Полимераза это в биологии кратко

Обновлено: 02.07.2024

В полимеразы представляют собой ферменты, функция которых связана с процессами репликации и транскрипции нуклеиновых кислот. Есть два основных типа этих ферментов: ДНК-полимераза и РНК-полимераза.

ДНК-полимераза отвечает за синтез новой цепи ДНК в процессе репликации, добавляя новые нуклеотиды. Это большие сложные ферменты, различающиеся по структуре в зависимости от того, обнаружены они в эукариотическом или прокариотическом организме.

Точно так же РНК-полимераза действует во время транскрипции ДНК, синтезируя молекулу РНК. Подобно ДНК-полимеразе, он обнаружен как у эукариот, так и у прокариот, и его структура и сложность варьируются в зависимости от группы.

С эволюционной точки зрения можно предположить, что первые ферменты должны были обладать полимеразной активностью, поскольку одним из внутренних требований для развития жизни является способность генома к репликации.

Центральная догма молекулярной биологии

В этой статье мы рассмотрим два важных фермента, участвующих в первых двух упомянутых процессах.

Стоит отметить, что из центральной догмы есть исключения. Многие гены не транслируются в белки, и в некоторых случаях поток информации идет от РНК к ДНК (как в ретровирусах).

ДНК-полимераза

Характеристики

ДНК-полимераза - это фермент, отвечающий за точную репликацию генома. Работа фермента должна быть достаточно эффективной, чтобы обеспечивать сохранение генетической информации и ее передачу следующим поколениям.

Если учесть размер генома, это довольно сложная задача. Например, если мы поставим себе задачу переписать 100-страничный документ на нашем компьютере, у нас обязательно будет одна ошибка (или больше, в зависимости от нашей концентрации) на каждой странице.

Полимераза может добавлять более 700 нуклеотидов каждую секунду, а неверно только каждые 10. 9 или 10 10 включенных нуклеотидов, необычайное количество.

Полимераза должна иметь механизмы, позволяющие точно копировать информацию генома. Следовательно, существуют разные полимеразы, которые обладают способностью реплицировать и восстанавливать ДНК.

Характеристики и состав

ДНК-полимераза - это фермент, который работает в направлении 5'-3 'и работает путем добавления нуклеотидов к концевому концу со свободной группой -ОН.

Одним из непосредственных следствий этой характеристики является то, что одну из цепей можно синтезировать без каких-либо неудобств, но как насчет цепи, которую необходимо синтезировать в направлении 3'-5 '?

Эта цепь синтезируется в так называемые фрагменты Окадзаки. Таким образом, небольшие сегменты синтезируются в нормальном направлении, 5'-3 ', которые впоследствии соединяются ферментом, называемым лигазой.

Структурно ДНК-полимеразы имеют два общих активных центра, которые содержат ионы металлов. В них мы находим аспартат и другие аминокислотные остатки, которые координируют металлы.

Типы

Традиционно у прокариот выделяют три типа полимераз, названные римскими цифрами: I, II и III. У эукариот распознаются пять ферментов, которые названы буквами греческого алфавита, а именно: α, β, γ, δ и ε.

Последнее исследование выявило пять типов ДНК в Кишечная палочка, 8 в дрожжах Saccharomyces cerevisiae и более 15 у человека. В растительной линии фермент изучен меньше. Однако в модельном организме Arabidopsis thaliana Описано около 12 ферментов.

Приложения

Одним из наиболее часто используемых методов в лабораториях молекулярной биологии является ПЦР или полимеразная цепная реакция. Эта процедура использует полимеризационную способность ДНК-полимеразы для амплификации на несколько порядков молекулы ДНК, которую мы хотим изучить.

Другими словами, в конце процедуры у нас будут тысячи копий нашей целевой ДНК.Использование ПЦР очень разнообразно. Его можно применить в научных исследованиях, для диагностики некоторых заболеваний или даже в экологии.

РНК-полимераза

Характеристики

РНК-полимераза отвечает за создание молекулы РНК, начиная с матрицы ДНК. Полученный транскрипт представляет собой копию, которая дополняет сегмент ДНК, который использовался в качестве матрицы.

Информационная РНК отвечает за перенос информации в рибосому, чтобы генерировать белок. Они также участвуют в синтезе других типов РНК.

