Cum polimeraza ADN-ului previne mutațiile

Mutațiile sunt modificări permanente ale secvenței nucleotidice a unui organism anume. Acestea pot apărea din cauza erorilor replicării ADN sau a mutagenelor externe. Efectul unei mutații poate fi benefic sau dăunător celulei. Cu toate acestea, celulele sunt supuse diferitelor tipuri de mecanisme pentru a preveni mutațiile. ADN polimeraza, care este enzima implicată în replicarea ADN, este echipată cu mai multe mecanisme pentru a preveni erorile în timpul replicării ADN. În timpul replicării ADN, bazele necorespunzătoare sunt înlocuite cu corectură. Imediat după replicarea ADN, restul bazelor greșite sunt înlocuite cu repararea neconcordanțelor direcționate către șir. În plus, mutațiile cauzate de factorii externi sunt reparate prin mai multe mecanisme, cum ar fi repararea exciziei, inversarea chimică și repararea dublei pene. Dacă leziunea este reversibilă, celula este supusă apoptozei pentru a evita transmiterea ADN-ului defectuos la descendenți.

Domenii cheie acoperite

1. Ce este o mutație
      - Definiție, tipuri, cauze
2. Cum polimeraza ADN-ului previne mutațiile
     - Corectarea, repararea neconcordanțelor direcționate de direcție

Termeni-cheie: polimeraza ADN, repararea necorespunzatoare a directiei, proteine ​​mutante, mutatie, rectificari

Ce este o mutație

O mutație se referă la o schimbare permanentă și ereditară în secvența nucleotidică a genomului. Mutațiile pot apărea din cauza erorilor replicării ADN sau a factorilor externi cunoscuți ca mutageni. Cele trei forme de mutații sunt mutații punctuale, mutații de transfuzie și mutații cromozomiale.

Mutațiile punctului

Mutațiile punctuale sunt substituții singulare nucleotidice. Cele trei tipuri de mutații punctuale sunt mutații de tip missense, prostie și silențioase. Mutație de mutație modifică un singur codon al genei, modificând aminoacidul în lanțul polipeptidic. Deşi nonsens mutații modifică secvența de codon, nu modifică secvența de aminoacizi. Silent mutații modifică un codon unic la alt codon care reprezintă același aminoacid. Mutațiile punctuale sunt cauzate de erori în replicarea ADN și de mutageni. Sunt prezentate diferite tipuri de mutații punctuale figura 1.

Figura 1: Mutări punctuale

Mutații de transmisie a cadrelor

Mutațiile transfrontaliere sunt inserții sau deleții ale unuia sau mai multor nucleotide din genom. Inserțiile, ștergerile și duplicările sunt cele trei tipuri de mutații frameshift. inserţiile sunt adăugarea uneia sau mai multor nucleotide la secvență în timp ce ștergeri sunt îndepărtarea mai multor nucleotide din secvență. duplicări sunt repetarea mai multor nucleotide. Mutațiile mutațiilor de cadre sunt, de asemenea, cauzate de erori în replicarea ADN și de mutageni.

Transformări cromozomiale

Cromozomii sunt modificări ale segmentelor de cromozomi. Tipurile de mutații cromozomiale sunt translocațiile, duplicarea genelor, ștergerile intra-cromozomiale, inversiunile și pierderea heterozygozității. Translocațiile sunt schimburile de părți ale cromozomilor între cromozomi neomologi. În duplicarea genelor, pot apărea copii multiple ale unei alele, crescând doza de gene. Îndepărtarea segmentelor de cromozomi este cunoscută sub denumirea de deleții intra-cromozomiale. Inversiunile schimbă orientarea unui segment de cromozomi. Heterozilozitatea unei gene poate fi pierdută datorită pierderii unei alele într-un cromozom prin deleție sau recombinare genetică. Vitezele mutațiilor cromozomiale sunt cauzate în principal de mutageni externi și de daune mecanice la ADN.

Cum polimeraza ADN-ului previne mutațiile

ADN polimeraza este enzima responsabilă de adăugarea de baze nucleotidice la catena în creștere în timpul replicării ADN. Deoarece secvența nucleotidică a unui genom determină dezvoltarea și funcționarea unui anumit organism, este vital să se sintetizeze replica exactă a genomului existent în timpul replicării ADN-ului. În general, ADN polimeraza menține fidelitate ridicată în timpul replicării ADN, încorporând doar nucleotide singulare nepotrivite la 10⁹ adăugate nucleotide. Prin urmare, dacă apare o eroare între bazele azotate în plus față de perechile de bază complementare standard, ADN polimeraza adaugă acea nucleotidă la lanțul de creștere, producând o mutație frecventă. Erorile replicării ADN-ului sunt corectate prin două mecanisme cunoscute ca reparații de corecții și repararea necorespunzătoare a direcției.

