro catalítico do domínio da polimerase. O primeiro grupo fosfato do nucleotídeo a ser adicionado é coordenado a ambos os íons de magnésio. A posição espacial permite que o grupo hidroxila do nucleotídeo anterior ataque o grupo fosfato do nucleotídeo a ser adicionado. No processo, um resíduo de pirofosfato é separado.

As funções nos sítios ativos da DNA polimerase.
Os processos nos locais ativos da DNA polimerase onde as reações de ácido nucléico são catalisadas.

Atividade de exonuclease

Muitas polimerases também têm outras funções enzimáticas. Na presença de baixas concentrações de dNTPs, a atividade de exonuclease 3 ‘→ 5’ para a remoção de nucleotídeos predomina. Algumas polimerases também têm atividade de exonuclease 5 ‘→ 3’. Para garantir que nenhum erro ocorra na leitura do molde de DNA, eles têm esta função de leitura de prova, ou seja, eles são capazes de detectar a inserção de um nucleotídeo inadequado e removê-lo do DNA por meio da atividade de exonuclease. Isso permite a degradação de um DNA ou fita de RNA existente que já está emparelhado com a fita modelo enquanto uma nova fita está sendo formada. Isso resulta em uma troca da fita antiga por uma nova. Esta atividade de exonuclease é explorada pelo método de tradução de nick.

DNA polimerases diferentes

Em bactérias como a Escherichia coli, existem três diferentes DNA polimerases dependentes de DNA. Uma delas, a DNA polimerase I (Pol I), foi isolada em 1955 por Arthur Kornberg e foi a primeira polimerase descoberta. No entanto, esta não é a polimerase mais importante para a replicação em E. coli, uma vez que catalisa apenas cerca de 20 etapas de síntese (ou seja, tem apenas um baixo poder de processamento). No entanto, é responsável pela degradação do primer durante a replicação devido à sua atividade de exonuclease 5 ‘→ 3’. A DNA polimerase II e a DNA polimerase III, as outras duas DNA polimerases em E. coli, foram isoladas apenas 15 anos após a descoberta da DNA polimerase I, depois que mutantes de E. coli com defeito no gene da polimerase I se mostraram competentes para replicação. No entanto, esses mutantes eram particularmente suscetíveis à radiação ultravioleta e substâncias alquilantes, razão pela qual se supõe que a DNA polimerase I executa 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 pouquíssimas cópias por célula bacteriana.

DNA polimerases eucarióticas, incluindo DNA polimerases humanas, são classificadas nas seguintes famílias:

  • Família A: DNA polimerases γ, θ e ν
  • Família B: DNA polimerases α, δ, ε e ζ
  • Família X: DNA polimerases β, λ, σ e μ
  • Família Y: DNA polimerases η, ι e κ

A polimerase γ ocorre apenas na mitocôndria.

Apenas cinco tipos ocorrem em mamíferos: α, β, γ, δ e ε. Assume-se que as polimerases δ e ε, que são decisivas para a replicação, são caracterizadas por alto poder de processamento e função de leitura de prova. Em contraste, as polimerases α e β mostram apenas baixo poder de processamento e nenhuma função de leitura de prova.

Além disso, existem DNA polimerases dependentes de RNA que usam RNA como molde e anexam dNTPs a ele. Essas são chamadas de transcriptases reversas, que também incluem a telomerase. A única DNA polimerase independente conhecida é a desoxirribonucleotidiltransferase terminal.

Em arqueobactérias, existem tipos estáveis à temperatura que também são usados para PCR.

Significado biológico

As polimerases de DNA são de importância central para a replicação do DNA. Eles permitem a cópia fiel da informação genética na forma de DNA, portanto, um passo decisivo na reprodução e procriação dos organismos vivos. As enzimas também desempenham um papel importante nos processos associados ao reparo do DNA.

Significado biotecnológico

No laboratório, as DNA polimerases são frequentemente utilizadas para a reação em cadeia da polimerase e métodos relacionados (por exemplo, RT-PCR, qPCR), para a tradução de entalhes, iniciação aleatória e sequenciamento de DNA. Um grande número de diferentes tipos termoestáveis (por exemplo, Taq polimerase de Thermus aquaticus ) são usados, alguns dos quais são modificados por engenharia de proteínas. Além da estabilidade em altas temperaturas, as DNA polimerases termoestáveis de origem arcaica, como a Pfu polimerase, fornecem leitura de prova, uma vez que a PCR não deve levar a nenhuma alteração no DNA produzido. Além disso, DNA polimerases de deslocamento de fita, como DNA polimerase 29, são utilizadas em vários métodos de amplificação isotérmica de DNA à temperatura ambiente. O precursor das DNA polimerases usadas hoje foi a T4 DNA polimerase.

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