Он не может действовать в одиночку, ему нужны белки, называемые факторами транскрипции, чтобы успешно выполнять свои функции.

Характеристики и состав

РНК-полимеразы - это большие ферментные комплексы. Они более сложны в эукариотической линии, чем в прокариотической.

У эукариот есть три типа полимераз: Pol I, II и III, которые являются центральным механизмом для синтеза рибосомной, информационной и транспортной РНК соответственно. Напротив, у прокариот все их гены процессируются одним типом полимеразы.

Различия между ДНК и РНК-полимеразой

Хотя оба фермента используют отжиг ДНК, они различаются по трем ключевым причинам. Во-первых, ДНК-полимераза требует первый для начала репликации и подключения нуклеотидов. А первый или праймер представляет собой молекулу, состоящую из нескольких нуклеотидов, последовательность которых комплементарна определенному участку в ДНК.

Праймер отдает полимеразе свободный –ОН, чтобы запустить ее каталитический процесс. Напротив, РНК-полимеразы могут начать свою работу без необходимости первый.

Во-вторых, ДНК-полимераза имеет несколько участков связывания на молекуле ДНК. РНК-полимераза может связываться только с промоторными последовательностями генов.

Наконец, ДНК-полимераза - это фермент, который выполняет свою работу с высокой точностью. РНК-полимераза подвержена большему количеству ошибок, вводя неправильный нуклеотид каждые 10 4 нуклеотиды.

Выделяют ДНК-зависимую ДНК-полимеразу (КФ 2.7.7.7), использующую в качестве матрицы одну из цепей ДНК, и РНК-зависимую ДНК-полимеразу (другое название обратная транскриптаза, КФ 2.7.7.49), способную также к считыванию информации с РНК (обратная транскрипция).

ДНК-полимеразу считают холоферментом, поскольку для нормального функционирования она требует присутствия ионов магния в качестве кофактора. В отсутствие ионов магния о ней можно говорить как об апоферментe.

ДНК-полимераза начинает репликацию ДНК, связываясь с отрезком цепи нуклеотидов. Среднее количество нуклеотидов, присоединяемое ферментов ДНК-полимеразой за один акт связывания/диссоциации с матрицей, называют процессивностью.

Содержание

Действие ДНК-полимеразы

Некоторые ДНК-полимеразы обладают также способностью исправлять ошибки во вновь собираемой цепочке ДНК. Если происходит обнаружение неправильной пары нуклеотидов, ДНК-полимераза откатывается на один шаг назад. Благодаря своей 3'-5' экзонуклеазной гидролитической активности ДНК-полимераза может исключить неправильный нуклеотид из цепочки и затем вставить на его место правильный, после чего репликация продолжается в нормальном режиме.

Многообразие ДНК-полимераз

Структура ДНК-полимераз достаточно жёстко фиксирована. Их каталитические субъединицы очень мало различаются в различных видах живых клеток. Такая фиксация структуры обычно появляется там, где отсутствие разнообразия обусловлено огромной важностью или даже незаменимостью для функционирования клетки.

Генами некоторых вирусов тоже кодируются особые ДНК-полимеразы, которые могут избирательно реплицировать вирусные ДНК. Ретровирусы обладают геном необычной ДНК-полимеразы, называемой ещё обратной транскриптазой, являющейся РНК-зависимой ДНК-полимеразой и осуществляющей сборку ДНК на основе шаблонной РНК.

Семейства ДНК-полимераз

На основании своей структуры ДНК-полимеразы могут быть разбиты на семь различных семейств: A, B, C, D, X, Y, и RT.

Семейство A

Семейство A включает в себя репликативные и восстановительные ДНК-полимеразы. Репликативные члены этого семейства представлены, например, хорошо исследованной ДНК-полимеразой вируса Т7 или эукариотической митохондриальной ДНК-полимеразой γ. Среди восстановительных полимераз мы находим такие примеры как ДНК-полимераза I E. coli, полимераза I из Thermus aquaticus или полимераза I Bacillus stearothermophilus. Восстановительные полимеразы участвуют в процессе устранения ошибок в собираемой ДНК, а также в обработке фрагментов Оказаки.

