DNA POLIMERASE: JENIS, FUNGSI DAN STRUKTUR - BIOLOGI - 2025

The DNA polimerase merupakan enzim yang bertanggung jawab untuk mengkatalisis polimerisasi untai DNA baru selama replikasi molekul ini. Fungsi utamanya adalah memasangkan deoksiribonukleotida trifosfat dengan rantai cetakan. Itu juga terlibat dalam perbaikan DNA.

Enzim ini memungkinkan pasangan yang benar antara basis DNA dari rantai cetakan dan yang baru, mengikuti skema pasangan A dengan T, dan G dengan C.

Struktur DNA polimerase beta pada manusia.
Sumber: Yikrazuul, dari Wikimedia Commons

Proses replikasi DNA harus efektif dan harus dilakukan dengan cepat, sehingga DNA polymerase bekerja dengan menambahkan sekitar 700 nukleotida per detik dan hanya membuat satu kesalahan setiap 10 ⁹ atau 10 ¹⁰ nukleotida yang digabungkan.

Ada berbagai jenis DNA polimerase. Ini bervariasi pada eukariota dan prokariota, dan masing-masing memiliki peran khusus dalam replikasi dan perbaikan DNA.

Ada kemungkinan bahwa salah satu enzim pertama yang muncul dalam evolusi adalah polimerase, karena kemampuan mereplikasi genom secara akurat merupakan persyaratan intrinsik untuk perkembangan organisme.

Penemuan enzim ini dilakukan oleh 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 bahwa enzim ini dapat menghasilkan salinan yang setia dari molekul DNA.

Jenis

Prokariota

Organisme prokariotik (organisme tanpa nukleus sejati, dibatasi oleh membran) memiliki tiga polimerase DNA utama, 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 pengertian 3'-5 '. III berpartisipasi dalam replikasi dan revisi DNA, dan seperti enzim sebelumnya, enzim ini menunjukkan aktivitas eksonuklease dalam pengertian 3'-5 '.

Eukariota

Eukariota (organisme dengan inti sejati, dibatasi oleh membran) memiliki lima polimerase DNA, dinamai dengan huruf alfabet Yunani: α, β, γ, δ dan ε.

Polimerase γ terletak di mitokondria dan bertanggung jawab atas replikasi materi genetik di organel sel ini. Sebaliknya, empat lainnya ditemukan di inti sel dan terlibat dalam replikasi DNA inti.

Varian α, δ dan ε adalah yang paling aktif dalam proses pembelahan sel, menunjukkan bahwa fungsi utamanya terkait dengan produksi salinan DNA.

DNA polimerase β, pada bagiannya, menunjukkan puncak aktivitas pada sel yang tidak membelah, sehingga diasumsikan bahwa fungsi utamanya berkaitan dengan perbaikan DNA.

Percobaan yang berbeda telah dapat memverifikasi hipotesis bahwa mereka kebanyakan mengasosiasikan polimerase α, δ dan ε dengan replikasi DNA. Jenis γ, δ dan ε menunjukkan aktivitas 3'-5 'exonuclease.

Arches

Metode pengurutan baru telah berhasil mengidentifikasi berbagai macam keluarga polimerase DNA. Di archaea, secara khusus, 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 pada fase S dari siklus sel. Proses di mana sel menyalin DNA dikenal sebagai replikasi.

Secara struktural, molekul DNA terdiri dari dua untai, membentuk heliks. Selama proses replikasi, ini terpisah dan masing-masing bertindak sebagai templat 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 isopot.

Replikasi DNA membutuhkan serangkaian enzim yang mengkatalisasi proses tersebut. Di antara molekul protein ini, DNA polimerase menonjol.