Corectură

Corectarea se referă la un mecanism inițial de corectare a perechilor de baze greșite din ramura ADN în creștere și se realizează prin ADN polimerază. ADN polimeraza efectuează corectură în două etape. Prima corectură are loc chiar înainte de adăugarea unei noi nucleotide la lanțul în creștere. Afinitatea nucleotidelor corecte pentru ADN polimeraza este de multe ori mai mare decât cea a nucleotidelor incorecte. Cu toate acestea, enzima ar trebui să se supună unei modificări conformaționale imediat după ce nucleotida primită se leagă la șablon prin legături de hidrogen, dar înainte de legarea legăturii nucleotidului cu catena crescătoare prin acțiunea ADN polimerazei. Nucleotidele asociate incorect de bază sunt predispuse să disocieze de șablon în timpul modificării conformaționale a ADN polimerazei. Prin urmare, etapa permite ADN polimerazei să "verifice de două ori" nucleotidul înainte de a-l adăuga continuu la firul de creștere. Mecanismul de corectură a ADN polimerazei este prezentat în figura 2.

Figura 2: Corectare

Cel de-al doilea pas de corectare este cunoscut sub numele de controlul exonucleolitic. Apare imediat după încorporarea unei nucleotide neadecvate la lanțul de creștere într-o situație rară. ADN polimeraza nu este capabilă să adauge a doua nucleotidă de lângă nucleotidul neadecvat. Un sit catalitic separat al ADN polimerazei cunoscut sub numele de 3 'la 5' exonuclează de corectare digeră nucleotidele greșite din lanțul de creștere.

Repararea necorespunzătoare a direcției de direcție

În pofida mecanismelor de corectare a datelor, ADN polimeraza poate încorpora in continuare nucleotide incorecte la catena crescuta in timpul replicarii ADN. Erorile de replicare care au scăpat din corecție sunt îndepărtate prin repararea neconcordanței direcționate către strand. Acest sistem detectează potențialul de distorsiune în helixul ADN care se datorează perechilor de bază nepotrivite. Cu toate acestea, sistemul de reparații ar trebui să identifice baza incorectă din baza existentă înainte de a înlocui nepotrivirea. În general, E coli depinde de sistemul de metilare a ADN pentru a recunoaște vechea componentă a ADN-ului în helixul dublu, deoarece firul nou-sintetizat nu poate suporta în curând metilarea ADN-ului. În E coli, reziduul A al GATC este metilat. Fidelitatea replicării ADN-ului este mărită cu un factor suplimentar de 10² datorită acțiunii sistemului de reparare a neconcordanțelor direcționate în direcția stâlpului. Cale de reparare a neconcordanței ADN în eucariote, bacterii și E coli sunt afișate în figura 3.

Figura 3: Repararea necorespunzătoare a ADN-ului în eucariote, bacterii și E. coli

În repararea necorespunzătoare a direcției, trei proteine ​​complexe se deplasează prin firul ADN nou-sintetizat. Prima proteină cunoscută sub numele de MutS detectează și se leagă de distorsiunile în helix dublu ADN. A doua proteină cunoscută sub numele de MutL detectează și se leagă la MutS, atrăgând cea de-a treia proteină cunoscută ca MutH, care distinge lanțul nemetilat sau nou-sintetizat. După legare, MutH taie catena ADN nemetilată imediat în amonte de restul G din secvența GATC. O exonuclează este responsabilă de degradarea lanțului în aval față de nepotrivire. Totuși, acest sistem degradează regiuni mai mici de 10 nucleotide care sunt ușor re-sintetizate de ADN polimeraza 1. Proteinele Mut ale eucariotelor sunt omoloage cu cele ale E coli.

Concluzie

Mutațiile sunt modificări permanente ale secvenței nucleotidice a genomului care pot apărea datorită erorilor în replicarea ADN sau datorită efectului mutagenilor externi. Erorile replicării ADN-ului pot fi corectate prin două mecanisme cunoscute ca reparații de corecții și repararea necorespunzătoare a direcției. Corectarea este efectuată prin ADN polimerază în sine în timpul sintezei ADN. Repararea necorespunzătoare direcționată cu ajutorul catenei este efectuată de proteinele Mut imediat după replicarea ADN. Cu toate acestea, aceste mecanisme de reparare sunt implicate în menținerea integrității genomului.

Referinţă:

1. Alberts, Bruce. "Mecanisme de replicare ADN". Biologie moleculară a celulei. Ediția a 4-a., Biblioteca Națională de Medicină din S.U.A., 1 ianuarie 1970, disponibil aici.
2. Brown, Terence A. "Mutația, repararea și recombinarea" Genome. Ediția a doua, Biblioteca Națională de Medicină din S.U.A., 1 ianuarie 1970, disponibil aici.

Datorită fotografiei:

1. "Diferite tipuri de mutații" de Jonsta247 - Acest fișier a fost derivat din: Point mutations-en.png (GFDL) prin Wikimedia Commons
2. "ADN polimeraza" de I, Madprime (CC BY-SA 3.0) prin Wikimedia Commons
3. "Repararea necorespunzătoare a ADN-ului" De Kenji Fukui - (CC BY 3.0) prin Wikimedia Commons