Семейство B

В семейство B в основном входят восстановительные полимеразы, в том числе основные эукариотические ДНК-полимеразы α, δ, и ε, а также ДНК-полимераза ζ. К этому семейству также относят ДНК-полимеразы некоторых бактерий и бактериофагов, например бактериофагов T4, Phi29 and RB69. Эти ферменты используются в синтезе и 3’-5’, и 5’-3’ моноцепей ДНК. Отличительной особенностью полимераз этого семейства является замечательная точность репликации. Многие также обладает сильным 3’-5’-экзонуклеазным действием (за исключением ДНК-полимераз α и ζ, у которых способности корректировать ошибки не наблюдается).

Семейство C

Полимеразы этого семейства — в основном бактериальные хромосомные репликативные ферменты, обладающие, кроме того, 3’-5’-экзонуклеазным действием.

Семейство D

Полимеразы этого семейства недостаточно изучены. Все известные образцы считаются репликативными полимеразами и обнаружены у архей субдомена Euryarchaeota.

Семейство X

Семейство Y

Полимеразы этого семейства отличаются от прочих низкой производительностью на целостных шаблонах, а также способностью осуществлять репликацию на шаблонах поврежденных ДНК. Вследствие этого члены семейства называются полимеразами транслезионного синтеза. В зависимости от характера повреждения (лезии) ТЛС-полимеразы могут восстановить исходную цепочку. Ошибка может и не быть восстановлена, что приводит к мутациям. Страдающие Xeroderma pigmentosum, например, обладают мутантным геном ДНК-полимеразы η (eta), который толерантен к повреждениям, однако другие полимеразы, например ζ (относящаяся к семейству B), страдают от мутаций, что, как считается, приводит к предрасположенности к онкологическим заболеваниям.

Другие члены этого семейства — человеческие полимеразы ι, κ, а также концевая дезоксинуклеотидил-трансфераза Rev1. У E.coli имеются две ТЛС-полимеразы: IV (DINB) и V (UMUC).

Семейство RT

Семейство обратных транскриптаз (название семейства происходит от англ. reverse transcriptase ) содержит полимеразы, обнаруженные как у ретровирусов, так и у эукариот. Они являются РНК-зависимыми ДНК-полимеразами, то есть, в отличие от описанных выше ферментов, используют в качестве матрицы для синтеза РНК, а не ДНК. Эукариотические обратные транскриптазы в основном представлены теломеразами. Эти полимеразы используют шаблонную РНК для синтеза цепочки ДНК.

Прокариотические ДНК-полимеразы

У бактерий обнаружено пять ДНК-полимераз:

• ДНК-полимераза I задействована в восстановлении ДНК, обладает и 5'-3', и 3'-5'-экзонуклеазным действием;
• ДНК-полимераза II участвует в репликации поврежденной ДНК. Обладает способностью 5'-3'-удлинения цепочки и 3'-5'-экзонуклеазным действием;
• ДНК-полимераза III — основная полимераза бактерий, обладающая также 3'-5'-экзонуклеазным действием;
• ДНК-полимераза IV, ДНК-полимераза семейства Y;
• ДНК-полимераза V, ДНК-полимераза семейства Y, принимающая участие в пропуске поврежденных участков ДНК.

Эукариотические ДНК-полимеразы

Эукариоты содержат по меньшей мере пятнадцать видов ДНК-полимераз [1] :

• ДНК-полимераза α выступает сначала в роли праймазы, синтезируя праймер ДНК, а затем как нормальная полимераза, присоединяя к этому праймеру нуклеотиды. После того, как длина цепочки достигнет около 20 нуклеотидов [2] , к транскрипции приступают полимеразы δ и ε;
• ДНК-полимераза β задействована в восстановлении ДНК;
• Pol γ, осуществляющая репликацию митохондриальной ДНК;
• ДНК-полимераза δ — основная полимераза эукариот. Она высокопроизводительна, а также обладает 3'-5'-экзонуклеазным действием;
• ДНК-полимераза ε, иногда замещающая ДНК-полимеразу δ во время синтеза 3’-5’-моноспирали. Основное назначение этой полимеразы неясно;
• ДНК-полимеразы η, ι, κ, и Rev1 из семейства Y, а также ζ из семейства B. Эти полимеразы задействованы в пропуске поврежденных участков ДНК [3] .
• Существуют также другие эукариотические ДНК-полимеразы, которые пока недостаточно изучены: θ, λ, φ, σ и μ.

