Nucleasen kenmerken, structuur, typen en functies

2650
Philip Kelley

De nucleasen Het zijn enzymen die verantwoordelijk zijn voor het afbreken van nucleïnezuren. Ze doen dit door hydrolyse van de fosfodiësterbindingen die nucleotiden bij elkaar houden. Om deze reden zijn ze in de literatuur ook bekend als fosfodiësterasen. Deze enzymen worden in bijna alle biologische entiteiten aangetroffen en spelen een fundamentele rol bij DNA-replicatie, reparatie en andere processen..

In algemene zin kunnen we ze classificeren afhankelijk van het type nucleïnezuren dat ze splitsen: nucleasen waarvan het substraat RNA is, worden ribonucleasen genoemd en die van DNA staan ​​bekend als deoxyribonucleasen. Er zijn enkele niet-specifieke die zowel DNA als RNA kunnen afbreken.

Fosfodiester-binding. Bron: Xvazquez [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]

Een andere veelgebruikte classificatie hangt af van de werking van het enzym. Als het zijn werk geleidelijk doet, beginnend bij de uiteinden van de nucleïnezuurketen, worden ze exonucleasen genoemd. Als de breuk daarentegen plaatsvindt op een intern punt in de ketting, worden ze endonucleasen genoemd..

Momenteel worden bepaalde endonucleasen op grote schaal gebruikt in recombinant-DNA-technologie in laboratoria voor moleculaire biologie. Dit zijn instrumenten van onschatbare waarde voor de experimentele manipulatie van nucleïnezuren..

Artikel index

  • 1 Kenmerken
  • 2 Structuur
  • 3 soorten
    • 3.1 Volgens de specificiteit van het gebruikte substraat
    • 3.2 Volgens de vorm van aanval
  • 4 functies
  • 5 Toepassingen: restrictie-enzymen
  • 6 referenties

Kenmerken

Nucleasen zijn biologische moleculen van eiwitachtige aard en met enzymatische activiteit. Ze zijn in staat om de bindingen die nucleotiden in nucleïnezuren verbinden, te hydrolyseren.

Ze werken door middel van een algemene zuur-base-katalyse. Deze reactie kan worden onderverdeeld in drie fundamentele stappen: de nucleofiele aanval, de vorming van een negatief geladen tussenproduct en, als laatste stap, het verbreken van de binding..

Er is een type enzym genaamd polymerasen, verantwoordelijk voor het katalyseren van de synthese van zowel DNA (in replicatie) als RNA (in transcriptie). Sommige soorten polymerasen vertonen nucleaseactiviteit. Net als polymerasen vertonen ook andere verwante enzymen deze activiteit..

Structuur

Nucleasen zijn een uiterst heterogene reeks enzymen, waarbij er weinig verband is tussen hun structuur en werkingsmechanisme. Dat wil zeggen, er is een drastische variatie tussen de structuur van deze enzymen, dus we kunnen geen enkele structuur noemen die ze allemaal gemeen hebben..

Types

Er zijn meerdere soorten nucleasen en ook verschillende systemen om ze te classificeren. In dit artikel bespreken we twee belangrijke classificatiesystemen: volgens het type nucleïnezuur dat ze afbreken en volgens de manier waarop het enzym wordt aangevallen..

Als de lezer geïnteresseerd is, kan hij op zoek naar een derde meer uitgebreide classificatie op basis van de functie van elk nuclease (zie Yang, 2011)..

Het is noodzakelijk te vermelden dat nucleasen ook voorkomen in deze enzymsystemen die niet specifiek zijn voor hun substraat en beide typen nucleïnezuren kunnen afbreken..

Volgens de specificiteit van het gebruikte substraat

Er zijn twee soorten nucleïnezuren die vrijwel alomtegenwoordig zijn voor organische wezens: deoxyribonucleïnezuur, of DNA, en ribonucleïnezuur, RNA. De specifieke enzymen die DNA afbreken, worden deoxyribonucleasen genoemd en RNA, ribonucleasen.

Volgens de vorm van aanval

Als de nucleïnezuurketen endolytisch wordt aangevallen, dat wil zeggen in interne gebieden van de keten, wordt het enzym een ​​endonuclease genoemd. De alternatieve aanval vindt geleidelijk plaats aan het ene uiteinde van de keten en de enzymen die het uitvoeren zijn exonucleasen. De werking van elk enzym heeft verschillende gevolgen.