Reaksi

Agar sintesis DNA terjadi, substrat yang diperlukan untuk proses tersebut diperlukan: deoksiribonukleotida trifosfat (dNTP)

Mekanisme reaksi melibatkan serangan nukleofilik oleh gugus hidroksil di ujung 3 'untai yang tumbuh pada alfa fosfat dNTPs komplementer, menghilangkan pirofosfat. Langkah ini sangat penting, karena energi untuk polimerisasi berasal dari hidrolisis dNTP dan pirofosfat yang dihasilkan.

Pol III atau alfa mengikat primer (lihat sifat polimerase) dan mulai menambahkan nukleotida. Epsilon memanjangkan rantai utama, dan delta memanjangkan untai yang terbelakang.

Sifat polimerase DNA

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 dNTP ke gugus hidroksil dari rantai yang tumbuh.

Kedua, DNA polimerase tidak dapat mulai mensintesis untai baru dari awal. Mereka membutuhkan elemen tambahan yang dikenal sebagai primer atau primer, yang merupakan molekul yang terdiri dari beberapa nukleotida yang menyediakan gugus hidroksil bebas, di mana polimerase dapat mengikat dan memulai aktivitasnya.

Ini adalah salah satu perbedaan mendasar antara DNA dan RNA polimerase, karena polimerase RNA mampu memulai sintesis rantai de novo.

Fragmen Okazaki

Properti 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 (yang perlu disintesis dalam pengertian 3'-5 ').

Pada untai tertunda, sintesis terputus-putus terjadi melalui aktivitas normal polimerase, 5'-3 ', dan fragmen yang dihasilkan - yang dikenal dalam literatur sebagai fragmen Okazaki - dihubungkan oleh enzim lain, ligase.

Perbaikan DNA

DNA terus-menerus terpapar faktor-faktor, baik endogen maupun eksogen, yang dapat merusaknya. Kerusakan ini dapat menghalangi replikasi dan akumulasi, mempengaruhi ekspresi gen, menyebabkan 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 umum untuk semua polimerase, terutama yang terkait dengan pusat katalitik enzim.

Ini termasuk dua situs aktif utama yang memiliki ion logam, dengan dua residu aspartat dan satu residu variabel - aspartat atau glutamat, yang mengoordinasikan logam. Ada serangkaian 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: α terdiri dari lima unit, β dan γ dari satu subunit, δ dari dua subunit, dan ε dari 5.

Aplikasi

RRC

Reaksi berantai polimerase (PRC) adalah metode yang digunakan di semua laboratorium biologi molekuler, berkat kegunaan dan kesederhanaannya. Tujuan dari metode ini adalah untuk memperkuat molekul DNA yang diinginkan secara masif.

Untuk mencapai ini, ahli biologi menggunakan DNA polimerase yang tidak rusak oleh panas (suhu tinggi penting untuk proses ini) untuk memperkuat molekul. Hasil dari proses ini adalah sejumlah besar molekul DNA yang dapat digunakan untuk berbagai tujuan.

Salah satu kegunaan klinis yang paling menonjol dari teknik ini adalah penggunaannya dalam diagnosis medis. PRC dapat digunakan untuk memeriksa pasien dari bakteri dan virus patogen.

Antibiotik dan obat antitumor

Sejumlah besar obat bertujuan untuk memutus mekanisme replikasi DNA pada organisme patogen, baik itu virus maupun bakteri.

Dalam beberapa kasus, targetnya adalah penghambatan aktivitas DNA polimerase. Misalnya, obat kemoterapi cytarabine, juga disebut cytosine arabinoside, menonaktifkan DNA polimerase.

Referensi

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Biologi sel esensial. Ilmu Garland.
2. Cann, IK, & Ishino, Y. (1999). Replikasi DNA Archaea: mengidentifikasi potongan untuk memecahkan teka-teki. Genetika, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). Sel: Pendekatan molekuler. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Berbagai fungsi DNA polimerase. Ulasan kritis dalam ilmu tanaman, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Fungsi polimerase DNA eukariotik. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA polimerase: keragaman struktural dan mekanisme umum. Jurnal Kimia Biologi, 274 (25), 17395-17398.
7. 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.