Обнаружены и другие эукариотические полимеразы.

Ни одна эукариотическая полимераза не может отщеплять праймеры, то есть не обладает 5’-3’-экзонуклеазным действием. Эту функцию выполняют другие ферменты. Только полимеразы, осуществляющие элонгацию (γ, δ и ε) обладают 3'-5'-экзонуклеазными свойствами.

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

• Проставив сноски, внести более точные указания на источники.

• ДНК
• КФ 2.7.7
• Компоненты репликационной вилки
• Молекулярно-генетические процессы

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "ДНК-полимераза" в других словарях:

ДНК полимераза — * ДНК полімераза * DNA polymerase … Генетика. Энциклопедический словарь

ДНК-полимераза(ы) σ — * ДНК полімераза σ * σ DNA polymerase участвующий в синтезе ДНК фермент клеток млекопитающих, состоящий из двух субъединиц с суммарной молекулярной массой около 150 кДа, который обладает 31 экзонуклеазной активностью … Генетика. Энциклопедический словарь

днк-полимераза — сущ., кол во синонимов: 1 • полимераза (2) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

ДНК-полимераза α — ДНК полимераза α Основной фермент репликации ДНК в ядрах эукариот, состоит из нескольких субъединиц разного размера суммарная молекулярная масса около 500 кД, ингибируется афидиколином. [Арефьев В.А., Лисовенко Л.А. Англо русский толковый… … Справочник технического переводчика

ДНК-полимераза Y — * ДНК полімераза Y * Y DNA polymerase фермент клеток млекопитающих и растений, участвующий в репликации митохондриального (у растений хлоропластного) генома. Состоит из нескольких идентичных субъединиц … Генетика. Энциклопедический словарь

ДНК полимераза — Трехмерная структура ДНК связывающих спирально шпилечных участков в человеческой бета ДНК полимеразе ДНК полимераза фермент, участвующий в репликации ДНК. Ферменты этого класса катализируют полимеризацию дезоксирибонуклеотидов вдоль цепочки… … Википедия

ДНК-полимераза — DNA Polymerase ДНК полимераза Фермент, катализирующий синтез полинуклеотидной цепи из отдельных нуклеотидов с использованием другой цепи в качестве матрицы и ДНК затравки со свободной 3’–ОН группой … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

ДНК-полимераза является ферментом, который ответственен за катализ полимеризации новой цепи ДНК во время репликации этой молекулы. Его основная функция заключается в сопоставлении дезоксирибонуклеотидтрифосфатов с таковыми в матричной цепи. Он также участвует в восстановлении ДНК.

Этот фермент обеспечивает правильное совпадение оснований ДНК в цепочке плесени и новой цепи, следуя схеме A, которую он соединяет с T, а G с C.

Процесс репликации ДНК должен быть эффективным и должен выполняться быстро, поэтому ДНК-полимераза действует, добавляя около 700 нуклеотидов в секунду, и делает ошибку только каждые 10 9 или 10 10 встроенные нуклеотиды.

Существуют разные типы ДНК-полимеразы. Они различаются как у эукариот, так и у прокариот, и каждый из них играет специфическую роль в репликации и репарации ДНК..

Возможно, что одним из первых ферментов, появившихся в эволюции, были полимеразы, поскольку способность точно реплицировать геном является неотъемлемым требованием для развития организмов..

Открытие этого фермента приписывается Артуру Корнбергу и его коллегам. Этот исследователь идентифицировал ДНК-полимеразу I (Pol I) в 1956 году, работая с Кишечная палочка. Точно так же это были Уотсон и Крик, которые предположили, что этот фермент может производить точные копии молекулы ДНК..