Omdat exonucleasen nucleotiden stap voor stap scheiden, zijn de effecten op het substraat niet erg ingrijpend. Integendeel, de werking van endonucleasen is meer uitgesproken, omdat ze de ketting op verschillende punten kunnen splitsen. Dit laatste kan zelfs de viscositeit van de DNA-oplossing veranderen.

Exonucleasen waren cruciale elementen bij het ophelderen van de aard van de binding die nucleotiden bij elkaar hield.

De specificiteit van de endonuclease-splitsingsplaats varieert. Er zijn enkele typen (zoals het deoxyribonuclease I-enzym) die kunnen knippen op niet-specifieke locaties, waardoor relatief willekeurige verlagingen worden gegenereerd met betrekking tot de sequentie.

Daarentegen hebben we zeer specifieke endonucleasen die alleen bij bepaalde sequenties afsnijden. Later zullen we uitleggen hoe moleculair biologen van deze eigenschap profiteren.

Er zijn enkele nucleasen die kunnen werken als zowel endo- als exonucleasen. Een voorbeeld hiervan is het zogenaamde microconische nuclease.

Kenmerken

Nucleasen katalyseren een reeks reacties die essentieel zijn voor het leven. Nuclease-activiteit is een essentieel element van DNA-replicatie, omdat ze helpen bij het verwijderen van de primer of eerste en deelnemen aan het corrigeren van fouten.

Op deze manier worden twee belangrijke processen, zoals recombinatie en DNA-reparatie, gemedieerd door nucleasen..

Het draagt ​​ook bij aan het genereren van structurele veranderingen in het DNA, zoals topoisomerisatie en plaatsspecifieke recombinatie. Om al deze processen te laten plaatsvinden, is een tijdelijke afbraak van de fosfodiësterbinding nodig, uitgevoerd door nucleasen.

In RNA nemen nucleasen ook deel aan fundamentele processen. Bijvoorbeeld bij de rijping van de boodschapper en bij de verwerking van storende RNA's. Op dezelfde manier zijn ze betrokken bij de processen van geprogrammeerde celdood of apoptose..

In eencellige organismen vertegenwoordigen nucleasen een afweersysteem waarmee ze vreemd DNA dat de cel binnenkomt, kunnen verteren.

Toepassingen: restrictie-enzymen

Moleculair biologen profiteren van de specificiteit van bepaalde nucleasen die specifieke restrictienucleasen worden genoemd. Biologen hadden gemerkt dat bacteriën vreemd DNA konden verteren dat via technieken in het laboratorium was ingebracht.

Door dieper in dit fenomeen te graven, ontdekten wetenschappers restrictie-nucleasen - enzymen die DNA op bepaalde nucleotidesequenties knippen. Het is een soort "moleculaire schaar" en we vinden ze geproduceerd voor de verkoop.

Bacteriën-DNA is "immuun" voor dit mechanisme, omdat het wordt beschermd door chemische modificaties in de sequenties die de afbraak bevorderen. Elke soort en bacteriestam heeft zijn specifieke nucleasen.

Deze moleculen zijn erg handig, omdat ze ervoor zorgen dat de snede altijd op dezelfde plaats wordt gemaakt (4 tot 8 nucleotiden lang). Ze worden toegepast in recombinant-DNA-technologie.

Als alternatief kan bij sommige routineprocedures (zoals PCR) de aanwezigheid van nucleasen het proces negatief beïnvloeden, omdat ze het te analyseren materiaal verteren. Om deze reden is het in sommige gevallen nodig om remmers van deze enzymen toe te passen..

Referenties

  1. Brown, T. (2011). Inleiding tot genetica: een moleculaire benadering. Garland wetenschap.
  2. Davidson, J., & Adams, R. L. P. (1980). Biochemie van Davidson-nucleïnezuren. Omgekeerd.
  3. Nishino, T., en Morikawa, K. (2002). Structuur en functie van nucleasen bij DNA-reparatie: vorm, grip en blad van de DNA-schaar. Oncogeneenentwintig(58), 9022.
  4. Stoddard, B. L. (2005). Homing endonuclease structuur en functie. Kwartaalverslagen van Biophysics38(1), 49-95.
  5. Yang, W. (2011). Nucleasen: diversiteit van structuur, functie en mechanisme. Kwartaalverslagen van Biophysics44(1), 1-93.

Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.