• 1 Типы
  • 1.1 Прокариоты
  • 1.2 Эукариот
  • 1.3 Арки
  • 2.1 Что такое репликация ДНК?
  • 2.2 Реакция
  • 2.3 Свойства ДНК-полимераз
  • 2.4 Фрагменты Оказаки
  • 2.5 Ремонт ДНК
  • 4.1 КНР
  • 4.2 Антибиотики и противоопухолевые препараты

  тип

  прокариоты

  Прокариотические организмы (организмы без настоящего ядра, разделенные мембраной) обладают тремя основными ДНК-полимеразами, обычно сокращенно обозначаемыми как pol I, II и III.

  ДНК-полимераза I участвует в репликации и репарации ДНК и обладает экзонуклеазной активностью в обоих направлениях. Считается, что роль этого фермента в репликации вторична..

  II участвует в репарации ДНК, и его экзонуклеазная активность находится в направлении 3'-5 '. III участвует в репликации и ревизии ДНК, и, как и предыдущий фермент, проявляет экзонуклеазную активность в направлении 3'-5 '.

  эукариот

  Эукариоты (организмы с истинным ядром, ограниченным мембраной) обладают пятью ДНК-полимеразами, обозначенными буквами греческого алфавита: α, β, γ, δ и ε..

  Γ-полимераза находится в митохондриях и отвечает за репликацию генетического материала в этой клеточной органелле. Напротив, остальные четыре находятся в ядре клеток и участвуют в репликации ядерной ДНК.

  Варианты α, δ и ε являются наиболее активными в процессе деления клеток, что позволяет предположить, что их основная функция связана с продукцией копий ДНК..

  ДНК-полимераза β, с другой стороны, представляет пики активности в клетках, которые не делятся, поэтому предполагается, что ее основная функция связана с репарацией ДНК..

  Различные эксперименты смогли подтвердить гипотезу о том, что они ассоциируют в основном полимеразы α, δ и ε с репликацией ДНК. Типы γ, δ и ε проявляют 3'-5 'экзонуклеазную активность.

  археи

  Новые методы секвенирования позволили выявить огромное разнообразие семейств ДНК-полимераз. В частности, у архей мы определили семейство ферментов, называемое семейством D, которые уникальны для этой группы организмов..

  Функции: репликация и репарация ДНК

  Что такое репликация ДНК?

  ДНК - это молекула, которая несет всю генетическую информацию организма. Он состоит из сахара, азотистого основания (аденин, гуанин, цитозин и тимин) и фосфатной группы.

  Во время процессов деления клетки, которые происходят постоянно, ДНК должна быть скопирована быстро и точно, особенно в S-фазе клеточного цикла. Этот процесс, когда клетка копирует ДНК, известен как репликация.

  Структурно молекула ДНК образована двумя нитями, образующими спираль. Во время процесса репликации они разделяются, и каждый из них выступает в качестве характера для образования новой молекулы. Таким образом, новые нити переходят в дочерние клетки в процессе деления клеток.

  Поскольку каждая нить закалена, говорят, что репликация ДНК является полуконсервативной - в конце процесса новая молекула состоит из новой нити и старой нити. Этот процесс был описан в 1958 году исследователями Meselson и Stahl с использованием изофотографий..

  Репликация ДНК требует ряда ферментов, которые катализируют процесс. Среди этих белковых молекул выделяется ДНК-полимераза.

  реакция

  Для синтеза ДНК необходимы необходимые субстраты для процесса: дезоксирибонуклеотидтрифосфаты (дНТФ)

  Механизм реакции включает нуклеофильную атаку гидроксильной группы на 3'-конце растущей цепи в альфа-фосфате комплементарного dNTP, удаляя пирофосфат. Этот этап очень важен, так как энергия для полимеризации происходит от гидролиза dNTP и получающегося в результате пирофосфата..

  Пол III или альфа присоединяется к первому (см. Свойства полимераз) и начинает добавлять нуклеотиды. Эпсилон удлиняет цепь лидера, а дельта удлиняет задержанную цепь.

  Свойства ДНК-полимераз

  Все известные ДНК-полимеразы имеют два важных свойства, связанных с процессом репликации..

  Во-первых, все полимеразы синтезируют цепь ДНК в направлении 5'-3 ', добавляя dNTP к гидроксильной группе растущей цепи..

  Во-вторых, ДНК-полимеразы не могут начать синтезировать новую цепь из ничего. Им нужен дополнительный элемент, известный как праймер или праймер, который представляет собой молекулу, образованную несколькими нуклеотидами, которая дает свободную гидроксильную группу, где полимераза может закрепиться и начать свою деятельность..

  Это одно из фундаментальных различий между ДНК- и РНК-полимеразами, поскольку последняя способна инициировать синтез цепи de novo.

  Фрагменты Оказаки

  Первое свойство ДНК-полимераз, упомянутое в предыдущем разделе, является осложнением для полуконсервативной репликации. Поскольку две нити ДНК проходят антипараллельно, одна из них синтезируется прерывистым образом (который необходимо будет синтезировать в направлении 3'-5 ')..

  В задержанной цепи прерывистый синтез происходит посредством нормальной активности полимеразы 5'-3 ', и полученные фрагменты - известные в литературе как фрагменты Оказаки - связаны с другим ферментом, лигазой.

  Восстановление ДНК

  ДНК постоянно подвергается воздействию как эндогенных, так и экзогенных факторов, которые могут ее повредить. Эти повреждения могут блокировать репликацию и накапливаться, так что они влияют на экспрессию генов, создавая проблемы в различных клеточных процессах..

  В дополнение к своей роли в процессе репликации ДНК, полимераза также является ключевым компонентом механизмов репарации ДНК. Они также могут действовать как сенсоры в клеточном цикле, которые предотвращают вход в фазу деления, если ДНК повреждена.

  структура

  В настоящее время благодаря исследованиям кристаллографии стало возможным выяснить структуры различных полимераз. Основываясь на своей первичной последовательности, полимеразы группируются в семейства: A, B, C, X и Y.

  Некоторые аспекты являются общими для всех полимераз, особенно те, которые связаны с каталитическими центрами фермента..

  К ним относятся два ключевых активных сайта, которые имеют ионы металлов, с двумя аспартатными остатками и переменным остатком - либо аспартатом, либо глутаматом, который координирует металлы. Существует еще одна серия заряженных остатков, которые окружают каталитический центр и сохраняются в разных полимеразах..

  У прокариот ДНК-полимераза I представляет собой полипептид 103 кДа, II представляет собой полипептид 88 кДа и III состоит из десяти субъединиц.

  У эукариот ферменты крупнее и сложнее: α образован пятью единицами, β и γ - субъединицей, δ - двумя субъединицами, а ε - 5..

  приложений

  КНР

  Полимеразная цепная реакция (PRC) является методом, используемым во всех лабораториях молекулярной биологии, благодаря своей полезности и простоте. Целью этого метода является массовая амплификация интересующей молекулы ДНК.

  Чтобы достичь этого, биологи используют ДНК-полимеразу, которая не повреждается при нагревании (для этого процесса необходимы высокие температуры) для амплификации молекулы. Результатом этого процесса является большое количество молекул ДНК, которые могут быть использованы для различных целей.

  Одним из наиболее выдающихся клинических применений метода является его использование в медицинской диагностике. PRC может быть использован для проверки наличия патогенных бактерий и вирусов у пациентов.

  Антибиотики и противоопухолевые препараты

  Значительное количество лекарств направлено на усечение механизмов репликации ДНК в патогенном организме, будь то вирус или бактерия.

  В некоторых случаях целью является ингибирование активности ДНК-полимеразы. Например, химиотерапевтический препарат цитарабин, также называемый цитозина арабинозид, отключает ДНК-полимеразу.

  
  

  Полимера́за — фермент, главной биологической функцией которого является синтез полимеров нуклеиновых кислот. ДНК-полимераза и РНК-полимераза синтезируют молекулы ДНК и РНК соответственно, в основном, путём комплементарного копирования родительских цепей ДНК или РНК.

  Многие полимеразы, полученные из термофильных бактерий (например, Taq-полимераза из Thermus aquaticus) или архей, имеют большое значение для промышленности, так как широко используются в молекулярной биологии для проведения полимеразной цепной реакции.

  
  

  ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) составляет основу бесчисленных исследований с участием живых организмов. Из кода ДНК мы можем определить генетическую основу заболеваний, разработать лекарства, провести судебно-медицинскую экспертизу, идентифицировать микробы и многое другое.

  Самое главное, что нужно для такого исследования, — это большое количество исследуемого фрагмента ДНК. Однако ДНК, выделенной из клеток, тканей или любого другого биологического источника, часто бывает недостаточно для анализа. Таким образом, ученым нужно делать больше копий ДНК.

  Именно здесь и проявляется решающая роль "полимеразной цепной реакции".

  Что такое полимеразная цепная реакция?

  ПЦР использует способность ферментов полимеразы создавать копии генетического материала в лабораторных условиях.

  До появления ПЦР копии ДНК создавались путем выделения определенного фрагмента ДНК и вставки его в геном живых клеток. Живые клетки реплицировали вставленную ДНК, одновременно реплицируя свою собственную ДНК. Этот метод был трудоемким и длительным способом получения копий ДНК, достаточных для дальнейшего изучения.

  Однако теперь это уже не так. Основная заслуга в этом принадлежит Кэри Маллису, который в 1983 году изобрел "полимеразную цепную реакцию" (ПЦР), положив начало "биотехнологической революции". Сегодня ПЦР является очень распространенной лабораторной техникой даже в небольших лабораториях и используется для создания копий ДНК на регулярной основе.

  ПЦР может избирательно создавать копии интересующей ДНК посредством процесса, часто называемого "молекулярным фотокопированием". После синтеза нескольких копий ДНК с помощью ПЦР ДНК подвергается "амплификации".

  Каковы компоненты реакции ПЦР?

  Ключевыми компонентами реакции ПЦР являются матричная ДНК, праймеры, нуклеотиды и термостойкая ДНК-полимераза. Давайте кратко узнаем о каждом из этих компонентов.

  Для ПЦР можно использовать ДНК от простейших бактерий до самых сложных животных и растений. Однако вся ДНК (шаблонная ДНК) не проходит ПЦР; в ходе процесса будет амплифицирована только небольшая часть.

  Для амплификации ДНК очень важны праймеры - короткие участки нуклеотидов (примерно 20 п.н.). Используется набор праймеров, как прямой праймер, так и обратный праймер. Праймеры связываются с началом и концом цепей ДНК, сигнализируя о точках, из которых цепь ДНК должна быть амплифицирована.

  Нуклеотиды, используемые для реакции ПЦР, представляют собой смесь всех четырех азотистых оснований, обнаруженных в ДНК. Это аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C).

  Последний и самый важный компонент - ДНК-полимераза. Фермент полимераза создает новые молекулы ДНК путем сборки нуклеотидов способом, который комплементарен существующей цепи. Таким образом, он может фактически создать две идентичные молекулы ДНК из одной нити ДНК.

  Наряду с ферментом в реакционную смесь необходимо добавить кофакторы, необходимые для действия ДНК-полимеразы. Кофакторы - это металлические соединения, которые имеют решающее значение для активности ферментов. Ионы магния являются кофакторами ДНК-полимеразы.

  ДНК-полимераза, используемая в ПЦР, представляет собой термостабильную ДНК-полимеразу (часто называемую полимеразой Taq), выделенную из термофильных организмов, способных выдерживать высокие температуры.

  Каковы этапы реакции ПЦР?

  Теперь, когда мы знаем все компоненты, необходимые для ПЦР, давайте проверим, какие три этапа включает в себя реакция ПЦР. Эти этапы - денатурация, отжиг и удлинение.

  Активность полимеразы зависит от наличия одноцепочечной ДНК, с которой могут связываться праймеры. Этого можно добиться, нагрев образец ДНК при температуре 94-98 °C.

  Нагревание разрушает связи, удерживающие две нити ДНК вместе. Этот процесс называется денатурацией, так как двухцепочечная молекула ДНК денатурируется до двух одноцепочечных молекул. Одна нить ДНК будет называться нитью шаблона, а ее пара - комплементарной нитью.

  На следующем этапе праймеры связываются (отжигаются) с шаблонной ДНК в определенных местах. Прямой праймер связывается с началом шаблонной ДНК (одна нить двухцепочечной ДНК) на 3 п.н. нуклеотидной последовательности ATG (стартовый кодон). Обратный праймер связывается с концом комплементарной ДНК (второй нити двухцепочечной ДНК) на 3 п.н. нуклеотидных последовательностей TAG, TAA или TGA (стоп-кодоны). ДНК между стартовым и стоп-кодонами амплифицируется.

  Успех этого этапа зависит от последовательности праймеров и температуры, выбранной для отжига, обычно 50-65 °C.

  Последним и завершающим этапом является элонгация или терминация, которая происходит при 72 °C, оптимальной температуре для активности Taq-полимеразы. ДНК-полимераза распознает связанный с праймером участок ДНК и добавляет нуклеотиды, комплементарные нити шаблонной ДНК. Это происходит до тех пор, пока она не встретит второй праймер.

  После успешной реакции терминации вместо одной спирали ДНК, использовавшейся на начальном этапе, образуются две спирали ДНК. В каждой из двух спиралей ДНК одна нить будет исходной нитью, полученной из образца ДНК. Другая нить будет комплементарной нитью, синтезированной ДНК-полимеразой в ходе ПЦР.

  
  

  Три этапа реакции ПЦР - это денатурация, отжиг и удлинение или терминация.

  В чем заключается принцип амплификации ДНК с помощью ПЦР?

  Этапы денатурации, отжига и полимеризации составляют один цикл ПЦР. Типичная реакция ПЦР может потребовать 25-35 циклов для оптимальной амплификации ДНК.

  В конце одного цикла из одного шаблона ДНК образуются две молекулы ДНК. В конце двух циклов две ДНК образуют четыре молекулы ДНК, которые затем амплифицируются до восьми молекул ДНК в конце трех циклов. В конце n циклов будет 2n копий исходного шаблона ДНК.

  После каждого цикла количество молекул ДНК, которые могут служить шаблонами для следующего цикла, увеличивается экспоненциально. Это увеличение числа шаблонов цикл за циклом является основой амплификации молекул ДНК в ПЦР.

  
  

  Экспоненциальная амплификация молекул ДНК с помощью метода ПЦР

  Каковы плюсы и минусы ПЦР?

  Основные плюсы метода ПЦР заключаются в том, что он способен создавать миллионы и миллиарды копий ДНК всего за несколько часов. Этот метод быстр, относительно прост в освоении и может быть выполнен в базовых лабораторных условиях.

  Основным недостатком является высокая чувствительность метода, поэтому образец, используемый для амплификации, должен быть свободен от загрязнений. Даже небольшие следы нежелательной ДНК могут амплифицироваться вместе с интересующей ДНК, что дает ложные результаты.

  Другим недостатком является требование информации о последовательности ДНК для разработки праймеров. Кроме того, праймеры могут иногда отжигать не на тех участках ДНК. Такой неспецифический отжиг праймеров может привести к амплификации неправильного фрагмента ДНК.

  В редких случаях ДНК-полимераза может включить неправильное основание, что приведет к изменению последовательности интересующей ДНК, что может повлиять на последующий процесс.

  Для успешного проведения реакции ПЦР необходимо иметь чистый генетический материал, соответствующий набор праймеров и подходящую температуру отжига.

  Где можно использовать эту технологию?

  Основное применение ПЦР - это селективное выделение ДНК из смешанных образцов ДНК. Это может помочь диагностировать инфекционные заболевания, генетические заболевания и несколько видов рака за короткий промежуток времени. Он также используется в криминалистике для идентификации преступников и проверки родства.

  Он составляет основу большинства приложений, связанных с молекулярной биологией, клонированием генов, технологией рекомбинантной ДНК и мутагенезом.

  Практическое развитие простой и универсальной техники ПЦР, предложенной Кэри Маллис, радикально изменило биологические исследования. Все, что нам нужно сделать, это смешать все компоненты ПЦР в соответствующих концентрациях в маленькой пробирке, загрузить ее в ПЦР-машину (термоциклер) и подождать несколько часов. После периода ожидания исследователи получат от миллионов до миллиарда копий интересующей вас ДНК. Разве это не удивительно?

  Вот почему ПЦР всегда будет быстрым и надежным методом создания копий ДНК по сравнению с методами, использовавшимися до этого революционного открытия.

  Читайте также:

    
  • Редукция это кратко в биологии
    
  • История возникновения профессии художник кратко
    
  • Миф об атланте кратко
    
  • Назначение 3d принтера кратко
    
  • Аэробное дыхание это кратко